基于鋼管樁支護體系的基坑數值模擬研究

楊本健，朱崇輝

(淮安市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 淮安 223001)

1 概 述

當淺層土層不能提供足夠的阻力來支撐上部結構時，通常采用樁基礎將荷載傳遞到更大的深度。樁身上的表面摩擦力和樁端阻力將共同作用以抵消施加的荷載。樁基礎廣泛應用于基礎工程中，預制管樁和鉆孔灌注樁是兩種常用的樁型。許多學者對樁身的摩阻力進行了深入的研究，這些研究都是在打入樁和鉆孔樁上進行的。許多學者也對樁基礎的承載能力進行了分析，雙曲線模型被認為是模擬樁端荷載-位移關系的可靠方法。除此之外，輸電塔、海洋平臺系泊系統、深基坑建筑物等結構物下的樁基礎必須承受抗拔荷載，已有學者對樁基礎的抗拔性能進行了研究。

鉆孔灌注樁是一種應用最為廣泛、最為成熟的樁技術，可用于任何地基條件，包括土壤和巖石。鉆孔需要仔細清理，以確保樁端的沉積物和開挖碎屑最少；否則，樁的阻力將受到施工質量的顯著影響。建議僅根據樁身阻力設計鉆孔樁，以保守設計為目標。保守的設計有時在經濟上是不可行的。研究人員還提出了一些提高鉆孔灌注樁性能的技術，如嵌巖樁、斷開沉降減小樁和樁背后灌漿。但這些方法將增加鉆孔灌注樁設計和施工的復雜性。鉆孔灌注樁以其承載力高、柔性好、適應性強等優點得到了廣泛的應用，但由于鉆孔過程，樁端下方的土壤擾動對樁端阻力有很大影響，清理后留下的碎屑將進一步降低樁端阻力。同時，鉆孔過程中樁周土應力釋放，也會降低樁身阻力。此外，樁端條件的軟化也阻礙了樁端阻力的發揮。由此可見，這些問題對鉆孔灌注樁的應用影響很大。

隨著城市建設的快速發展，地下空間在我國得到了極大的發展。翟貴琳[1]用數值方法分析了地鐵車站深基坑施工的全過程，并提出可能干擾的內力以及地基可能產生的變形。朱志華等[2]利用有限元軟件PLAXIS對青島地鐵車站基坑開挖進行了數值模擬。結果表明，“護樁錨內支護”系統運行良好，完全滿足設計要求。張明居等[3]測量了海南梅蘭機場隧道基礎(混合支撐體系)的內力和變形，并分析了整個施工期地基的變形情況。利菁等[4]討論了利用內支撐和排樁相結合的方法，在深圳建造一個大型深基坑的成功方法。

深基坑開挖會引起一系列的巖土工程問題和挑戰，特別是近年來，深基坑開挖引起的樁基承載問題已逐漸成為新的焦點。樁基礎通常用于將荷載從上部結構轉移到有效的土壤/巖層。一般來說，有兩種類型的樁：位移樁需要使用擊實錘或其他設備將樁打入地下，而非位移樁需要預挖孔來放置或澆筑樁。單樁的軸向阻力由兩個分量提供，包括在土-樁界面處移動的表面摩擦力和樁端阻力。端承式鋼管樁已廣泛應用于港口碼頭、海上大跨度橋梁和生命線電廠結構等城市和沿海結構的基礎。隨著大體積結構數量的增加，考慮封堵效應的端承式鋼管樁承載力成為基礎設計中的一個重要問題。土的堵塞程度對開口樁的承載力影響很大。許多研究者報道了影響開口樁堵土的因素有打樁條件[5]、樁的幾何條件[6]和土壤條件[7]。在極限荷載狀態下，開口樁的大部分內軸阻力在樁端附近移動[8]。現有的研究都是基于對小直徑樁的模型試驗或現場試驗的觀察，因此在解釋開口樁的堵土問題時存在局限性。此外，一系列的全尺寸樁試驗幾乎是不可能的，因為它既復雜又耗時。數值模擬通常用于基坑支護結構的應力分析[9-10]。在對稱荷載條件下，基坑支護結構可以簡化為二維平面應變問題。在現有研究中，Chowdhury等[11]采用Mohr-Coulomb模型描述樁的土性，采用梁單元模擬樁，得到支護結構設計參數對開挖過程的影響。Azzam和Elwakil[12]采用類似的方法模擬了樁墻在軸向力作用下的受力情況，計算值與實驗結果吻合較好。Athanasopoulos等對某城市鋼板樁支護基坑進行了二維有限元分析。分析還表明，實測值與理論值吻合較好。王波設計采用了鋼管樁加固地基的處理措施,對道路進行改建治理具有較好的推廣價值。蔣權翔針對某滑坡的應急治理,利用微型鋼管樁這一新技術,相對于傳統方法,具有施工工期短的優勢,對應急治理有一定的現實指導意義。在大多數情況下，跨越河流或山谷的橋梁的基坑支護結構由于地形復雜而遭受不對稱荷載。在這種情況下，二維模擬的使用是不夠的，需要詳細的三維分析。

鑒于以上綜合分析，鋼管樁具有良好的工作性能而得以廣泛應用，但缺乏相應城市深基坑中的支護應用，同時研究鋼管樁代替鉆孔灌注樁的可行性并為后續鋼管樁的回收提供一定指導是十分有意義的。因此，本文以江蘇某基坑為原型，通過數值模擬對鋼管樁基坑支護體系進行有限元分析，所得結果將對后續類似工程提供借鑒意義。

2 有限元模型

工程為南通圓融廣場商業項目，其中地下3層，商業用房地上6層，建筑工程等級為I級，設計使用年限50年。

在MIDAS-GTS數值模擬軟件中，對于土層的模擬采用M-C本構關系，土層參數見表1，支護體系結構參數見表2。本文根據實際工程情況，以剖面1-1建模，剖面支護見圖1，最終建立的基坑模型見圖2。

表1 土層參數

表2 支護參數

圖1 剖面支護圖

圖2 支護模型

3 開挖位移變化分析

3.1 土體豎向位移與水平位移變化

通過提取數值模擬所獲得的數據，得到基坑邊緣水平位移與豎向位移隨管樁直徑的變化趨勢，見圖3。

圖3 基坑邊緣土體位移變化趨勢

從圖3可以看出，基坑土體水平位移及豎向沉降值均隨著鋼管樁直徑的增大而減小，鋼管樁直徑為0.9和1 m時，基坑邊緣土體表現出隆起現象；當鋼管樁直徑為0.5 m時，基坑邊緣沉降值為最大為-3 mm?；舆吽轿灰齐S著管樁直徑增大由18 mm減少至14 mm，而基坑側壁最大水平位移隨著管樁直徑增大由24.8 mm減少至15.6 mm。由此可見，基坑邊水平位移隨著管樁直徑增大而減少的幅值明顯小于基坑側壁最大水平位移。

3.2 基底隆起分析

以管樁直徑為0.5 m的支護體系為例，分析基底隆起變化，基底隆起變化見圖4。從圖4看出，基底隆起值隨著距基坑中心距離的增加而不斷減少，在開挖6完成后基底中心的隆起值為52 mm左右，而基坑邊的隆起值則約為18 mm左右。同時其他不同直徑管樁的基底隆起值與直徑為0.5 m的基底隆起值變化基本相似，而且最終開挖結束時基地中心的隆起值均為52 mm左右。由此可以表明，基底隆起值與管樁直徑大小并無直接關系，但是在施工中為防止基底隆起過大應采取必要措施。

3.3 管樁應力狀況分析

提取6種不同直徑的管樁樁身最大剪應力值，見圖5。從圖5可以看出，隨著基坑開挖深度的增加，6種不同直徑管樁的樁身剪應力也在不斷增大，但可以看出直徑為0.5 m的管樁最大剪應力增大的幅值相最大。究其原因，小直徑管樁的剛度小而不能較好地控制樁后土體位移，而樁后土體位移正是導致樁身剪應力增加的原因。

圖4 基底隆起變化(直徑0.5 m)

圖5 鋼管樁最大剪力變化趨勢

同時對6種不同直徑的管樁提取開挖過程的彎曲應力變化趨勢，見圖6。從圖6可知，對于不同管樁的最大彎曲應力隨著基坑開挖深度的增加而不斷增大?；娱_挖完成后樁身彎曲應力和剪應力均達到最大，最大剪應力為9 953 kPa，最大彎曲拉應力與最大壓應力為27 990和-29 074 kPa，而本文管樁鋼材為Q235，因此本文管樁滿足材料強度要求。

圖6 彎曲應力變化趨勢

3.4 鋼管樁布置間距對基坑的影響

以直徑為1.0 m的鋼管樁為例，分析管樁布置間距對基坑的影響。取2.0倍、3.0倍的樁徑布置間距為變量，分析管樁合理的布置間距。見圖7。

圖7 不同布置間距土體水平位移變化

從圖7可以看出，隨著開挖深度增加，不同布置間距的水平位移不斷增大。但是在同一深度時，布置間距為3.0倍樁徑的水平位移比2.0倍樁徑的水平位移大，且最終開挖完成時，3.0倍樁徑的水平位移達到29.4 mm，已超過25 mm的監測報警值，這將嚴重影響基坑開挖的安全性，所以建議按2倍樁徑的間距布置管樁。

4 結論與展望

本文以江蘇某基坑為工程背景，利用MIDAS-GTS數值模擬軟件，對鋼管樁支護基坑進行有限元分析，主要結論如下：

1) 基坑土體水平位移及豎向沉降值均隨著鋼管樁直徑的增大而減小，鋼管樁直徑為0.9和1 m時，基坑邊緣土體表現出隆起現象；當鋼管樁直徑為0.5 m時，基坑邊緣沉降值最大為-3 mm。另外，基底隆起值與管樁直徑大小并無直接關系，但是在施工中為防止基底隆起過大應采取必要措施。

2) 隨著基坑開挖深度的增加，6種不同直徑管樁的樁身剪應力和彎曲應力也在不斷增大，最大剪應力為9 953 kPa，最大彎曲拉應力為27 990 kPa，由此可得本文Q235鋼材滿足材料強度要求。

3) 在基坑開挖同一深度時，布置間距為3.0倍樁徑的水平位移比2.0倍樁徑的水平位移大，且最終開挖完成時，3.0倍樁徑的水平位移達到29.4 mm，已超過25 mm的監測報警值，所以建議按2倍樁徑的間距布置管樁。