围护桩设计参数对明挖基坑稳定性的影响分析

张丽丽

(北京市工业职业技术学院，100042，北京∥副教授)



围护桩设计参数对明挖基坑稳定性的影响分析

张丽丽

(北京市工业职业技术学院，100042，北京∥副教授)

北京地铁8号线某区间隧道为明挖法施工,使用钻孔灌注桩和钢支撑支护。通过FLAC3D数值模拟软件对围护桩的设计参数进行模拟,得到了较可靠的模拟结果。模拟结果表明:增加桩长和桩径，在一定范围内可以有效地控制基坑变性、提高基坑稳定性；但是持续增加桩长和桩径对基坑稳定性的增加效果不大,反而会增加经济成本。通过与现场实测数据的对比,验证了模拟结果的可靠性。

地铁基坑; 稳定性; 围护桩; 桩长; 桩径

Author′s address Beijing Polytechnic College,100042,Beijing,China

1 工程概况

北京地铁8号线某标段采用明挖法施工。该区段全长568.626 m,宽11.2～21.3 m,深12.7～19.4 m。该区段沿线均为低层楼房,施工场地充足。

该明挖隧道采用机械对称挖土,钻孔灌注桩和钢支撑支护。围护桩有两种,分别为直径600 mm间距1 000 mm和直径800 mm间距1 500 mm。纵筋直径为25 mm,箍筋直径为8 mm,桩长为17.7～24.4 m,入土深度均为5 m。钢支撑长度根据基坑宽度不同,设计为11.2～21.3 m,采用φ609×12 mm钢管,顺向间距为3.0 m。基坑围护桩桩间采用挂钢丝网喷射混凝土的护壁形式,潮喷法喷射强度标号为C20的素混凝土，喷射厚度为70 mm。

根据勘察报告,区间内地层自上而下依次为:①人工填土层——粉土填土层、杂填土层,层底标高36.89～44.01 m；②第四纪全新世冲洪积层——粉土层、粉质黏土层、黏土层、粉细砂层、黏土层、层底标高26.89～32.75 m；③ 第四纪晚更新世冲洪积层——粉细砂层,粉质黏土层,黏土层、粉土层,层底标高19.55～27.45 m。土层分布及参数见表1。

表1 土层分布及参数

本区共存在4层地下水,分别为上层滞水、潜水、层间潜水、微承压水。上层滞水仅在部分地区分布且埋藏较浅,分布不均匀,水位高低变化很大；潜水总体呈现西高东低,埋深8.6～11.3 m;层间潜水埋深11.3～17.8 m;微承压水埋深17.8～23.2 m。

2 数值模拟分析

2.1 计算模型的确立

该模型侧面和底面为位移边界,侧面限制水平移动,底部限制垂直移动。模型上面为地表,取为自由边界。

钢支撑采用Beam(梁)结构单元模拟,挂网喷射混凝土采用Shell(壳体)单元模拟,在相应位置设置桩结构Pile(柱),用Null模型取代开挖。钢支撑支护模拟见图1。

图1 模拟钢支撑支护

土体假定为均匀、各向同性的弹塑性体,桩、梁和喷射混凝土假设为弹性体。强度准则采用摩尔-库仑准则[1]。由于施工过程会采取降水措施,所以不考虑地下水的影响。模型采用大应变变形模式[2]。

模型设计以基坑开挖和支护不波及模型边界为基本原则。根据以往的工程经验,基坑开挖的影响深度为开挖深度的2～4倍,影响宽度为开挖深度的3～4倍[3]。所以算例取长为45 m、宽为96 m、深为50 m、开挖深度为15 m的计算模型,生成24 719个单元,27 558个节点。

开挖、支护分4步完成:第1次开挖至-3.0 m,在-2.0 m处进行第1道钢支撑支护;第2次开挖至-8.0 m,在-7.0 m处进行第2道钢支撑支护;第3次开挖至-12.0 m,在-11.0 m处进行第3道钢支撑支护;第4次开挖至-15.0 m。

2.2 模拟结果及分析

模型开挖后的位移趋势见图2。从图中可以看出,在围护结构的中下部有向基坑侧的较大变形,围护桩旁地表有向下及向基坑内侧的移动趋势,基坑底部有回弹，并且由基坑边至基坑中部回弹逐渐增大,在基坑中部达到最大值。

3 桩径及桩长对基坑稳定性影响的模拟分析

3.1 桩径对基坑稳定性的模拟分析

本工程选用的钻孔灌注桩桩长为20.0 m,入土深度5.0 m,间距1.5 m,桩径800 mm。为比较不同桩径对基坑稳定性的影响,数值模拟中分别采用600、800和1 000 mm的桩径进行分析,其他参数及条件均不变。

图2 基坑位移矢量

图3是不同桩径引起的地表沉降曲线。由该曲线可以看出,地表沉降是先增加后减小,呈抛物线型。地表沉降在1～8 m范围内较大,4 m左右的沉降最大,随后迅速减小。随着桩径的增大,地表沉降随之减小,同时,地表沉降减小的趋势也在放缓[4]。这说明增大桩径可以有效减少地表沉降,但持续增大桩径只能在一定范围内减少地表沉降。

图3 不同桩径对地表沉降的影响

图4是不同桩径所产生的桩体水平位移曲线,呈抛物线型。桩径为1 000 mm的桩体最大水平位移是13.8 mm,桩径为600 mm的桩体最大水平位移是18.4 mm,都发生在桩下11 m左右位置,两者最大位移相差4.6 mm。随着桩径的增加,桩体水平位移逐渐减小,同时,位移减小变化率也在降低。这说明桩径增大到一定程度将不再能有效地控制桩体水平位移。

3.2 桩长对基坑稳定性的模拟分析

桩长的差别主要是入土深度的不同[5]。围护桩入土深度对基坑的变形及稳定性有着较大的影响,尤其以悬臂结构中桩身的入土深度对基坑变形影响最大[6]。本文明挖区段标准入土深度为5 m,所以模拟过程中选择的入土深度为3.0 m、4.0 m、5.0 m、6.0 m、7.0 m,对应的桩长分别为18.0 m、19.0 m、20.0 m、21.0 m、22.0 m。除桩长外,其他参数不变。模拟结果见图5。

图4 不同桩径的桩体水平位移

图5 不同桩长对地表面沉降的影响

由图5可以看出,不同桩长情况下对基坑周围地表沉降的影响曲线呈抛物线型。沉降量最大的位置并不在基坑边缘,而是在距基坑边缘2～4 m处,0～2 m的沉降值增加迅速。到12 m时,沉降值已经基本趋同。不同桩长对地表沉降的影响主要在0～10 m范围内,其中2～4 m范围内影响最大。但从各个沉降曲线间的距离可以看出,桩长从18 m增加到20 m时,沉降值显著降低；桩长从20 m增加到22 m时,仅仅减低了一点沉降值。由此可以得出结论,增加桩长可以降低地面沉降,但持续增加桩长并不能完全控制沉降量。

图6给出了不同桩长的桩体水平位移。由图可以看出,不同桩长对桩体水平位移的影响曲线呈抛物线型，且具有很强的规律性。在桩体中部达到最大水平位移,也就是最大变形量。18 m长的桩最大水平位移为19.3 mm,22 m长的桩最大水平位移是15.2 m,两者相差4.1 mm。随着桩长的增加,桩体水平位移逐渐减小,且位移减小的趋势也在放缓。这说明增加桩长可以减小桩体水平位移,但增加到一定程度将不再能有效地控制桩体水平位移。

图6 不同桩长的桩体水平位移

4 模拟结果与现场监测结果对比

数值模拟参数为第三工段13号桩附近的勘察结果。以此桩作为对比桩体,与数值模拟结果进行对比分析。

4.1 地表沉降对比

图7为实测地表沉降与数值模拟地表沉降的对比。

图7 地表沉降实测值与模拟值对比

图7中，两曲线均为抛物线型,在1～7 m范围内沉降较大,3 m处达到最大值,随后迅速减小。基坑边缘实测沉降为4.7 mm,模拟沉降为2.2 mm,相差2.5 mm;实测沉降最大值为9.3 mm,模拟沉降最大值为6.6 mm,相差2.7 mm。数值模拟结果与实测结果相差较小,可以较准确地反映基坑周边的地表沉降。

4.2 桩体水平位移对比

图8为13号桩现场实测水平位移与数值模拟水平位移的对比。由图中水平位移曲线可以看出,两曲线均为抛物线型。实测桩体的最大位移值出现在入土9 m附近,最大值为14.8 mm;模拟桩体的最大位移值出现在入土10 m附近,最大值为15.1 mm,与实测值相差0.3 mm。实测桩顶水平位移为7.2 mm,模拟桩顶水平位移4.2 mm,两者相差3 mm。实测桩底水平位移0.3 mm,模拟桩底水平位移4.3 mm,两者相差4 mm。模拟结果较好地反映了实际情况。

图8 对比13号桩水平位移实测值与模拟值

5 结论

(1) 通过数值模拟分析,增加围护桩长度,也就是增加桩体入土深度,可以有效减小围护桩的水平位移和基坑周边的地表沉降,但持续增加桩长并不能有效控制基坑变性和稳定性。

(2) 增大桩径也可以减小基坑变性、增强基坑稳定性,同增加桩长一样,只能在一定程度上控制基坑变性。如要进一步控制基坑变性,需考虑其经济和技术的可行性,否则应改变技术措施。

(3) 模拟结果较好地拟合了实测结果。在明挖施工时通过数值模拟选取最佳的围护桩设计参数,可以有效增加支护效果、降低施工成本。

[1] 房师军,付拥军,姚爱军.某地铁工程深基坑排桩围护结构变形规律分析[J].岩土工程学报,2011,33(增1):223-226.

[2] 崔溦,王宁,宋慧芳.基于修正硬化模型的软土深基坑变形数值分析[J].岩石力学与工程学报,2013(增2):4041-4047.

[3] 李辉,杨罗沙,李征,等.基于MIDAS/GTS对地铁站超深基坑空间效应的研究[J].铁道建筑,2011(4):83-85.

[4] 谭永朝,唐雅茹,彭加强,等.基于数值分析的深基坑围护结构优化设计[J].城市轨道交通研究,2009,12(8):21-24.

[5] 石钰锋,阳军生,白伟,等.紧邻铁路偏压基坑围护结构变形与内力测试分析[J].岩石力学与工程学报,2011,30(4):826-833.

[6] 王彦君.徐州某基坑SMW工法支护体系数值模拟及分析[J].能源技术与管理,2015,40(6):154-156.

Influence of Retaining Pile Design Parameters on the Stability of Open Cutting Metro Foundation Pit

ZHANG Lili

Open cutting method is used in Beijing metro Line 8 tunnel construction, with bored piles and steel support. By using FLAC3D numerical simulation software, the design parameters of the retaining piles are simulated, a reliable result is obtained. The simulation shows that, by increasing the pile length and pile diameter within a certain range, the pit degeneration can be effectively controlled, the stability of foundation pit be improved. But constant increase of the pile length and pile diameter can not improve the stability of foundation pit obviously, instead, the cost will be increased.Finally,the reliability of the simulation result is verified by comparing with the field tested data.

metro foundation pit; stability; retaining pile; pile length; pile diameter

TU 94+2

10.16037/j.1007-869x.2017.05.010

2016-08-23)