多排水泥土插芯围护墙结构变形分析及应用

付玉恩

摘要：本文针对具体的工程实例，分别采用《复合土钉墙基坑支护技术规范》算法和有限元法计算多排水泥土插芯作为围护墙结构的基坑开挖变形、周边沉降和整体稳定性分析，并与实测值进行了对比，分析产生误差的原因。研究了插芯对整体稳定性的影响，验证了在计算整体稳定性时规范中对水泥土插芯不予考虑的合理性，明确了通过水泥土中插芯来提高整体稳定性是不可行的。

Abstract： In this paper， according to specific engineering examples， the algorithm and the finite element method in "Composite Soil Nailing Foundation Pit Supporting Technical Code" are respectively used to calculate the excavation deformation， surrounding settlement and overall stability analysis of the multi-row cemented soil core as the retaining wall structure， the result was compared with the measured values and the cause of the error was analyzed. The influence of the ferrule on the overall stability was studied， and the rationality of not considering the cement soil ferrule in the specification when calculating the overall stability was verified， and it was clarified that it was not feasible to improve the overall stability by inserting the core in cement and soil.

关键词：水泥土插芯；基坑变形；整体稳定性

Key words： cement soil core；foundation pit deformation；overall stability

中图分类号：TU433 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）18-0107-03

0 引言

随着城市化进程的发展，城市建设用地越来越紧张，城市地下工程的建设难度不断增加，基坑支护难度不断加大。场地狭小，且周边存在有重要的建构筑物，不具备大型机械施工空间的基坑工程不断出现[1]。水泥土桩插芯支护结构因其所需操作空间小，穿越地下障碍能力强、经济效益好等特点[2-5]，在深基坑工程中得到广泛的应用[6-8]。

《复合土钉墙基坑支护技术规范》（GB 50739-2011）将多排水泥土插芯桩按微型桩考虑，不考虑抗弯刚度[9]。在计算水泥土插芯桩产生的抗滑力矩时进行折减，规范推荐的折减系数η为0.1～0.3，且微型桩桩体材料抗剪强度较高、截面积较大时折减系数越小，具有较大的安全储备。在施工周期短、开挖深度小的项目中，如按规范推荐的折减系数进行计算分析，则水泥土插芯围护墙支护形式的有利作用将得不到充分发挥，在一定程度上限制其在工程中的应用。

本文旨在既有完工项目基础上，采用《复合土钉墙基坑支护技术规范》中的算法进行受力分析，并与有限元分析结果及实测值进行对比分析。

1 工程概况

1.1 项目概况

昆明市某基坑工程平面现状为矩形，长26.3m，宽15.0m，整体设两层地下室，负一层地下室层高3.3m，负二层地下室层高4.8m，基坑开挖深度为8.9m。开挖周长87.4m，开挖面积445.5m2。本项目北侧及东侧为混6～混8的“L”型医技楼，医技楼距离基坑开挖线1.97～2.33m；南侧为住院楼，距离基坑边13.7m；西侧为砖2配电室，距基坑1.03～1.39m，属重点保护对象，且不可改迁。

1.2 工程地质和水文条件

本项目场地处滇池东侧，属高原河湖复合相堆积地貌；地层自上而下依次为第四第人工活动层（Q4ml）、第四系冲洪积（Qal+pl）、湖积（Q4al+l），基坑开挖范围内主要土层如下：

①杂填土及①1层素填土（老填土），结构松散，层厚不均，最大厚度达5.60m，成份不均，软硬不均，該层土结构松散，固结较差。

②粉质粘土，可塑～硬塑状态，中压缩性；物理力力学性质相对较好，地基承载力特征值为150kPa。②1粘土，软塑状态，高压缩性，物理力学性质较差，地基承载力特征值为80kPa。

③圆砾，稍密，局部地段为中密，物理力学性质好，层位稳定，承载力特征值为250kPa。③1粉土，稍密状态，③2层为稍密～中密的砾砂，物理力学性质相对较好，中压缩性，该两层以透境体存在于③层圆砾中，承载力特征值均大于140kPa。

④圆砾，中密，物理力学性质好，承载力特征值为280 kPa；强度高，厚度较大，分布稳定，埋深均在现地表12m以下，平均厚度均大于10m。④1层为稍密～中密状态的粉砂，物理力学性质较好，承载力特征值为160kPa。④2层稍密～中密状态的粉土，物理力学性质一般，承载力特征值为140kPa。

⑤粉质粘土，可塑～硬塑状态，中压缩性，物理力学性质稍好。⑤1层为中密状的粉土，中压缩性，物理力学性质较好，以透境体存在于⑤层中。该两层地基承载力特征值均大于165kPa。

场地稳定静止水位在现地表下1.20左右，地下水类型主要为孔隙潜水及上层滞水。上层滞水赋存于表层结构松散的填土层中，水量较小；孔隙型潜水的主要含水层为粉土、粉砂、砾砂及圆砾层，具承压性，补给源为大气降雨及地表泾流补给和控制，与西侧玉带河存在水力联系。

2 支护设计

根据本项目对基坑支护的安全性要求高、控制变形要求严、周边环境复杂、大型机械施工受限等特点。基坑支护结构采用高压旋喷桩内插双排Φ89×4.0钢管微型桩，外加竖向七排预应力锚杆形成“土钉墙+微型桩+预应力锚杆+截水帷幕”的复合支护形式，高压旋喷桩兼具止水功能。

高压旋喷桩直径为500mm，水平间距为300mm，平面上设置双排，排距400mm；插芯为Φ89×4.0钢管，设置双排，排距400mm；微型桩桩顶设置1000×600mm钢筋混凝土冠梁，冠梁混凝土强度等级为C30；预应力锚杆水平间距1.2m；杆体材料为Φ48×3.0钢管内插Φ22HRB500螺纹钢筋，注浆材料为水泥净浆，水灰比为0.5～0.6，采用二次高压注浆工艺。锚杆标高设置腰梁，腰梁采用两根16b槽鋼拼装而成，槽钢下设置钢筋混凝土暗梁，暗梁混凝土等级为C30。支护结构平面布置如图1所示，典型支护剖面如图2所示。

3 分析计算

3.1 计算模型简化及参数选取

选取图2所示典型设计剖面进行计算分析，规范算法简化为：①周边建筑物按15kPa/层等效为超载参与计算；②插芯的作用按等强度代换为水泥土；③采用等面积原则将单位长度水泥土桩截面积换算为水泥墙。有限元计算简化为：①水泥土采用实体单元；②插芯钢管采用梁单元；③水泥土和土体采用修正摩尔库伦模型；④周边建筑按平面问题进行简化。

为便于与规范计算值进行比较，有限元模型不考虑土层在平面上的变化，按水平分层考虑。有限元模型详见图3。

按实际施工设置分析工况，土方分层开挖，锚杆分层施工。每个土方开挖工况设置500mm超挖深度，即开挖到锚杆设计标高下500mm后施工锚杆，最后一层锚杆开挖到坑底后施工，共计定义15个工况。开挖至某一深度后的工况较该深度下锚杆施工工况更加危险，例如工况3为开挖至第二层锚索施工标高（该工况锚杆未施工），工况4为第二层锚杆施工，工况3较工况4更不利，故在后续分析中仅针对不利工况（开挖工况）进行计算分析。计算分析所采用参数如表1和表2所示。

3.2 变形结果及分析

图4为采用规范算法计算得到各不利工况下水泥土水平位移曲线，图5为采用有限元计算得到各不利工况下水泥土水平位移曲线，图6为开挖至坑底工况下的水平变形云图。根据施工过程中监测结果，基坑开挖至坑底后冠梁顶部位移为4.35mm，最大位移发生在坑底上2.31m位置，变形值为10.58mm，最大沉降6.19mm。

对比实测值和计算结果，可以看出，采用水泥土插芯做为围护结构在本项目中是可行的。规范算法计算得到最大变形值为16.12mm，最大变形值点位于坑底2.4m，坑外最大沉降为13mm；有限元计算得到最大变形值为11.81mm，最大变形值发生位置为坑底上1.4m，坑外最大沉降4.45mm。

计算值与实测值之间的误差统计详见表3。

通过对比计算值与实测值，可以发现有限元计算值与实测值比较接近，误差为11.63%；规范算法由于不考虑水泥土的有利作用，计算所得变形与实测之间的误差为52.36%，证明在一定开挖深度的情况下，水泥土插芯围护墙结构中水泥土的作用较大，但水泥土的有利作用的定量分析仍待后续进行。同时也证明了在具体项目的实例背景下采用水泥土插芯作为基坑开挖的竖向围护结构是可行的。此外，在有限元计算过程中未考虑足够的安全系数，将有限元结果运用于实际工程中需高度关注，认真分析计算结果，确保将有限元分析结果应用于实际工程时同时满足规范要求。

3.3 插芯对整体稳定性系数的影响

采用规范算法计算本项目的整体稳定性系数，在考虑Φ89×4.0钢管插芯作用下，整体稳定安全系数1.604，不考虑插芯作用下的整体稳定安全系数为1.600，两者比较接近，插芯对本项目整体稳定安全系数的提高不是特别明显，这进一步验证了《复合土钉墙基坑支护技术规范》在计算整体稳定安全系数时不考虑插芯的合理性，也说明本项目如通过增加插芯来解决整体稳定性问题是不可行的。

4 结论

通过对具体项目采用规范算法和有限元进行分析，论证了多排水泥土插芯围护墙结构在基坑开挖施工中的适用性。通过计算值与实测值的对比分析，得出以下几点结论：①证明了《复合土钉墙基坑支护技术规范》整体稳定性计算中不考虑插芯作用的合理性，同时也证明了通过增加插芯来解决整体稳定问题是不可行的。②在具有真实可靠的土工数据的基础上进行有限元模拟仿真分析其结果与实测比较接近，可做复杂项目的辅助分析，增加设计的可靠性。③多排水泥土插芯作为竖向支挡结构在本项目地质条件下支挡结构水平位移量小于有限元分析计算变形量；多排水泥土插芯作为复合支挡结构具有重要的作用，设计时应充分考虑项目特点加以选用，以充分发挥其工程经济效益。④水泥土成桩强度是多排水泥土插芯桩的抗弯刚度发挥的重要因素，在工程应用中需考虑施工工艺、不同土层中成桩强度的差异对支挡结构作用的影响；在软弱土层中采用多排水泥土插芯围护墙时需结合工程经验使用。

参考文献：

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[9]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50739-2011，复合土钉墙基坑支护技术规范[S].北京：中国计划出版社出版，2012.