深基坑双排桩的支护效果和数值模拟研究

2015-03-24韦巍

四川建筑 2015年6期

关键词：深基坑基坑数值

韦巍

(中铁十局集团第二工程有限公司，河南郑州 450008)

深基坑双排桩的支护效果和数值模拟研究

韦巍

(中铁十局集团第二工程有限公司，河南郑州 450008)

双排桩结构的“空间效应”可以有效地控制基坑侧向变形，其结构受力更合理，已被广泛应用于基坑支护设计中。文章以某基坑工程的监测数据为背景，对双排桩支护结构进行数值模拟，通过数值模拟计算结果与基坑现场监测结果对比，对双排桩支护结构下坑底隆起、桩身变形和地表沉降特征进行研究。研究表明，双排桩维护结构能有效控制基坑变形。

双排桩；深基坑；数值模拟；支护效果

双排桩作为一种新型的支护结构，是由两排平行的钢筋混凝土桩结合桩顶的压顶梁形成空间门架式支护结构体系[1]。

目前，部分学者对双排桩进行大量的研究，申永江等人建立有限元模型，分析了不同排距条件下前后两排桩的受力状况；宋婷等人通过GeoStudio处理软件，对双排桩在基坑支护中的应用进行了非线性有限元分析，研究双排桩的受力特点；杨德健等人运用ANSYS有限元分析建立平面应变模型，对双排桩支护结构进行了分析；沈樱涛等人建立数值模型，分析了双排桩排距的变化、桩径的变化对支护体系水平位移、弯矩等的影响；王星华等人建立数值计算模型，对不同开挖过程中桩土相互作用机理、支护结构内力、变形和土压力分布特征进行了研究。

以上的研究主要是通过数值模拟的方法进行研究，这种方法在没有得到现场实际监测验证的情况下，只有在特定的条件况下才符合真实情况，对双排桩的监测研究也就十分重要，仅仅通过数值模拟的方法是不能真正了解双排桩实际受力变形特征。

本文结合成都地区某深基坑开挖过程中基坑变形监测结果和FLAC3D数值模拟软件，将数值模拟结果与监测数据进行对比验证数值计算方法正确性的前提下，对双排桩支护进行数值模拟分析，研究双排桩在深基坑支护中的支护效果。

1 工程概况

某基坑地处成都平原西部，开挖深度9.2 m，地下两层，基坑周长约为210 m，工程重要性等级为一级，采用的支护方式为双排桩支护方式，基础采用CFG桩复合地基。场地地形平缓，土层自上而下分别为：第①层：素填土，灰黑色，厚3.5 m；第②层：黏性土，灰黄色，厚5.2 m；第③层：粉质黏土，黄色，厚1 m；第④层：全风化砂岩，黄色，厚4 m；第⑤层：全强风化泥岩，紫红色，厚6 m；第⑥层：中风化泥岩，紫红色，厚2 m；第⑦层：微风化泥岩，紫红色，厚10 m。

勘察期间地下水类型为第四系松散岩类孔隙水与岩层风化裂隙潜水。水位埋深3.1～3.3 m。

基坑周围地势平坦，周边环境较为复杂，北侧为交通主干道，东侧为另一在建基坑工程，南侧为一正在进行主体施工的居民楼。综合多种因素分析，决定采用双排桩的支护结构进行设计。

设计分前后两排桩，矩形布置形式，前排桩长13 m，后排桩长12.5 m，排桩桩心距2 m，排距为2.5 m。

2 基坑变形监测情况

为了分析双排桩的支护效果，选取一个断面的前后两根桩分别安装了桩身测斜管。随着基坑土方的开挖，持续定期监测桩身测斜管变化情况。

桩身测斜管分前排桩和后排桩，前排测斜管长12.5 m，后排测斜管场12.1 m，土方分三次开挖，根据桩身测斜管的监测结果，前排桩桩顶最大位移为17.25 mm，后排桩最大位移为15.40 mm，前后排桩通过冠梁连接成一个整体，具有很好的变形协调性。图1为桩身位移变化曲线。

基坑开挖过程中，监测断面外侧公路未出现裂隙，仅冠梁与桩后土体之间出现裂隙，裂隙宽度5 mm。根据《基坑工程手册》(第二版)中对基坑变形控制的要求，对一级安全等级基坑要求最大累计变形量报警值在0.4 %H以内，按照此标准，该基坑所监测断面侧向变形量仅达到报警控制的47.9 %。

(a)前排桩

(b)后排桩图1 现场监测桩身位移随开挖变化曲线

3 数值计算模型和土体参数

为了验证双排桩支护效果，利用三维有限元软件FLAC3D对基坑记性数值模拟分析，对计算模型进行如下假设：(1)假定每次开挖均为水平整体开挖，且待基坑达到基本稳定后，再进行下一次开挖；(2)假定土体为弹塑性均质材料、钻孔灌注桩为弹性材料；(3)基坑采取降水措施，不单独考虑降雨对地下水水位和土体强度参数的影响。

取单侧基坑建立模型，模型为30 m×30 m×30 m，共划分39 600个单元体，42 295个单元节点，根据工程实际地质情况，计算模型从上到下划分了共7层，具体模型如图2所示，计算参数见表1。

图2 双排桩支护结构模型示意

层号本构关系层厚/m重度/(kN·m-3)粘聚力/kPa内摩擦角/°①mohr3.518.71010②mohr5.219.54018③mohr119.52017④mohr4212025⑤mohr6202517⑥mohr2215030⑦mohr102325040

4 数值计算结果与现场监测对比

首先对模型施加自重荷载，生成自重应力场，模拟现场天然应力场，然后清除生成天然应力过程中产生的位移。为了模拟现场土方开挖情况，本模型分三次开挖分别计算不同开挖阶段的基坑的变形情况。

图3为分三次计算不同开挖阶段时的桩身位移曲线。计算结果显示：前排桩最大位移为12.36 mm，后排桩最大位移为10.95 mm，较实际监测情况偏小。

(a)前排桩

(b)后排桩图3 数值模拟计算桩身位移随开挖变化曲线

随开挖深度的增加，前排桩锚固深度减小，开挖至基坑设计标高，锚固深度仅有4 m，但从变形情况可以看出，其锚固效果较好，与现场实际监测结果吻合。

从桩顶位移的变化情况和悬臂桩身的锚固段情况来分析，现场监测情况与数值模拟结果吻合较好，因此可运用数值模拟的方法对双排桩的支护效果进行研究。

5 数值计算结果及分析

5.1 基坑隆起结果及分析

图4所示为开挖阶段基坑底部隆起值。综合分析：每次开挖过程都有一定的隆起值，且越靠近基坑中部，基坑隆起值越大，至基坑开挖至设计标高，最大隆起值为11.98 mm。

图4 开挖过程中基坑底部隆起值

5.2 地表沉降结果及分析

开挖至基坑底部，基坑在竖直方向上的位移云图见图5。从图5可以看出：基坑周围的地表沉降在距离基坑边处越近越大，土体的最大沉降量为20.1 mm，距离边处越远越小。距离基坑边处4 m(约1/2基坑深度)以外，基本不受基坑开挖的影响。表明本工程的支护结构是合理的。

根据基坑工程手册中根据环境保护等级对地表沉降的规定：一级环境保护等级最大地表沉降0.15%H，约为13.5 mm；二级环境保护等级最大地表沉降0.25%H，约为22.5 mm；三级环境保护等级最大地表沉降为0.55%H，约为49.5 mm。因此，该基坑地表沉降控制能够满足现场环境保护等级要求(二级)。