多排水泥土插芯圍護墻結構變形分析及應用

付玉恩

摘要：本文針對具體的工程實例，分別采用《復合土釘墻基坑支護技術規范》算法和有限元法計算多排水泥土插芯作為圍護墻結構的基坑開挖變形、周邊沉降和整體穩定性分析，并與實測值進行了對比，分析產生誤差的原因。研究了插芯對整體穩定性的影響，驗證了在計算整體穩定性時規范中對水泥土插芯不予考慮的合理性，明確了通過水泥土中插芯來提高整體穩定性是不可行的。

Abstract： In this paper， according to specific engineering examples， the algorithm and the finite element method in "Composite Soil Nailing Foundation Pit Supporting Technical Code" are respectively used to calculate the excavation deformation， surrounding settlement and overall stability analysis of the multi-row cemented soil core as the retaining wall structure， the result was compared with the measured values and the cause of the error was analyzed. The influence of the ferrule on the overall stability was studied， and the rationality of not considering the cement soil ferrule in the specification when calculating the overall stability was verified， and it was clarified that it was not feasible to improve the overall stability by inserting the core in cement and soil.

關鍵詞：水泥土插芯；基坑變形；整體穩定性

Key words： cement soil core；foundation pit deformation；overall stability

中圖分類號：TU433 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）18-0107-03

0 引言

隨著城市化進程的發展，城市建設用地越來越緊張，城市地下工程的建設難度不斷增加，基坑支護難度不斷加大。場地狹小，且周邊存在有重要的建構筑物，不具備大型機械施工空間的基坑工程不斷出現[1]。水泥土樁插芯支護結構因其所需操作空間小，穿越地下障礙能力強、經濟效益好等特點[2-5]，在深基坑工程中得到廣泛的應用[6-8]。

《復合土釘墻基坑支護技術規范》（GB 50739-2011）將多排水泥土插芯樁按微型樁考慮，不考慮抗彎剛度[9]。在計算水泥土插芯樁產生的抗滑力矩時進行折減，規范推薦的折減系數η為0.1～0.3，且微型樁樁體材料抗剪強度較高、截面積較大時折減系數越小，具有較大的安全儲備。在施工周期短、開挖深度小的項目中，如按規范推薦的折減系數進行計算分析，則水泥土插芯圍護墻支護形式的有利作用將得不到充分發揮，在一定程度上限制其在工程中的應用。

本文旨在既有完工項目基礎上，采用《復合土釘墻基坑支護技術規范》中的算法進行受力分析，并與有限元分析結果及實測值進行對比分析。

1 工程概況

1.1 項目概況

昆明市某基坑工程平面現狀為矩形，長26.3m，寬15.0m，整體設兩層地下室，負一層地下室層高3.3m，負二層地下室層高4.8m，基坑開挖深度為8.9m。開挖周長87.4m，開挖面積445.5m2。本項目北側及東側為混6～混8的“L”型醫技樓，醫技樓距離基坑開挖線1.97～2.33m；南側為住院樓，距離基坑邊13.7m；西側為磚2配電室，距基坑1.03～1.39m，屬重點保護對象，且不可改遷。

1.2 工程地質和水文條件

本項目場地處滇池東側，屬高原河湖復合相堆積地貌；地層自上而下依次為第四第人工活動層（Q4ml）、第四系沖洪積（Qal+pl）、湖積（Q4al+l），基坑開挖范圍內主要土層如下：

①雜填土及①1層素填土（老填土），結構松散，層厚不均，最大厚度達5.60m，成份不均，軟硬不均，該層土結構松散，固結較差。

②粉質粘土，可塑～硬塑狀態，中壓縮性；物理力力學性質相對較好，地基承載力特征值為150kPa。②1粘土，軟塑狀態，高壓縮性，物理力學性質較差，地基承載力特征值為80kPa。

③圓礫，稍密，局部地段為中密，物理力學性質好，層位穩定，承載力特征值為250kPa。③1粉土，稍密狀態，③2層為稍密～中密的礫砂，物理力學性質相對較好，中壓縮性，該兩層以透境體存在于③層圓礫中，承載力特征值均大于140kPa。

④圓礫，中密，物理力學性質好，承載力特征值為280 kPa；強度高，厚度較大，分布穩定，埋深均在現地表12m以下，平均厚度均大于10m。④1層為稍密～中密狀態的粉砂，物理力學性質較好，承載力特征值為160kPa。④2層稍密～中密狀態的粉土，物理力學性質一般，承載力特征值為140kPa。

⑤粉質粘土，可塑～硬塑狀態，中壓縮性，物理力學性質稍好。⑤1層為中密狀的粉土，中壓縮性，物理力學性質較好，以透境體存在于⑤層中。該兩層地基承載力特征值均大于165kPa。

場地穩定靜止水位在現地表下1.20左右，地下水類型主要為孔隙潛水及上層滯水。上層滯水賦存于表層結構松散的填土層中，水量較小；孔隙型潛水的主要含水層為粉土、粉砂、礫砂及圓礫層，具承壓性，補給源為大氣降雨及地表涇流補給和控制，與西側玉帶河存在水力聯系。

2 支護設計

根據本項目對基坑支護的安全性要求高、控制變形要求嚴、周邊環境復雜、大型機械施工受限等特點。基坑支護結構采用高壓旋噴樁內插雙排Φ89×4.0鋼管微型樁，外加豎向七排預應力錨桿形成“土釘墻+微型樁+預應力錨桿+截水帷幕”的復合支護形式，高壓旋噴樁兼具止水功能。

高壓旋噴樁直徑為500mm，水平間距為300mm，平面上設置雙排，排距400mm；插芯為Φ89×4.0鋼管，設置雙排，排距400mm；微型樁樁頂設置1000×600mm鋼筋混凝土冠梁，冠梁混凝土強度等級為C30；預應力錨桿水平間距1.2m；桿體材料為Φ48×3.0鋼管內插Φ22HRB500螺紋鋼筋，注漿材料為水泥凈漿，水灰比為0.5～0.6，采用二次高壓注漿工藝。錨桿標高設置腰梁，腰梁采用兩根16b槽鋼拼裝而成，槽鋼下設置鋼筋混凝土暗梁，暗梁混凝土等級為C30。支護結構平面布置如圖1所示，典型支護剖面如圖2所示。

3 分析計算

3.1 計算模型簡化及參數選取

選取圖2所示典型設計剖面進行計算分析，規范算法簡化為：①周邊建筑物按15kPa/層等效為超載參與計算；②插芯的作用按等強度代換為水泥土；③采用等面積原則將單位長度水泥土樁截面積換算為水泥墻。有限元計算簡化為：①水泥土采用實體單元；②插芯鋼管采用梁單元；③水泥土和土體采用修正摩爾庫倫模型；④周邊建筑按平面問題進行簡化。

為便于與規范計算值進行比較，有限元模型不考慮土層在平面上的變化，按水平分層考慮。有限元模型詳見圖3。

按實際施工設置分析工況，土方分層開挖，錨桿分層施工。每個土方開挖工況設置500mm超挖深度，即開挖到錨桿設計標高下500mm后施工錨桿，最后一層錨桿開挖到坑底后施工，共計定義15個工況。開挖至某一深度后的工況較該深度下錨桿施工工況更加危險，例如工況3為開挖至第二層錨索施工標高（該工況錨桿未施工），工況4為第二層錨桿施工，工況3較工況4更不利，故在后續分析中僅針對不利工況（開挖工況）進行計算分析。計算分析所采用參數如表1和表2所示。

3.2 變形結果及分析

圖4為采用規范算法計算得到各不利工況下水泥土水平位移曲線，圖5為采用有限元計算得到各不利工況下水泥土水平位移曲線，圖6為開挖至坑底工況下的水平變形云圖。根據施工過程中監測結果，基坑開挖至坑底后冠梁頂部位移為4.35mm，最大位移發生在坑底上2.31m位置，變形值為10.58mm，最大沉降6.19mm。

對比實測值和計算結果，可以看出，采用水泥土插芯做為圍護結構在本項目中是可行的。規范算法計算得到最大變形值為16.12mm，最大變形值點位于坑底2.4m，坑外最大沉降為13mm；有限元計算得到最大變形值為11.81mm，最大變形值發生位置為坑底上1.4m，坑外最大沉降4.45mm。

計算值與實測值之間的誤差統計詳見表3。

通過對比計算值與實測值，可以發現有限元計算值與實測值比較接近，誤差為11.63%；規范算法由于不考慮水泥土的有利作用，計算所得變形與實測之間的誤差為52.36%，證明在一定開挖深度的情況下，水泥土插芯圍護墻結構中水泥土的作用較大，但水泥土的有利作用的定量分析仍待后續進行。同時也證明了在具體項目的實例背景下采用水泥土插芯作為基坑開挖的豎向圍護結構是可行的。此外，在有限元計算過程中未考慮足夠的安全系數，將有限元結果運用于實際工程中需高度關注，認真分析計算結果，確保將有限元分析結果應用于實際工程時同時滿足規范要求。

3.3 插芯對整體穩定性系數的影響

采用規范算法計算本項目的整體穩定性系數，在考慮Φ89×4.0鋼管插芯作用下，整體穩定安全系數1.604，不考慮插芯作用下的整體穩定安全系數為1.600，兩者比較接近，插芯對本項目整體穩定安全系數的提高不是特別明顯，這進一步驗證了《復合土釘墻基坑支護技術規范》在計算整體穩定安全系數時不考慮插芯的合理性，也說明本項目如通過增加插芯來解決整體穩定性問題是不可行的。

4 結論

通過對具體項目采用規范算法和有限元進行分析，論證了多排水泥土插芯圍護墻結構在基坑開挖施工中的適用性。通過計算值與實測值的對比分析，得出以下幾點結論：①證明了《復合土釘墻基坑支護技術規范》整體穩定性計算中不考慮插芯作用的合理性，同時也證明了通過增加插芯來解決整體穩定問題是不可行的。②在具有真實可靠的土工數據的基礎上進行有限元模擬仿真分析其結果與實測比較接近，可做復雜項目的輔助分析，增加設計的可靠性。③多排水泥土插芯作為豎向支擋結構在本項目地質條件下支擋結構水平位移量小于有限元分析計算變形量；多排水泥土插芯作為復合支擋結構具有重要的作用，設計時應充分考慮項目特點加以選用，以充分發揮其工程經濟效益。④水泥土成樁強度是多排水泥土插芯樁的抗彎剛度發揮的重要因素，在工程應用中需考慮施工工藝、不同土層中成樁強度的差異對支擋結構作用的影響；在軟弱土層中采用多排水泥土插芯圍護墻時需結合工程經驗使用。

參考文獻：

[1]鄭剛，朱合華，劉新榮，楊光華.基坑工程與地下工程安全及環境影響控制[J].土木工程學報，2016，49（6）：1-24.

[2]曹智國，章定文.水泥土無側限抗壓強度表征參數研究[J].巖石力學與工程學報，2015，5（增1）：3446-3454.

[3]葉觀寶，蔡永生，張振.加芯水泥土樁復合地基樁土應力比計算方法研究[J].巖土力學，2016，37（3）：672-678.

[4]董平，陳征宙，秦然.砼芯水泥土攪拌樁在軟土地基中的應用[J].巖土工程學報，2002，24（2）：204-207.

[5]朱國偉，孫玲玲.沿海地鐵基坑工程中的被動區水泥土強度試驗探討[J].江蘇科技信息，2017，18：40-43.

[6]胡勇.基于FLAC3D的加筋水泥土錨樁深基坑圍護結構穩定性分析[J].土工基礎，2012，26（2）：61-63.

[7]鄭剛，顧曉魯，姜忻良.水泥攪拌樁復合地基承載力辨析[J].巖土工程學報，2000，22（4）：447-489.

[8]周麗萍，申向東.水泥土力學性能的試驗研究[J].硅酸鹽通報，2009，28（2）：359-365.

[9]中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50739-2011，復合土釘墻基坑支護技術規范[S].北京：中國計劃出版社出版，2012.