拋填石層超深基坑鉆孔咬合樁受力機理分析

李 丹 王宇聲

（中電建鐵路建設投資集團有限公司，黑龍江 哈爾濱 150076）

鉆孔咬合樁作為一種基坑圍護結構形式，在我國的應用時間較晚，目前國內關于鉆孔咬合樁的研究注重集中于工藝技術、設計驗算、數值模擬以及超緩凝混凝土的研發，但由于我國應用的施工機械先進程度落后于發達國家，咬合樁的施工存在成孔精度不高，樁身垂直度偏差過大，末端咬合量偏少等問題，進而威脅基坑施工的安全。

廖少明等[1]采用模型試驗的方法，研究了素混凝土樁與有鋼筋混凝土樁在共同抵抗側向土壓力過程中，圍護結構整體彎矩等力學性能的變化情況，他認為在鉆孔咬合樁的設計與施工中，要充分考慮素混凝土樁對圍護結構整體的作用。李文林[2]利用模型試驗方法研究了鉆孔咬合樁作為永久結構時的抗拉、抗剪和抗彎性能，認為鉆孔咬合樁能夠作為永久結構來使用。陳斌[3]在南京軌道交通車站施工中，監測了鉆孔咬合樁在不同開挖狀況下所表現的樁體位移，得出了鉆孔咬合樁能夠在土體側向壓力條件下控制水平位移的結論。姚燕明等[4]通過迭代計算的手段，得出了鉆孔咬合樁素樁與有鋼筋混凝土樁承擔彎矩與樁身剛度成正比的結論。趙超等[5]提出了兩種計算方法來指導設計，第一種將咬合樁等效為排樁，第二種是將咬合樁視為地下連續墻，計算其剪力和彎矩并換算為鉆孔咬合樁圍護結構計算單位，進而指導設計。

在理論研究方面，對于沿海復雜地質條件下（深厚填塊石層+中風化硬巖地層）高水壓工況咬合樁結構受力機理、計算模型，優化咬合樁樁體特性指標的研究，目前還需進一步完善和總結。

1 依托工程概況

太子灣站位于規劃匯海路，沿匯海路東西方向布置，全長240m。車站三面環海，小里程端距離海域最小距離為140m，大里程端距離海域最小為113m。原始地貌為填海空地，地勢總體平緩，地面高程為2.90～5.0m，地面下存在填碎石和填塊石層，平均層厚分別為3.88m 和13.77m，勘察期間測得水位高程-0.82～2.07m，平均0.88m，主體圍護結構采用咬合樁。在咬合樁穿越地層位置，采用沖擊鉆引孔破碎填塊石層及中風化硬巖層并原位回填粗砂，使后續咬合樁機可順利施工。

2 拋填石層超深基坑鉆孔咬合樁受力模型的建立

2.1 計算假定及模型參數

建立的有限元計算模型為二維構造，邊界范圍根據嚴格的基坑分析要求確定。模型中，X 向為基坑的水平方向，Y 向，即基坑及圍護結構的豎直方向，由于選取A-A 截面建模分析，計算時可假定在荷載作用下只有X 向（橫向）及Y 向（豎向）位移。模型計算中的相關假定如下：

2.1.1 根據地質剖面圖資料所示，研究區間內的基坑開挖斷面所處地層變化較為平緩，模型中假設各地層呈現勻質水平層狀分布，且同一土層性質為各向同性；

2.1.2 小變形假設：圍護結構以及基坑開挖施工引起地層變形屬于小變形問題；

2.1.3 巖土體材料性質為非線性，在圍護結構以及基坑開挖施工模擬中，周邊的巖土體穩定性受到擾動比較小，周圍巖土體通常不會出現極限破壞的大變形，由于彈塑性連續變形的控制，其應力、應變水平也較低。在有限元數值模擬計算中，巖土體采用理想彈塑性模型模擬，單元類型為實體單元，并采用修正摩爾- 庫侖屈服準則及相關關聯流動法則，巖土體與結構之間的變形由位移來協調控制，即認為巖土體和圍護結構之間不出現相互滑動；

2.1.4 基坑開挖過程中基坑內土體逐層開挖，內支撐逐層施做，為了保證基坑施工的安全穩定性，采取“先撐后挖”的模擬原則，模型中內支撐材料采用線彈性模型模擬，單元類型為1D梁單元；

2.1.5 模擬計算中，可將利用地下連續墻模型來代替鉆孔咬合樁，地連墻材料采用線彈性模型模擬，根據有效厚度相對關系采用梁單元進行模擬；

2.1.6 設置邊界條件時，模型的四個側面只設置了法向約束，底面的各個方向均受約束，而頂面無約束。

模型的參數來源于地質勘察報告和其他設計文件，地層特性及結構材料參數見表1。

表1 模型地層參數表

2.2 施工步驟及模型設計

2.2.1 初始地應力平衡：將模型內初始狀態參與計算的各土層、及邊界條件激活，同時施加模型整體水位線，使后續計算考慮滲流，在重力作用下達到平衡狀態，并將其位移清零；

2.2.2 圍護結構施做模擬：激活該位置處的等效地下連續墻、施工荷載；

2.2.3 基坑內土體開挖：進行該處的內支撐施做與土體開挖過程的模擬，激活該處內支撐，并鈍化該處的開挖土體；

2.2.4 待分層開挖的第一層土開挖過程計算平衡后，重復上述步驟2.2.3 ，直開挖至預定的基坑底部，完成整個模型的計算。

計算應用了Midas/GTS NX 作為二維有限元模型的分析軟件。模型以深圳市城市軌道交通12 號線工程太子灣站主體圍護結構A-A 截面基坑豎直方向為Y 軸，沿基坑水平方向為X 軸建立計算坐標系。取地下水位深度為0.88m，地層條件從上往下分別為：填碎石、素填土、粉質黏土、淤泥質粉質黏土、粉質黏土、強風化片麻狀混合花崗巖、強風化片麻狀混合花崗巖、中風化片麻狀混合花崗巖，土體應力應變關系采用修正摩爾- 庫倫準則。為提高計算精度，利用混合四面體網格，在基坑內土體以及圍護結構處施工位置處網格劃分較密，向外部土體網格劃分逐漸變疏，在不影響計算精度的前提下減少網格數量并節省計算時間，網格單元尺寸在1.0～1.5m 之間，共劃分6626 個單元，6582 個節點。2D 有限元數值模型圖1-2 所示。

圖1 有限元數值模型整體圖

圖2 有限元數值模型邊界約束與荷載布置圖

3 拋填石層超深基坑鉆孔咬合樁受力分析

3.1 咬合樁剪力計算結果

太子灣地鐵站深基坑的開挖步序共分為五層，在每一層土方開挖完畢后，通過模擬計算，分析得到了鉆孔咬合樁承受剪力的變化情況。

由上述不同開挖工況下圍護結構剪力變化圖（圖3-8）可以看出，對應開挖工況1-5，圍護結構所承受的最大剪力分別為214.234KN、255.177 KN、395.866 KN、337.91 KN、324.601KN，最大剪力一般發生在開挖深度16～20m 的范圍內。

圖3 開挖工況1 圍護結構剪力圖

圖4 開挖工況2 圍護結構剪力圖

圖5 開挖工況3 圍護結構剪力圖

圖6 開挖工況4 圍護結構剪力圖

圖7 開挖工況5 圍護結構剪力圖

圖8 各開挖工況下圍護結構剪力變化情況

隨著開挖的進行，最大剪力的變化規律表現為先增大后降低，且增大的幅度相對大于剪力降低的幅度，同時圍護結構在開挖完成第三層土體時承受到最大的剪力395.866 KN，這表明施工到第四層土時結構所受到的剪力最大，因此為了保證圍護結構的穩定性與施工安全，在圍護結構設計與施工過程中，考慮對于第四道支撐進行加強處理，如增大其截面尺寸或者增加其預施加荷載。

3.2 咬合樁彎矩計算結果

圍護結構的抗彎性能是基坑支護體系設計需要考慮的重要因素。本次有限元分析中對鉆孔咬合樁圍護結構的承載彎矩情況進行了分析，彎矩計算結果如圖9-14 所示。

圖9 開挖工況1 圍護結構彎矩圖

圖10 開挖工況2 圍護結構彎矩圖

圖11 開挖工況3 圍護結構彎矩圖

圖12 開挖工況4 圍護結構彎矩圖

圖13 開挖工況5 圍護結構彎矩圖

圖14 各開挖工況下圍護結構彎矩變化情況

由上述不同開挖工況下圍護結構彎矩變化圖可以看出，對應開挖工況1-5，圍護結構所承受的最大彎矩分別為563.924KN·m、629.942KN·m、763.608KN·m、832.241KN·m、722.982KN·m，最大彎矩一般發生在開挖深度18～20m 的范圍內，這一變化規律與圍護結構的剪力變化情況相同。

從每層土開挖時圍護結構彎矩的增量來看，第三層土開挖完成時彎矩增量最大，為113.666 KN·m，這表明在第四層土開挖的過程中，結構的內力迅速增長，因此有必要對于這一階段的內支撐進行加強處理，可以將這一層土開挖前的內支撐截面尺寸進行適當地增大，這與剪力的分析結果具有一致性。

3.3 咬合樁水平位移計算結果

基坑開挖過程也是坑內土體不斷卸載、坑外側向土壓力不斷增大的過程，基坑圍護結構作為抵抗側向土壓力的結構會向坑內產生一定的變形，因此圍護結構剛度是需要重點考慮的結構性能。

各開挖工況下圍護結構水平位移變化情況如圖15-20 所示。

圖15 開挖工況1 圍護結構位移圖

圖16 開挖工況2 圍護結構位移圖

圖17 開挖工況3 圍護結構位移圖

圖18 開挖工況4 圍護結構位移圖

圖19 開挖工況5 圍護結構位移圖

圖20 各開挖工況下圍護結構水平位移變化情況

圍護結構水平位移在上述1-5 開挖工況中的變化明顯，可以分析出對應開挖工況，圍護結構產生的最大水平位移分別為8.29mm、8.95mm、9.75mm、10mm、10mm，最大水平位移發生位置分別在開挖深度8m、9m、11m、11m、11mm。分析可知隨著基坑開挖的進行，圍護結構的水平位移持續增大，最終收斂于10mm左右的位移值。最大水平位移主要發生在11m 左右的位置，正好處于素填土的地層中，表明該層素填土的土層性質相對較差，因此在設計施工中應采取相應措施。

此外，從第一層土開挖至第五層土的過程中，最大位移的增幅較小，且各開挖工況下圍護結構的最大位移均符合規范要求，這表明了采取鉆孔咬合樁+內支撐的圍護結構對于基坑內土體位移具有明顯的限制作用，能夠保證基坑的安全與穩定。

4 結論

基坑施工中最大剪力一般發生在開挖深度16～20m 的范圍內。隨著開挖的進行，最大剪力的變化規律表現為先增大后降低，且增大的幅度相對大于剪力降低的幅度，同時圍護結構在開挖完成第三層施工到第四層土時結構所受到的剪力最大，因此為了保證圍護結構的穩定性與施工安全，在圍護結構設計與施工過程中，考慮對于第四道支撐進行加強處理，如增大其截面尺寸或者增加其預施加荷載。

隨著開挖的進行，最大彎矩的變化規律表現為開挖至第五層土之前持續增大，開挖完第五層土后略有降低，且降低的幅度相對較小。圍護結構在開挖完成第四層土體時承受到最大的彎矩，施工到第五層土時結構所受到的彎矩最大。第三層土開挖完成時彎矩增量最大，在第四層土開挖的過程中，結構的內力迅速增長，因此有必要對于這一階段的內支撐進行加強處理，可以將這一層土開挖前的內支撐截面尺寸進行適當地增大。

分析可知隨著基坑開挖的進行，圍護結構的水平位移持續增大，最終收斂于10mm 左右的位移值。最大水平位移主要發生在11m 左右的位置，正好處于素填土的地層中，表明該層素填土的土層性質相對較差，因此在設計施工中應采取相應措施。此外，從第一層土開挖至第五層土的過程中，最大位移的增幅較小，且各開挖工況下圍護結構的最大位移均符合規范要求，這表明了采取鉆孔咬合樁+內支撐的圍護結構對于基坑內土體位移具有明顯的限制作用，能夠保證基坑的安全與穩定。