仿真单排桩支护体系安全极限挖深分析

丁克胜，董克强，易顺建

(1. 天津城建大学 土木工程学院，天津 300384；2. 机械工业第六设计研究院有限公司 第四工程院，郑州450007)

仿真单排桩支护体系安全极限挖深分析

丁克胜1，董克强1，易顺建2

(1. 天津城建大学 土木工程学院，天津 300384；2. 机械工业第六设计研究院有限公司 第四工程院，郑州450007)

以实际工程为背景，通过ABAQUS软件分别建立了悬臂式和单层支撑式单排桩支护结构的三维有限元数值模拟计算模型，对单排桩式深基坑安全开挖深度进行了数值模拟计算，并与实际工程监测数据进行了对比分析，结果表明：直径为800,mm的悬臂式桩的安全极限开挖深度为5～6,m，单层支撑式桩的安全极限开挖深度为12.0～12.5,m，充分发挥了其支护结构的空间效应，同时基底土层分布的变化对其支护能力也有一定的影响．所得结论可为单排桩支护设计和施工提供参考依据．

排桩；深基坑；ABAQUS模拟；极限开挖深度；空间效应

目前，随着城市建设的深入发展，市区土地资源更加紧缺．为了充分利用每一寸土地，节省空间，各类使用功能的建筑物在向高、深迅速发展，特别是在城区内的住宅小区和办公楼建设中，充分利用有限场地建设地下停车场、商场和人防工程；而这类工程基坑开挖面积大，深度在10～14,m之间．按我国住建部有关规定：该类基坑属于一级基坑，在软土地区可供选择的支护结构体系的挡土结构为排桩和地下连续墙两种，但为了节约支护结构费用，多数选择排桩支护形式[1-2]．

排桩式支护结构支撑刚度大、变形小，施工难度不高，总体施工费用较低．根据我国深基坑平面设计理念和现状，单排桩单层支护结构多数用于9.0,m以内基坑，但由大量实测资料表明，该情况远没有发挥出排桩的支护能力．为此有必要探寻“既安全可靠，又能发挥最大支护能力，节约支护费用”的最佳方案[3-4]．

以天津某工程采用的排桩支护结构为工程背景，以实测数据为依托，利用ABAQUS有限元程序[5]分别建立了悬臂开挖和单层支撑开挖方式的模型，对800,mm桩径支护桩样在不同的开挖方式下的极限开挖深度进行数值模拟计算，并将计算结果与实测数据对比分析，找出能充分发挥其支护能力的最佳方案，为今后排桩支护结构设计、方案审核提供更可靠、方便、快捷的理论保障．

1 工程概况

本文依托的工程位于天津市中心城区，该工程基坑形状类似一个长方形，尺寸为120,m×60,m，地下两层开挖深度为11.4,m，局部为14.05,m(在坑中间部位)．基坑支护方案为单排桩单层混凝土支撑，排桩桩径大部分为800,mm，桩中心距为950,mm，部分桩径为1,000,mm，桩中心距为1,150,mm，支撑形式为钢筋混凝土环梁加对撑，支撑位置设置在冠梁以下2.8,m处，冠梁顶面在自然地面以下1.5,m．

该基坑场地西侧大约39,m处是繁忙的市内主干道，北侧是紧邻基坑外延的一条马路，东侧不远处是原有办公大楼，南侧约30,m处为某建筑群，周边的环境复杂．此基坑为一级基坑．各土层的物理力学指标如表1所示．

表1 地基土物理力学指标

2 模型建立

所建基坑模型与实际工程一致，排桩的长度为21.9,m，桩顶冠梁宽1,000,mm，高为700,mm．考虑到基坑开挖对周边建(构)筑物的影响，排桩的四周各取60,m(相当于开挖深度的5.26倍)宽、30,m深的土体．

对本工程来说，基坑开挖分为三个工况：工况一，开挖至支撑位置；工况二，支撑的浇筑与养护；工况三，开挖至基坑底部．

模拟基坑的土体、排桩均采用8节点缩减积分实体单元(C38,DR)；支撑环梁采用梁单元(B31)．模型的底部约束三个方向的位移，各个侧面分别约束其单方向的位移．模型土体采用D-P模型，根据所提供的地质勘察报告，土体采用加权平均值进行合并．模型如图1所示．

图1 基坑计算模型

3 数值模拟计算结果分析

在基坑开挖过程中，排桩的位移是要控制的一个重要指标，其内力及变形与嵌固深度、土层分布、排桩直径、基坑的降水方式以及承压水作用有直接的关系．对于单层支撑单排桩来说，在基坑开挖过程中，桩身直径、支撑位置不同，围护结构的变形也会不同．

以满足抗倾覆要求下的嵌固深度为定值，建立800,mm直径桩，分别采用悬臂开挖和单层环梁支撑开挖，分析桩在同一种开挖方式以及天津地区一定土质分布条件下，对其相应的安全极限开挖深度进行研究．

为了更加准确地研究变形情况，选取了3条路径：路径1，基坑长边方向二分之一处；路径2，基坑长边方向四分之一处；路径3，基坑短边方向二分之一处．

3.1 悬臂开挖时围护结构的变形

在挡土结构悬臂阶段的数值模拟计算，其侧向位移结果如图2所示，基坑外侧地表沉降如图3所示(其中深度方向0代表的是排桩桩顶)．

图2 悬臂阶段挡土结构侧向位移

图3 悬臂阶段基坑外侧地表沉降

由图2-3分析可以得出：

(1)排桩沿竖向的水平变形呈抛物线状，且围护结构顶部水平位移值最大；沿竖向的水平位移随排桩深度的增加而迅速减小．

(2)在满足一级基坑变形控制值为3,cm的条件下，800,mm桩径在悬臂开挖时的安全极限开挖深度为5.5,m，考虑桩下送1.5,m，所以实际悬臂高度为4.0,m(即当悬臂高度为2.8,m时，最大位移为28.3,mm)．

(3)外侧土体沉降达到最大位移之后，地面的沉降逐渐减小；从最大值处开始到离基坑边较近的区域内，土体的沉降值呈迅速变小的趋势．

(4)当底层土土质改变时，其相应的极限开挖深度也会改变；极限开挖深度随土质的不同相应地发生改变，但变化范围较小．

(5)基坑的边长越大，其挡土结构的变形也越大，基坑开挖的极限深度越小，但变形趋势相同，即基坑的边长控制极限开挖深度．

3.2 单层环梁支撑时围护结构的变形

通过悬臂阶段数值模拟计算结果，结合工程实际情况，在开挖深度4.3,m处设置一道水平支撑体系，形成单支撑，其数值模拟计算的侧向位移结果如图4所示，基坑外侧地表沉降如图5所示(其中深度方向0代表的是排桩桩顶)．

图4 单层支撑阶段挡土结构侧向位移

图5 单层支撑阶段基坑外侧地表沉降

由图4-5分析可以得出：

(1)排桩沿竖向的水平变形呈双曲弓形，且靠近上端的水平位移比较大；由于环梁支撑的作用，排桩的位移递增速度变缓，但是并没有改变其变形的发展趋势．

(2)800,mm桩径采用单层支撑的开挖方式时，支撑位置为冠梁以下2.8,m，水平位移最大值位于开挖深度8,m左右，最大位移为27.2,mm；当达到一级基坑变形控制值30,mm要求时，其极限开挖深度为12.5,m．

(3)地表沉降的最大值为9.10,mm，在距离基坑边缘约7.0,m的位置；沉降值的整体趋势表现为随距基坑边距离的增大而减小．

(4)当底层土土质改变时，其相应的极限开挖深度也会改变，极限开挖深度随土质的不同相应地发生改变，但变化范围较小．

(5)离支顶位置越近，变形越小，在跨中处变形最大，但变形趋势相同．

4 模拟计算与实测数据对比分析

由于土体的个体性很强，且各种计算模型均有局限性，大量的基坑工程的理论计算结果与实测数据对比都相差较大．本基坑工程主要进行基坑围护墙和周边建筑物的水平位移、沉降等项目的实时监测，对监测数据进行分析对比．

为保证基坑开挖的顺利进行，在基坑开挖期间进行严密的监测是十分必要的[6]．将围护墙顶部的水平位移作为基坑监测的重要组成部分，对于一级基坑来说，应予以测量[7]．

4.1 排桩侧移的对比

在挡土结构悬臂阶段和单层支撑阶段，其模拟计算与实测数据水平位移对比结果如图6所示(其中深度方向0代表的是排桩桩顶)．

图6 模拟计算与实测数据水平位移对比结果

由图6可知：两个阶段各自的水平位移变形趋势大致相同，但数值不同；悬臂阶段模拟最大位移值为26.61,mm，监测最大位移值为16.61,mm，模拟值大于监测值，说明土方对称开挖，卸荷缓慢，时效明显，而模拟计算没有考虑开挖进展时效；单层支撑阶段模拟最大位移值为27.2,mm，监测最大位移值为29.52,mm，模拟值小于监测值，说明模拟计算的支护结构空间作用效果明显．

4.2 周边地面沉降的对比

在挡土结构悬臂阶段和单层支撑阶段，其模拟计算与实测数据周边土体地表沉降对比结果如图7所示．

由图7可知：两个阶段各自基坑周边地表沉降值的变化趋势基本一致，但沉降值不同；对于悬臂阶段，模拟值大于监测值，但沉降值都不是很大；对于单层支撑阶段，模拟值与监测值的最大沉降值很接近，整体上模拟值大于监测值；周边地表的最大沉降发生在距基坑大约5.0,m处；随着基坑的开挖，沉降值也越来越大．

图7 模拟计算与实测数据周边土体地表沉降对比结果

综上所述，对于同一阶段，支护结构位移越大，其地表沉降量也越大，基坑开挖过程是土体卸荷的过程；对于不同阶段，地表的沉降值与土质有关．在基坑开挖的过程中，土体变形遵循“时空效应”这一规律[8]，基坑开挖则遵循“先变形、后支撑”的原则．

5 结论与建议

5.1 结论

(1)在满足支护结构抗倾覆和一级基坑变形控制要求的情况下，悬臂式直径为800,mm桩的极限开挖深度达5～6,m；设置单层支撑时其极限开挖深度可达12.0～12.5,m．

(2)基坑长度越长，其变形越大；支顶层为水平线约束，并不能形成竖向线约束；支顶层下部变形仍符合挡土结构无约束的双曲变形特点．

(3)在支顶位置，挡土结构的变形增长幅度减小，但向基坑内的变形方向不改变．

(4)土的疏密程度对支护结构有一定的影响，支护能力与土质有关．

(5)数值模拟分析弥补了现有平面设计计算的不足，该方法为今后设计提供了新的设计理念．

5.2 建议

(1)在建模时按照一定的土层进行模拟分析，没有反映出不同土层分布对支护结构的影响，而改变不同土层分布对支护结构会产生一定的影响．建议应通过改变不同土层分布来具体分析．

(2)基坑的设计理念是以控制变形为主，而本文主要研究排桩支护体系竖向变形等方面的因素，并没有考虑影响基坑安全稳定的经济性等综合指标．

(3)在建模时只考虑了一种桩径的情况，不同桩径的桩样其极限开挖深度也会有所不同，围护结构的变形也不尽相同．今后应对多个桩径进行分析．

［1］ 中华人民共和国住房和城乡建设部．建筑基坑支护技术规程：JGJ120—2012[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2012：9-10.

［2］ 中华人民共和国住房和城乡建设部．建筑深基坑工程施工安全技术规范：JGJ311—2013[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2013：14-15.

［3］ 天津市城乡建设和交通委员会．建筑基坑工程技术规程：DB29-202—2010[S]. 天津：天津市建设科技信息中心，2010：37-38.

［4］ 杨晓强. 某基坑支护方案的设计优化[J]. 山西建筑，2012，38(3)：71-72.

［5］ 秦会来，张甲峰，郭院成，等. ABAQUS在计算基坑开挖变形中的应用研究[J]. 岩土工程学报，2012(增刊1)：82-86.

［6］ 姚世宏. 排桩及拱圈支护体系在软土深基坑中的应用研究[D]. 天津：天津大学，2012：38-39.

［7］ 中华人民共和国住房和城乡建设部．建筑基坑工程监测技术规范：GB50497—2009[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2009：7-8.

［8］ 张 磊. 基于FLAC3D对深基坑空间效应的分析[D].太原：太原理工大学，2011：1-2.

Analysis on the Safety Limit of Simulation Single Row Piles Supporting System

DING Kesheng1，DONG Keqiang1，Yi Shunjian2
(1. School of Civil Engineering，TCU，Tianjin 300384，China；2. Fourth Academy of Engineering，Sixth Design and Research Institute Co.，Ltd，Zhengzhou 450007，China)

Based on the actual engineering situation，the three-dimensional finite element numerical simulation calculation model of the cantilever and single support type single row pile retaining structure are established with the ABAQUS software,meanwhile，the safety excavation depth of single row piles is simulated，and the results are compared with the actual monitoring data. The result shows that the safety limit diameter of cantilever pile 800 mm excavation depth is 5～6 m，and the excavation depth of the safety limit of single pile supported piles is 12.0～12.5 m，the space effect of the supporting structure is fully played，besides,the change of the distribution of basal soil layer has a certain influence on the supporting capacity. The conclusions provide a reference for design and construction of single row piles.

piles；deep excavation；ABAQUS simulation；limit excavation depth；space effect

TU473

A

2095-719X(2016)06-0423-04

2015-11-06；

2016-03-11

丁克胜（1961—），男，天津人，天津城建大学教授．