成都地區(qū)排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)對土層參數(shù)敏感性分析

吳 兵

(核工業(yè)西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610061)

排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)是國內(nèi)深基坑普遍應(yīng)用的一種支護(hù)形式，在成都地區(qū)深基坑工程中有著廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，根據(jù)設(shè)計(jì)方法求得給定參數(shù)值情況下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力，但隨著某些參數(shù)在取值上可能發(fā)生的變化，結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力會發(fā)生什么樣的變化對整個(gè)工程的經(jīng)濟(jì)和安全有著重要的影響，對實(shí)際工程的參數(shù)敏感性分析為設(shè)計(jì)施工決策提供了重要依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程特點(diǎn)

成都地鐵某廣場站深基坑開挖深度約23.54m，采用“排樁+內(nèi)支撐”支護(hù)體系。排樁采用Φ1200@2200mm鋼筋混凝土樁，樁長為27m，嵌固深度為3.5m；內(nèi)支撐采用Φ603×12mm鋼管，水平間距2.7～3.5m，豎向設(shè)置4道；樁間土體采用Φ8@150mm×150mm鋼筋網(wǎng)片加150mm厚C20混凝土防護(hù)。明挖基坑標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面見圖1。

圖1 基坑標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

站區(qū)地處成都平原岷江Ⅲ級階地，為山前臺地地貌。場地范圍內(nèi)上覆第四系人工填土層，第四系中、下更新統(tǒng)冰水沉積(Q2-1fgl)黏土、粉砂、含卵石黏土和含黏土卵石，下伏基巖為白堊系上統(tǒng)紫紅色泥巖。

地下水主要有4種類型：一是賦存于黏土層之上的上層滯水，二是賦存于黏土中的裂隙水，三是第四系松散土層(含卵石黏土和含黏土卵石)的孔隙潛水，四是基巖裂隙水(基巖溶孔溶隙裂隙潛水)。

2 有限元數(shù)值模擬

2.1 基本假設(shè)及計(jì)算模型

(1)該工程屬于典型的長條型基坑，計(jì)算時(shí)假設(shè)沿基坑長度方向無限長，取其中1根樁及周圍土體為研究對象。

(2)由于在基坑開挖時(shí)通過降水使地下水位一直處在坑底以下，故不考慮地下水的滲流作用。

(3)不考慮樁間掛網(wǎng)噴射混凝土對樁間土的防護(hù)作用。

(4)砂卵石、泥巖采用Mohr-Coulomb模型；黏性土采用線性Drucker-Prager模型；圍護(hù)樁和鋼支撐均采用線彈性本構(gòu)關(guān)系。土體和圍護(hù)樁采用實(shí)體建模，采用C3D8R單元；鋼支撐采用僅壓桿單元T3D2。

(5)文章采用接觸面加摩擦的方式來模擬支護(hù)結(jié)構(gòu)與土之間的接觸特性，摩擦系數(shù)統(tǒng)一取值0.35。

圖2 有限元計(jì)算網(wǎng)格

整個(gè)模型土體共計(jì)11 841個(gè)單元，支撐40個(gè)單元和圍護(hù)樁1242個(gè)單元，樁土界面建立7個(gè)接觸對。有限元計(jì)算網(wǎng)格見圖2。

2.2 材料參數(shù)選取

(1)土巖的物理力學(xué)參數(shù)。

為簡化計(jì)算，對實(shí)際地層進(jìn)行了適當(dāng)簡化，將地層分為黏性土、砂卵石、泥巖3層，根據(jù)工程勘察資料，其計(jì)算參數(shù)見表1。

（1）collection of R.p=p，{R.s}is grouped by different R.s

(2)鋼筋混凝土灌注樁。

表1 土(巖)層的計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)

混凝土強(qiáng)度等級C30，樁身縱筋為25Φ25，鋼筋等級為Q235，圍護(hù)樁的彈性模量E近似取值為30GPa，泊松比υ取值為0.2，密度取值為2 400kg/m3。

(3)鋼管內(nèi)支撐。

彈性模量E取值為210GPa，泊松比υ取值為0.2。

2.3 計(jì)算工況

根據(jù)基坑開挖和加撐的施工工序，每層土體開挖和加撐均單獨(dú)作為一個(gè)工序，工況劃分：開挖至1.5m—加第一道支撐—開挖至7.5m—加第二道支撐—開挖至13.5m—加第三道支撐—開挖至18.5m—加第四道支撐—開挖至23.5m(基底)—拆除第四道支撐。

各道支撐安裝完成后，立即施加預(yù)加軸力。因論文取1根樁(間距為2.2m)進(jìn)行計(jì)算分析，所以應(yīng)按支撐水平間距(3.5m)對支撐施加軸力進(jìn)行折減，折減比為2.2/3.5=0.63。計(jì)算模型中預(yù)加軸力取值自上而下依次為40kN、200kN、350kN、350kN。

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

選取的計(jì)算模型近似于基坑長邊中部的圍護(hù)樁及樁周土體，所以計(jì)算結(jié)果與基坑長邊中部的圍護(hù)樁的實(shí)測結(jié)果進(jìn)行比較分析(圖3、圖4)。

圖3 樁身水平位移計(jì)算結(jié)果

圖4 樁身水平位移實(shí)測結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明：在開挖第一層土體(工況2)后，由于及時(shí)加撐并施加預(yù)加軸力，使得樁頂發(fā)生向坑外方向的水平位移，隨著開挖深度的增大和支撐的設(shè)置，樁頂位移不會明顯增大，樁身中部向坑內(nèi)凸出，樁身最大水平位移也相應(yīng)地逐漸下移，開挖至基坑底部時(shí)，最大水平位移發(fā)生于樁頂以下約16.0m處，其位移計(jì)算值約32.0mm。

比較計(jì)算結(jié)果和實(shí)測結(jié)果的樁身水平位移曲線，形狀較為相似，呈“鼓肚”形狀，計(jì)算與實(shí)測的樁身最大水平位移及發(fā)生位置較為接近。總體而言，計(jì)算結(jié)果所反映的圍護(hù)樁的變形趨勢與實(shí)際較為吻合。

3 土體剛度、強(qiáng)度參數(shù)敏感性分析

3.1 參數(shù)敏感性分析方法

在實(shí)際系統(tǒng)中，由于決定系統(tǒng)各參數(shù)是不同的物理量單位，為了比較敏感程度的大小，經(jīng)常要進(jìn)行無量綱化處理，繪制ΔF/F*～Δxi/xi*(i=1,2,3,…)曲線，該曲線的斜率絕對值定義為參數(shù)敏感性函數(shù)：

αi=|ΔF/F*|/|Δxi/xi*|，(i=1,2,3,…n)

參數(shù)敏感度函數(shù)可以比較系統(tǒng)特性對各參數(shù)的敏感程度，敏感度函數(shù)值越大，系統(tǒng)特性對該參數(shù)越敏感。

為簡化計(jì)算，假設(shè)基坑開挖土體為單一土層，即分別按黏性土和砂卵石進(jìn)行計(jì)算。樁端嵌固于泥巖，內(nèi)支撐不施加預(yù)加軸力，模型的其他尺寸和參數(shù)與實(shí)際工程一致，統(tǒng)一以基坑開挖至底部這一工況的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析。

3.2 黏性土的剛度、強(qiáng)度參數(shù)敏感性分析

設(shè)定基準(zhǔn)狀態(tài)X*=(x1*，x2*，x3*)=(E，c，φ)，系統(tǒng)特征F*=f(X*)=(E，c，φ)。基準(zhǔn)值F*=(8，35，16°)。即以基坑開挖土層參數(shù)分別為E=8MPa、c=35kPa、φ=16°時(shí)計(jì)算得到樁體的最大彎矩值、最大水平位移值作為基準(zhǔn)值，分析基坑圍護(hù)樁的變形和內(nèi)力對上述三個(gè)參數(shù)的敏感程度(表2)。

表2 黏性土土層參數(shù)敏感性分析計(jì)算

圖5 樁身最大水平位移-土層參數(shù)變化率關(guān)系

圖6 樁身最大彎矩-土層參數(shù)變化率關(guān)系

由圖5、圖6的曲線斜率絕對值的大小可以判斷：基坑開挖土層均為黏性土?xí)r，圍護(hù)樁的變形及內(nèi)力對上述3個(gè)土層參數(shù)的敏感程度大小是φ>c>E。

3.3 砂卵石的剛度、強(qiáng)度參數(shù)敏感性分析

設(shè)定基準(zhǔn)狀態(tài)X*=(x1*，x2*，)=(E，φ)，系統(tǒng)特征F*=f(X*)=(E，φ)。基準(zhǔn)值F*=(55， 35°)。即以基坑開挖土層參數(shù)分別為E=55MPa、φ=35°時(shí)計(jì)算得到樁體的最大彎矩值、最大水平位移值作為基準(zhǔn)值，分析基坑圍護(hù)樁的變形和內(nèi)力對上述兩個(gè)參數(shù)的敏感程度(表3)。

表3 砂卵石土體參數(shù)敏感性分析計(jì)算

圖7 樁身最大水平位移-土層參數(shù)變化率關(guān)系

圖8 樁身最大彎矩-土層參數(shù)變化率關(guān)系

由圖7、圖8的曲線斜率絕對值的大小可以判斷：基坑開挖土層均為砂卵石時(shí)，圍護(hù)樁的變形及內(nèi)力對上述2個(gè)土層參數(shù)的敏感程度大小是φ>E。

3.4 黏性土與砂卵石的剛度、強(qiáng)度參數(shù)敏感性比較

由表4、表5可知：土層剛度、強(qiáng)度對樁體內(nèi)力和變形具有較大的影響，尤其是土體內(nèi)摩擦角的影響更大，所以在工程實(shí)際中，對上述參數(shù)的合理取值相當(dāng)重要，如果取值偏小，將導(dǎo)致設(shè)計(jì)保守。另外，黏性土的彈性模量和內(nèi)摩擦角對樁體內(nèi)力和變形的影響程度明顯大于砂卵石。

表4 黏性土土層參數(shù)對樁體內(nèi)力和變形的影響

表5 砂卵石土層參數(shù)對樁體內(nèi)力和變形的影響

4 結(jié)束語

(1)通過數(shù)值模擬計(jì)算，并與實(shí)測結(jié)果對比分析，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果對參數(shù)準(zhǔn)確性依賴較大，參數(shù)選取不合理可能造成與實(shí)際差異較大。

(2)以上對于土層參數(shù)敏感性分析可以看出，對于排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，圍護(hù)樁變形及內(nèi)力影響最大的參數(shù)是土體的內(nèi)摩擦角，因此在設(shè)計(jì)計(jì)算中，確定合理的土體內(nèi)摩擦角至關(guān)重要。

(3)對于黏性土地層，圍護(hù)樁的變形及內(nèi)力對土體剛度、強(qiáng)度參數(shù)的敏感程度大小分別為φ>c>E；對于砂卵石地層，則為φ>E。另外，黏性土的E和φ對圍護(hù)樁的變形及內(nèi)力的影響程度大于砂卵石。