加劲桩配合工法桩在软土基坑中的支护效果评价

李焕焕，倪万魁，刘 璐

(长安大学 地质工程与测绘学院， 陕西西安 710054)



加劲桩配合工法桩在软土基坑中的支护效果评价

李焕焕，倪万魁，刘 璐

(长安大学 地质工程与测绘学院， 陕西西安 710054)

以嘉兴晶辉广场深基坑工程为背景，研究了旋喷加劲桩在软土深基坑中的支护效果。结合监测数据，利用FLAC 3D有限差分软件，对旋喷加劲桩配合SMW工法桩(劲性水泥土搅拌桩)这种组合结构在基坑各个开挖工况下的受力情况以及深层土体水平位移变化情况进行模拟计算。结果表明:深层土体水平位移曲线呈“鼓肚状”，最大水平位移安全合理,位于基坑开挖底面以上1m～2m处;SMW工法桩所受剪力随开挖深度的加深而增大;三排加劲桩所受拉力呈现为越接近基坑开挖底面越大的规律。模拟结果与实际监测结果基本一致，且均在安全范围内。说明旋喷加劲桩在软土基坑中的支护效果较好，此次模型的建立较合理，为今后类似基坑工程的设计计算提供了参考。

软土 深基坑 加劲桩 SMW工法桩 位移 应力 数值模拟 效果评价

0 引言

我国常用的基坑支护方式包括深层搅拌水泥土墙、钢板桩挡墙、钻孔灌注桩挡墙、地下连续墙、逆作拱墙、土钉墙(郭树清，2004)等。随着我国经济的快速发展，基坑工程也进入了一个崭新的阶段，新型支护结构在不断涌现，而对于这些新型的支护结构，设计计算结果往往受经验影响较大，尤其在特殊土地区。此时数值模拟方法的运用就显得尤为重要。张功实等基于FLAC 3D建立了某深基坑复合土钉墙支护形式的数值模型(张功实等，2012)，模拟基坑分步开挖全过程，并与实际监测资料进行对比分析；刘日成等(2012)进行深基坑双排桩支护效果的数值模拟研究；李明瑛等(2012)基于MIDAS建立深基坑桩锚支护形式的数值模型，将模拟结果与实际监测结果对比分析，证明模型的可行性；王全凤等(2011)运用自行编写的四点等参单元平面有限元程序进行分析基坑开挖全过程，揭示了基坑在附加荷载作用下开挖全过程产生各种变化的原因和机理；孔德森等(2012)基于FLAC 3D对悬臂式倾斜支护桩进行受力分析；黄明等(2012)对SMW功法桩在软土地区的应用效果进行模拟分析；刘全林(2011，2013，2015)基于静载试验和工程经验，确定了可回收旋喷加劲桩锚固件的设计方法，以及支护刚度计算方法，并分析了锚定板对加劲桩支护刚度的影响；陈先军等(2011)通过旋喷加劲桩桩体与土体之间的摩阻力试验，给出了加劲桩摩阻力计算分析方法，优化了加劲桩桩土摩阻力强度计算公式；赵占广等(2004)、周健等(2011)、刘日成等(2012)、马宏等(2013)、武尚等(2013)、胡斌等(2014)、朱彦鹏等(2014)、周勇等(2014)等众多研究人员基于数值模拟技术对地铁、火车枢纽站以及高层建筑基坑工程的常用支护方案进行数值模拟研究，取得了对实际工程具有指导意义的研究成果；尹剑辉等(2015)基于FLAC 3D软件采用强度折减法分析高速公路边坡稳定性；谢云跃等(2015)运用数值模拟方法，进行裂隙岩体宏观力学参数研究；可见数值模拟方法应用的广泛性。旋喷加劲桩在软土基坑中的应用是近几年发展起来的，对其在不同土层中的适用性及支护效果评价研究还比较少。本文基于浙江嘉兴晶辉广场深基坑工程，对旋喷加劲锚桩在厚软土地区的应用效果进行建模分析，并与实际监测资料进行对比，分析基坑开挖支护过程中土体的变形与结构的受力情况。

1 工程概况

晶晖广场位于嘉兴市南湖区，建筑总用地面积20 747.8 m2，总建筑面积116 580 m2，地上拟建1幢25层商办综合楼，1幢29层商办综合楼以及2～4层商铺，地下室共两层，基础形式采用桩基础，基坑呈不规则的多边形，基坑周长约585 m，开挖面积约为17 031 m2；场地为空地，较平坦，基坑开挖深度为8.9 m。基坑东侧地下室外墙距南湖大道绿化带约45 m，基坑南侧地下室外墙距马塘路约8.8 m，基坑西侧地下室外墙距秦逸路约10.15 m，基坑北侧地下室外墙距曲善泾绿化带约15 m①。

2 工程地质条件

场地勘探深度范围内分布的地层，除表层填土外，主要为全新世中期Q42的褐黄色、灰黄色粘性土层、灰色淤泥质粉质粘土、砂质粉土层；全新世早期Q41的灰色粉土、粉土夹粘性土层；晚更新世晚期Q32灰色砂质粉土、褐～黄褐色粘性土层。其沉积环境为人工堆积、海相沉积、河湖相沉积及冲海相沉积①，主要土层参数表见表1。

表1 土层参数Table 1 Soil parameters

3 水文地质条件

场区勘探深度内主要为浅部孔隙潜水以及承压水，最大水位埋深在1.50m左右。施工过程中采用管井降水，降水效果较好，因此不考虑地下水的影响。

4 基坑支护设计方案

根据基坑平面形状、面积、开挖深度、地质条件及周围环境的不同，本工程分三个剖面进行设计。基坑支护结构平面布置图如图1所示，剖面图如图2所示②。

图1 基坑支护结构平面布置图

本基坑开挖深度为8.9 m，竖向围护结构采用SMW功法桩，SMW工法桩采用Φ850@600三轴搅拌桩内插H700×300×13×24型钢，水平支护结构采用预应力鱼腹梁工具式钢支撑和旋喷加劲桩组合的形式，对于第一道水平向支撑，1-1剖面、2-2剖面均采用预应力鱼腹梁工具式钢支撑支护，3-3剖面采用旋喷加劲桩进行支护；对于第二、三道水平向支撑，三个剖面均采用旋喷加劲桩的支护形式。

旋喷加劲桩是利用旋喷钻机按一定的角度切削成孔，同时通过旋喷机向土体喷射高压水泥浆，水泥浆与土体充分搅拌混合，形成水泥土锚固体，在成孔搅拌的同时，将加筋体(一般为φ15.2钢绞线束)带入桩体中。当成桩桩体达到设计长度时，将螺旋钻杆退出，从而形成加锚筋水泥土凝固体。它的优点②主要有：1)与排桩形成共同空间受力体系，无需内支撑；2)施工操作面大，便于土方开挖；3)可施加预应力，有利于控制变形；4)成孔时采用高压旋喷桩对孔周围土体加固，成孔直径可达500mm以上，可提高较高的锚固力，且不易产生漏水和流砂等现象；5)采用特殊的掩护式施工工艺，能将止水帷幕后的土、砂和水封堵在孔内，不会引起上覆地层的沉陷。

图2 旋喷加劲桩支护结构剖面图

5 支护效果分析

由于钢支撑在基坑工程应用的广泛性，其支护效果已经得到行业的认可，本文主要研究旋喷加劲桩的支护效果。通过分析数值模拟与实际监测结果，评价旋喷加劲桩的支护效果。

选取3-3剖面的一段进行模拟分析，建立相对简化的模型。考虑基坑开挖的影响范围，最终模型尺寸(李焕焕，2014)为：X方向取(纵向长)150 m，Y方向取(横向宽)4 m，Z方向取(深度方向)36 m，在模型以外的道路和建筑物受基坑开挖的影响很小。模型的边界条件为：1)上部边界(Z=36)取自由边界；2)底部(Z=0)为三向固定约束；3)横向X=0边界为X方向约束，X=150边界三向固定约束；4)纵向(Y=0，Y=4)两侧为Y方向约束。采用brick单元建立多组矩形网格单元，根据土层情况用Group来分组赋值，网格情况见图3，模型共划分13104个单元，产生17020个节点。

图3 整体网格划分

选取Mohr—Coulomb模型来模拟土体、空模型模拟土体的开挖；放坡开挖并喷射混凝土部分采用衬砌单元(liner)模拟；SMW功法桩内插型钢用桩单元(pile)进行模拟，水泥土桩等效为连续墙，采用实体单元(线弹性模型)进行模拟；冠梁和腰梁用梁单元(beam)来模拟；加劲桩采用锚索单元(cable)进行模拟。采用“更改强度参数的弹塑性求解法”(陈玉民等，2013)生成初始应力场。最大不平衡力趋近于零时，认为模型在重力场的作用下趋于稳定。表2为数值模拟土层参数表。

根据基坑的实际情况进行模拟，用null模型单元来模拟土体开挖部分。模拟时将基坑开挖步骤(李焕焕，2014)分为以下几步：

初始应力计算平衡后，使用initial命令将速度和位移清零，然后进行开挖。

(1)模拟基坑土体第一步开挖，使用null模型赋值将基坑放坡开挖2 m，使用liner结构单元对坡面喷射混凝土支护，然后使用实体单元与桩单元组合生成SMW工法桩围护结构；

表2 数值模拟土层参数表Table 2 Soil parameters for numerical simulation

(2)模拟基坑土体开挖第二步，使用null模型赋值垂直开挖基坑至距坡顶2.5 m处，待模型达到平衡后，使用cable结构单元在2.2 m处打入第一根加劲桩，计算达到平衡；

(3)模拟基坑土体开挖第三步，使用null模型赋值垂直开挖基坑至距坡顶4.8 m处，待模型达到平衡后，使用cable结构单元在4.5 m处打入第二根加劲桩，计算达到平衡；

(4)模拟基坑土体开挖第四步，使用null模型赋值垂直开挖基坑至距坡顶7.1 m处，待模型达到平衡后，使用cable结构单元在6.8 m处打入第三根加劲桩计算达到平衡；

(5)模拟基坑土体开挖第五步，使用null模型赋值垂直开挖基坑至坑底，即距坡顶8.9 m处，计算达到平衡。

5.1 土体水平位移指标评价

图4为五种开挖工况下土体水平位移变化云图。可以看出，第一步(a)经过放坡开挖、喷射混凝土护坡并打入SMW工法桩后土体位移量最大位置出现在支护桩中下部，最大位移为8.5 mm；随着第二步(b)开挖的进行，基坑土体最大水平位移量增大，最大位移量为15.7 mm ，位置依然在工法桩的中下部；第三步(c)开挖以后，基坑土体最大水平位移增大到25.5 mm，最大位移位置向上移动；第四步(d)开挖后，基坑土体最大水平位移为41 mm，基本位于基坑开挖面附近；第五步(e)开挖后最大位移量为60 mm，位于基坑开挖面以上，距基坑顶部8 m左右。

图5为3-3剖面测斜孔监测得到的时间—变形曲线，由图可知，变形曲线整体呈“鼓肚状”，基坑

开挖到设计深度后，土体水平位移达到最大值。最大值为51.77mm，位置出现在距坑顶7m处。

对比可知，数值模拟结果与监测结果基本一致，进而可以分析基坑变形受力过程。

整体分析：基坑开挖是打破土体原始应力状态的卸荷过程，基坑坑外一定范围内土体应力重分布，使坑外土体产生水平位移，土体达到新的平衡状态后，变形趋于稳定。而此时作用在支护结构上的力由静止土压力转变成主动土压力。随着基坑土体分步开挖卸荷的继续进行，基坑坑外土体水平位移继续增加，应力重分布后土体受力再次达到平衡状态，位移趋于稳定。由数值模拟结果可以清晰看到最大水平位移的位置随开挖与支护的进行由支护桩的中下部向中上部移动，支护桩两侧土体的水平位移一直呈现沿着远离坑壁方向而逐渐减小的规律，这是因为基坑开挖只是影响坑外一定范围内土体的应力状态，即类似于岩体卸荷圈的形成。基坑开挖完成后，位移趋于稳定，数值模拟得到的土体最大水平位移为60mm，测斜孔监测得到的最大位移值为51.77mm，均满足规范要求，认为变形是安全的。其位置位于基坑开挖底面以上1～2 m处，而不是像悬臂结构一样最大位移出现在坡顶，这也体现了加劲桩的加固作用。

图5 深层土体位移随时间变化曲线(CX14)

5.2 加劲桩受力分析评价

图6为土体分步开挖后SMW工法桩和旋喷加劲桩的受力图。可以看出，预应力加劲桩在整个施工过程中主要承受拉力，SMW工法桩所受到的剪力是随时间的变化而变化的。第三步开挖稳定后第一道加劲桩受拉力164.8kN，由自由段向锚固段方向逐渐减小，SMW工法桩受到的最大剪力为43.4kN；第四步开挖稳定后第二道加劲桩受拉力227.7kN，由自由段向锚固段方向逐渐减小，SMW工法桩受到的最大剪力为85.45kN；第五步开挖稳定后第三道加劲桩受拉力322.6kN，由自由段向锚固段方向逐渐减小，SMW工法桩受到的最大剪力为121.9kN。

图7为3-3剖面第一道加劲桩与第三道加劲桩受力图，可见，锚索张拉预应力后受力迅速衰减，之后又逐渐增加，基坑土体开挖完成后受力趋于平稳，第一道锚索受力趋稳定在174.5kN，第三道锚索趋稳定在346kN。

对比分析，认为数值模拟中加劲桩受力情况与实际监测结果基本一致。

图6 SMW工法桩和加劲桩受力图

整体分析：随着开挖深度的加大预应力加劲桩所受到的拉力增大，SMW工法桩所受到的剪力也在不断增大，这主要因为随着基坑的开挖坑内土体不断的卸荷，使土体不断产生位移，将摩阻力传递给加劲桩，加劲桩和SMW工法桩通过梁刚性连接，这样两种支护结构就共同起到了支撑的作用。两种支护结构受力增大的过程也就是约束土体变形的过程。加劲桩的设置既避免了工法桩桩体因局部所受弯矩过大而失效的现象，又避免了锚杆、锚索在软土地区因受力过大而拔出的现象，体现了其加固优势。数值模拟与实际监测结果值均在设计安全范围内，说明旋喷加劲桩受力正常。

图7 锚索拉力随时间变化曲线

6 结论

(1)随着基坑土体分步开挖卸荷的进行，坑外土体应力重分布，土体产生水平位移，且在一定范围内产生卸荷圈，土体应力达到新的平衡状态后，变形稳定。开挖完成后实际监测得到的最大水平位移为51.77mm，数值模拟得到的最大水平位移为60mm，均在合理范围内，且均位于基坑开挖底面以上1m～2m处，而不是像悬臂结构一样最大位移出现在桩顶，体现了加劲桩在支护中的作用。

(2)随着开挖深度的加大预应力旋喷加劲桩所受到的拉力增大，SMW工法桩所受到的剪力也在不断增大。实际监测数据表明加劲桩锚索拉力张拉后衰减又增加的过程。加劲桩的设置既避免了工法桩桩体因局部所受弯矩过大而失效的现象，又避免了锚杆、锚索在软土地区因受力过大而拔出的现象，体现了其加固优势。

(3)通过对比分析深层土体位移、加劲桩锚索拉力实测值与模拟值的共同点和差异，认为模拟结果与监测结果基本一致，说明本次模拟的模型网格划分、结构单元的选型以及材料参数的取值均比较合理，可以用来分析基坑开挖过程中坡体的变形与结构受力特点。结果说明旋喷加劲桩在软土基坑中的支护效果较好，数值模拟手段的应用可以为今后类似基坑工程设计计算提供参考。

[注释]

① 浙江省工程勘察院.2012.晶晖广场岩土工程勘察报告[R].

② 信息产业部电子综合勘察研究院.2013.嘉兴晶辉广场项目基坑围护设计方案[R].

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Supporting Effect Evaluation of Stiffening Piles Combined with SMW Process Piles in Soft Soil Foundation Pits

LI Huan-huan，NI Wan-kui，LIU Lu

(CollegeofGeologicalEngineeringandSurveyingInstitute,Chang’anUniversity,Xi’an,Shaanxi710054)

Based on the deep foundation pit engineering at the Jinghui square,this work studied the effect of circumflex spray stiffening piles applied in deep foundation pits of soft soil.In combination with monitoring data,the finite difference software FLAC 3D was used to do numerical simulation of circumflex spray stiffening piles combined with SMW process piles in the thick soft soil area,and to analyze the variation of the horizontal displacement of the deep soil during excavation as well as the forces of supporting structure.The results indicate that the horizontal displacement curve of the deep soil presents a shape of “bulging”,and the maximum horizontal displacement is safe and reasonable,which occurs at 1m～2m above the bottom surface of the excavation.The shear force of the SMW process pile increases with the depth of excavation.The tensile forces of three row of stiffening piles grow with closer proximity to the bottom surface of the excavation.The simulation results are basically consistent with the actual monitoring results,and are all in the safe range.The results prove that the effect of circumflex spray stiffening piles in soft foundation pits is preferable and the establishment of the model is reasonable,which can provide a reference for the design and calculation of similar foundation pit construction in the future.

soft soil,deep foundation pit,stiffening pile,SMW process pile,displacement,stress,numerical simulation,effect evaluation

2016-03-13；

2016-06-24；[责任编辑]陈伟军。

陕西省交通运输厅2013年度科研项目(13-28K)，省级国有资本经营预算科技创新专项资金项目(2013gykc-018)联合资助。

李焕焕(1990年-)，女，在读博士研究生，主要从事结构支护效果评价研究。E-mail:1020232013@qq.com。

TU447

A

0495-5331(2016)04-0725-09

Li Huan-huan,Ni Wan-kui,Liu Lu.Supporting effect evaluation of stiffening piles combined with SMW process piles in soft-soil foundation pits[J].Geology and Exploration,2016,52(4):0725-0733.