成都地區排樁支護結構受力變形特征

吳兵 呂寶 丁斌 向文濤 呂晶日

摘要：排樁支護是深基坑支護的一種常用形式，在成都的建筑深基坑中有著廣泛的應用。文章以成都某地鐵車站深基坑工程為依托，應用大型有限元軟件對該工程的開挖、支護進行數值模擬，計算各個工況下圍護樁的變形、內力、樁后土壓力、支撐軸力等，并與現場實測數據進行對比，以分析支護結構的受力變形特征。

[作者簡介]吳兵（1981—），男，碩士，高級工程師，從事巖土工程工作。

排樁支護結構是國內深基坑普遍應用的一種支護形式，在成都地區深基坑工程中有著廣泛的應用。本文以某工程實例為依托，應用有限元軟件對其開挖、支護進行數值模擬，計算得到圍護結構的變形、內力、樁后土壓力等，并與現場監測數據進行對比，分析排樁支護結構的受力變形特征。

1 工程概況

1.1 工程特點

成都地鐵某廣場站深基坑開挖深度約23.54 m，采用“排樁+內支撐”支護體系。排樁采用1200@2 200 mm鋼筋混凝土樁，樁長為27 m，嵌固深度為3.5 m;內支撐采用603×12 mm鋼管，水平間距2.7～3.5 m，豎向設置4道;樁間土體采用8@150 mm×150 mm鋼筋網片加150 mm厚C20混凝土防護。明挖基坑標準段圍護結構剖面見圖1。

1.2 工程地質及水文地質條件

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

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。

2 有限元數值模擬

2.1 基本假設及計算模型

（1）該工程屬于典型的長條型基坑，計算時假設沿基坑長度方向無限長，取其中1根樁及1倍樁間距土體為研究對象。

（2）由于在基坑開挖時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）不考慮樁間掛網噴射混凝土對樁間土的支護作用。

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

（5）本文采用接觸面加摩擦的方式來模擬支護結構與土之間的接觸特性，摩擦系數統一取值0.35。

整個模型土體共計11 841個單元，支撐40個單元和圍護樁1 242個單元，樁土界面建立7個接觸對（圖2）。

2.2 材料參數選取

（1）土巖的物理力學參數。為簡化計算，對實際地層進行了適當簡化，將地層分為黏性土、卵石、泥巖3層，根據工程勘察資料，其計算參數如表1所示。

（2）鋼筋混凝土灌注樁。混凝土強度等級C30，樁身縱筋為2525 mm，鋼筋等級為Q235，圍護樁的彈性模量E近似取值為30 GPa，泊松比υ取值為0.2，密度取值為2 400 kg/m3。

（3）鋼管內支撐。彈性模量E取值為210 GPa，泊松比υ取值為0.2。

2.3 計算工況

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

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

3 計算結果及分析

選取的計算模型近似于基坑長邊中部的圍護樁及樁周土體，所以計算結果與基坑長邊中部的圍護樁的實測結果進行比較分析（圖3～圖7）。

3.1 圍護樁水平位移

計算結果表明：在開挖第一層土體（工況2）后，由于及時加撐并施加預加軸力，使得樁頂發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置，樁頂位移不會明顯增大，樁身中部向坑內凸出，樁身最大水平位移也相應地逐漸下移，開挖至基坑底部時，最大水平位移發生于樁頂以下約16.0 m處，其位移計算值約32.0 mm。

實測結果表明：在開挖第一層土體（工況2）后，樁頂水平位移向坑內方向約7 mm，之后施工過程中，樁頂水平位移逐漸減小，樁身最大水平位移位置逐漸下移，開挖至基底，最大水平位移發生于樁頂以下約15.0 m處，其位移值約為35.0 mm。由于實際施工中第一道支撐未及時架設，圍護樁懸臂深度過大，導致樁頂水平位移實測值大于計算值。

比較計算結果和實測結果的樁身水平位移曲線，形狀較為相似，呈“鼓肚”形狀，計算與實測的樁身最大水平位移及發生位置較為接近。總體來講，計算結果所反映的圍護樁的變形趨勢與實際較為吻合的。

3.2 樁身彎矩

（1）由計算結果可知：在彎矩有拐點的位置基本上都是在支撐位置附近，說明支撐的設置并施加合理的預加軸力能有效減小樁身彎矩。最大彎矩值隨開挖深度的增加而增大，最大彎矩值的位置隨開挖深度的增加而往下移。樁身的最大正彎矩出現在開挖第四層土體時（工況8），最大值1 300 kN·m 發生深度在樁頂以下15 m處;最大負彎矩出現在開挖至基底（工況10）時，最大值-1 400 kN·m發生深度在樁頂以下25 m處。

（2）實測結果表明：基坑開挖結束時，樁身鋼筋計最大拉應力實測值為35.64 MPa，換算成彎矩值為1 115.5 kN·m，發生深度在樁頂以下16 m處;最大壓應力實測值為-20.85 MPa，換算成彎矩值為-652.6 kN·m，發生深度在樁頂以下23 m處。計算結果與實測結果存在差異，尤其是樁的嵌固段，計算的彎矩值比實測值大很多。

3.3 支撐軸力

（1）計算結果表明：隨著下一道支撐發生作用，上一道支撐的軸力趨勢發生明顯的減小，這是因為下道支撐分擔上道支撐承受的壓力。支撐1在支撐3發生作用時其軸力幾乎為零，支撐2在支撐3參加工作以前軸力不斷上升，且軸力增幅較大;隨著支撐3發揮作用，其軸力變化趨勢為緩慢下降并在后續工況趨于穩定;支撐3的情況則與支撐2比較類似;支撐4因為加入體系后的工況較少，只剩下基坑開挖至底部這一工況，所以只能看出其軸力的上升過程。

（2）從實測結果可看出，在基坑開挖整個開挖過程中，支撐1始終沒有軸力為零，只是在支撐2和支撐3發生作用后，軸力在減小。支撐2、3的軸力沒有經歷減小的過程而是在一直增大，最后趨于穩定。在計算模型中支撐是用桿單元與樁共節點連接作用，與實際中鋼管支撐與樁的相互作用存在差異;另外實際施工過程中支撐會應力松弛、損耗，導致實測值比計算值小。計算結果與實測結果在數值上有所差異，但總體變化趨勢是一致的。

（3）計算結果表明：基坑開挖結束，第3道支撐軸力最大，其值為1 050 kN;第1道支撐軸力最小，其值為0，計算值小于設計容許值。

3.4 樁后土壓力

（1）樁后土壓力的大小和分布是隨著基坑的開挖和支撐的設置而變化的，并非朗肯土壓力理論中墻后土壓力分布形式，而是呈“R”形非線性分布的。

（2）基坑開挖的整個過程，樁后土壓力有限元計算值基本上都小于朗肯主動土壓力計算值的，由于朗肯土壓力理論忽略擋土墻與墻后填土存在摩擦力的事實，使得主動土壓力計算值偏大。實際工程設計中樁后土壓力采用朗肯主動土壓力分布模式，導致設計偏于保守。

4 結束語

（1）計算結果和實測結果的樁體水平位移曲線，形狀較為相似，呈“鼓肚”形狀。樁體最大水平位移值的計算值與實測值相差較小，最大水平位移發生位置也比較接近。

（2）樁體的最大正彎矩計算值為1 300 kN·m，實測值為1 115.5 kN·m，發生深度均在樁頂以下15 m附近; 圍護樁嵌固段，樁體最大負彎矩計算值與實測值存在較大差異。

（3）鋼支撐軸力計算值與實測結果在數值上有所差異，但總體變化趨勢是一致的。

（4）樁后土壓力有限元計算值基本上都小于朗肯主動土壓力計算值的，若實際工程設計中樁后土壓力采用朗肯主動土壓力分布模式，將導致設計偏于保守。

（5）由于影響基坑圍護體系的內力與變形的因素非常復雜，工程實際條件與有限元計算假定的條件有較大差別，施工過程又會受到各種因素的影響等原因，使得計算值與實測值存在一定的差別，但整體上看，計算值與實測值基本吻合。

參考文獻

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