數值模擬在基坑雙排樁支護計算中的應用

彭小毅 高嘉麗 許利東 陳 明

云南建投基礎工程有限責任公司 云南 昆明 650501

1 工程概況

云南省昆明市官渡區五里中央商務區（CBD）項目A22地塊基坑開挖范圍內有部分河道，需在基坑開挖前將河道改移至基坑開挖范圍以外。

原地下室結構設計2層，基坑開挖深度約11.22 m，從安全、經濟、施工便捷等方面考慮，擬采用雙排樁支護，且雙排樁上部兼作金汁河河道；后因地下室規劃調整，地下室結構由2層調整為3層，基坑開挖深度增加至14.92 m。但原設計雙排樁支護結構已施工完畢，因此在原設計雙排樁間增加5道預應力錨索以確保基坑開挖過程中的安全性。

2 工程地質條件

本剖面基坑支護范圍內主要土層自上而下分別為：①雜填土，松散，以黏性土為主；②黏土，硬塑狀為主，局部為可塑狀，夾有粉質黏土；③圓礫，稍密-中密狀，為沖洪積相沉積物；④黏土，硬塑狀，局部可塑；④3泥炭質土，可塑至硬塑，富含有機質、炭質及腐殖質；⑤黏土，硬塑狀；⑦黏土，硬塑狀；⑦2泥炭質土，硬塑，富含有機質、炭質及腐殖質；⑨粉質黏土，硬塑狀，局部堅硬狀。

3 設計方案

原地下室結構設計為2層，基坑底標高為1 881.38 m，開挖深度11.22 m。基坑南側剖面考慮基坑支護及河道改遷，基坑采用雙排樁支護，雙排樁上部掏土后為改遷金汁河河道，止水帷幕采用普通水泥土攪拌樁。前、后排樁樁徑均為0.8 m，樁間距1.3 m，考慮河道凈寬，排距為6.5 m。

在原設計雙排支護樁施工完成后，地下室結構由2層調整為3層，基坑底標高調整為1 877.68 m，基坑開挖深度增加至14.92 m。經計算復核，樁身抗彎承載力及樁身水平位移均不滿足設計要求。結合現場情況，綜合考慮基坑“安全、經濟、適用”等方面的因素，擬采用“雙排樁＋預應力錨索”復合支護形式（圖1），其中預應力錨索共5道，自由段8 m，錨固段15 m，總長23 m@2 600 mm，鉆孔直徑200 mm，預加力200 kN。采用此方案后，基坑順利開挖到底，各項控制指標均滿足規范要求。

圖1 基坑復合支護方案剖面示意

4 數值計算結果及分析

4.1 數值模擬參數

方案中，雙排樁樁間兼作河道，前排樁上施工5道預應力錨索，此類方案計算模型復雜，傳統的計算軟件不能建立此類復雜的計算模型，因此采用Plaxis 2D巖土有限元分析軟件建模，進行雙排樁內力、水平位移及樁后地面沉降計算。

數值模擬計算采用HS模型，HS模型總共包括11個參數。其中3個強度參數為有效黏聚力C、有效內摩擦角φ、剪脹角Ψ；4個基本剛度參數為三軸排水試驗的參考割線剛度固結試驗的參考切線剛度卸荷再加荷模量剛度應力水平相關冪指數m；4個高級參數為卸荷再加荷泊松比νur、參考應力Pref、破壞比Rf、正常固結條件下的側壓力系數

其中，本項目各土層參數如表1所示[1-4]。

表1 項目各土層參數

4.2 計算模型

根據工程實際情況建立二維平面應變模型，土體采用十五節點三角形單元模擬，雙排支護樁及連梁采用梁單元模擬，預應力錨索自由段采用點對點錨桿模擬，錨固段采用土工格柵模擬；基坑開挖外模型尺寸取基坑開挖深度3倍，模型總尺寸為80 m×30 m；基坑外菊苑路道路荷載取35 kPa；模型左右兩側約束水平位移，模型底部約束水平、豎向位移；采用三角形單元進行網格劃分，網格劃分精度選擇中等精度并對支護樁及基坑底部的網格進行加密，以便獲得較高的計算精度（圖2）。

圖2 計算模型

4.3 數值模擬結果分析

考慮實際施工是一個多階段過程，模型總共分為6個施工工況，分別為：①雙排樁及連梁施工→開挖河道施工→第1層土方開挖至－5.5 m→第1道錨索施工→②第2層土方開挖至－7.5 m→第2道錨索施工→③第3層土方開挖至－9.5 m→第3道錨索施工→④第4層土方開挖至－11.5 m→第4道錨索施工→⑤第5層土方開挖至－13.5 m→第5道錨索施工→⑥開挖至坑底－14.92 m。開挖至坑底后支護樁的彎矩圖及剪力圖如下（圖3、圖4）。受雙排樁排距大及河道開挖的影響，后排樁彎矩小于前排樁彎矩，后排樁彎矩約為前排樁彎矩的1/2，且在總體趨勢上有較大的差別。

圖3 雙排樁彎矩

圖4 雙排樁剪力

前排樁最大彎矩設計值為358.42 kN·m，后排樁最大彎矩設計值為194.60 kN·m。按照GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》，采用PKPM軟件進行配筋驗算后，得知已施工雙排樁樁身抗彎承載力能滿足設計要求。前排樁最大剪力設計值為241.40 kN，后排樁最大剪力設計值為84.06 kN，按照GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》，采用PKPM軟件進行配筋驗算后，得知已施工雙排樁樁身抗剪承載力能滿足設計要求。在各開挖工況下，土體深層水平位移及樁后地表沉降如下（圖5、圖6）。

模擬計算得出基坑開挖到基坑底后，深層水平位移最大值達到20.88 mm，而開挖到底后實際監測的深層水平位移最大值為22.62 mm，兩者相差1.74 mm。

模擬計算得出墻后各工況地面沉降呈拋物線形，基坑開挖到底后，最大沉降量發生在距離后排樁外7.46 m處，最大沉降量為29.92 mm；實際監測數據中，最大沉降量發生在后排樁外10.20 m處，最大沉降量為30.82 mm，模擬計算值和監測值比較接近。

基坑開挖到底部后，錨索軸力計算值和監測值對比如表2所示。

圖5 深層水平位移

圖6 地表沉降量

表2 錨索軸力對比

表2表明：模擬計算值和實測值比較吻合且呈現“中間大，兩頭小”的趨勢，符合基坑開挖錨索內力規律，模擬結果可以用于錨索設計。

5 結語

本文中采用“雙排樁＋預應力錨索”這種復合支護形式解決了因基坑開挖深度而導致的原有雙排樁不能滿足設計要求的難題，且雙排樁樁間兼作河道，節省了河道河堤擋土墻，取得了良好的社會和經濟效益。

針對本文中如此復雜的雙排樁計算模型，傳統深基坑支護設計軟件已不能滿足建模要求，有限元軟件恰好能彌補傳統軟件的這一缺陷。本文基于Plaxis 2D有限元軟件，采用土體硬化（HS）模型對復雜雙排基坑支護模型的整個施工階段進行數值模擬，得出支護樁內力、位移及樁后地面沉降值，并與監測值進行對比。

對比結果顯示，數值模擬能較好地反映基坑開挖的變形趨勢，且數值上與監測值也較好地吻合，證明本文中模擬軟件使用正確，參數取值合理，對類似項目具有一定的參考價值。