软土基坑双排桩支护结构优化分析

2020-03-30易喆

水利与建筑工程学报 2020年1期

易喆

(天津市勘察院，天津 300191)

随着我国城市人口的不断增多，城市用地逐渐紧张，在软土地区新建的高层建筑基坑实例不断增多。由于软土基坑变形通常很大，为保证软土基坑的开挖安全，常常需要对基坑围护桩(墙)采用内支撑以及外拉锚的型式来保证基坑围护结构的稳定[1-3]。但当基坑开挖宽度较大且基坑周边存在地下管线以及地下建筑时，内支撑以及外拉锚施工就十分不便，基于这种情形，悬臂式双排桩支护结构开始逐渐被推广使用[4-6]。

为研究双排桩支护条件下基坑周边土体的稳定情况，许多学者开展了一系列研究工作[7-14]，如：林鹏等[8]通过对汕头软土地区基坑工程支护结构的受力和变形进行数值分析，指出双排桩结构有一定刚度，能最大程度的控制基坑工程变形；韩树山等[9]介绍了双排悬臂灌注桩支护的施工全过程，双排桩支护情况下基坑变形在整个周期内平稳，无漏水；龙丽吉等[10]通过数值模拟研究得出，双排桩在滩海软土地基上有很好的适用性，双排桩入土深度对结构的整体稳定性有很大的影响；马乾天[11]采用朗肯极限平衡理论，对双排桩支护基坑进行了安全计算，为深基坑阳角位置的支护设计提供了理论依据；李佳鑫等[12]对基坑工程的双排高低桩的桩土变形、位移、弯矩进行分析研究，分析了桩间土加固、后排桩嵌固深度等参数对双排高低桩的影响；张玲等[13]基于上述双排桩支护结构受力变形特性给出了一种考虑桩桩相互作用以及桩土相互作用的双排桩支护结构计算方法。

这些研究成果的取得为双排桩支护结构的设计与施工提供了诸多宝贵意见，为进一步深入研究双排桩支护结构的作用机理和设计影响因素，本文通过FLAC3D软件[15]对广州市某软土基坑的开挖过程进行数值模拟分析，研究了围护桩排数、排距、桩长、桩刚度等对基坑变形的影响，可为确保软土基坑安全和节约工程造价提供重要参考价值。

1 工程概况

广州市某高层建筑基坑位于广州市南沙区横沥镇，场地现状为农田种地，由上至下分为杂填土、淤泥、粉质黏土、淤泥质粉质黏土、砂质黏性土、强风化岩、中风化岩，各层土的主要力学参数如表1所示。

表1 基坑周边土体的主要力学参数

建筑基坑开挖深度为7.5 m，围护结构采用双排钻孔灌注桩+搅拌桩，其中钻孔灌注桩桩径为1.2 m，长度为32 m，间距为1.30 m，排距为3.60 m。考虑基坑表层土体为软土，对基坑外侧10 m范围内的主动区土体采用格栅式搅拌桩进行加固，加固深度为28 m。此外，为防止坑底隆起过大，还对基坑靠近钻孔灌注桩的被动区土体采用水泥土搅拌桩进行了加固，加固深度为12.5 m，加固宽度为5 m。

2 数值模拟方案设计

2.1 数值模型建立

根据所述工程情况，采用FLAC3D建立软土基坑双排桩支护数值模拟模型如图1所示。该模型宽度为50 m，高度为45 m，厚度为3 m，共包含29 568个节点和25 850个单元。模型边界条件设置为顶面自由，底部固定，左右以及前后两侧法向约束。模拟基坑开挖时，采用弹性单元模拟钻孔灌注桩、冠梁以及加固区土体，其中钻孔灌注桩弹性模量为22.5 GPa，泊松比为0.25；冠梁弹性模量为30.0 GPa，泊松比为0.25；加固区土体弹性模量为80 MPa，泊松比为0.3，黏聚力为40 kPa，内摩擦角为25°。

图1 软土基坑双排桩支护数值模拟模型

2.2 数值模拟方案设计

为优化该软土工程基坑的双排桩支护结构，本文在实际工程基础上，设计了以下几种数值模拟方案：

(1) 桩排数。在其它参数保持不变的基础上，模拟软土基坑桩排数分别为1排、2排和3排。

(2) 不同桩排距。在其它参数保持不变的基础上，模拟桩排距分别为1.2 m、2.4 m、3.6 m、4.8 m和6.0 m。

(3) 不同桩长。在其它参数保持不变的基础上，模拟桩长分别为8 m、16 m、24 m、32 m和40 m。

(4) 不同桩刚度。在其它参数保持不变的基础上，模拟桩刚度分别为0.1EI、0.2EI、0.5EI、1.0EI和2.0EI。

3 数值模拟结果分析

3.1 软土基坑开挖变形分析

当软土基坑开挖至坑底预定位置时，基坑周边土体的位移分布如图2所示。由于基坑内不设内支撑，缺少了对基坑两侧钻孔灌注桩的水平约束，导致基坑开挖后，基坑在钻孔灌注桩顶部出现最大水平位移，其值约为24.0 mm；而基坑竖向位移则在基坑中心隆起最大，达到57.8 mm，在基坑外侧约20 m位置沉降最大，约为9.8 mm。由水平位移以及竖向位移分布范围大小上看，双排桩支护下软土基坑开挖对周边土体影响范围较大，达到了将近30 m，原因在于基坑内侧5 m以及外侧10 m范围内的土体都进行了加固，导致基坑外侧加固范围以外的软土会绕过加固区向坑内方向移动，进而加大了影响范围。因此，软土基坑在采用双排桩进行支护时，一定要加大地表沉降监测范围以及重点监测桩顶位移的变化规律，从而保证基坑的开挖安全。

图2 基坑开挖完成后基坑周边土体的位移分布云图

图3给出了基坑不同开挖深度下软土基坑桩体以及地表的位移变化曲线。由图3可以看出，基坑开挖深度小于5 m时，基坑的开挖对软土基坑周边土体位移影响不大，此时，双排桩呈“弓形”变形，其位移在桩深-12 m左右的位置最大，约为5.0 mm；地表沉降影响范围则约为20 m且在距基坑边缘约10 m的位置出现最大值9.2 mm。而当基坑开挖深度由5 m增至7.5 m时，基坑围护桩位移由5.0 mm快速增长至24.0 mm，且其变形模型由“弓形”转换为“前倾形”，即桩体水平位移在桩顶位置最大，在桩底位置则最小；此外，坑外地表沉降凹槽范围明显增大，其最大值虽然变化不大，但其出现位置则向外侧移动了将近10 m。软土基坑变形之所以出现这种变化的原因在于，只有被动区土体在约束桩体向坑内发生的变形，随着基坑开挖深度的增加，基坑被动区土体约束范围逐渐减小，而基坑外侧主动土压力却在明显增大，这必然导致围护桩向坑内的位移大幅增长。因此，在缺少内支撑或外拉锚的情况下，双排桩支护的软土基坑开挖深度不能太深，否则，基坑在开挖至某一深度时，必然会发生前倾失稳。

图3 不同开挖分步条件下基坑桩体与地表沉降的变化曲线

3.2 桩排数优化分析

不同桩排数条件下，基坑围护桩体都呈前倾变形，但桩排数越少，桩体的前倾变形就越严重且地表沉降也越大。当只设一排钻孔灌注桩时，桩体最大位移为35.2 mm，地表沉降最大为11.5 mm；而设两排和三排钻孔灌注桩时，桩体最大位移分别为24.0 mm和19.5 mm，地表沉降最大为10.0 mm和9.2 mm。相比单排桩，双排桩和三排桩支护条件下，基坑地表沉降变化不大，但基坑围护桩体的最大位移分别减小了32%和44.5%，从性价比上看，单排桩虽然价格较低，但其桩体位移超过了警戒值30.0 mm，满足不了安全要求；而双排桩则价格适中，且其桩体位移能够满足安全要求，因此建议采用。

3.3 桩排距优化分析

根据不同桩排距条件下基坑桩体与地表沉降的变化分析可以看出，桩排距的变化只会对桩深-12 m以上的桩体位移以及距基坑边缘18 m范围内的地表沉降产生较大影响，桩排距越大，桩体位移和地表沉降就越小。当桩排距为1.2 m、2.4 m、3.6 m、4.8 m和6.0 m时，基坑围护桩体最大水平位移分别为27.3 mm、25.6 mm、24.0 mm、22.8 mm和21.8 mm。可见，随着桩排距的增大，桩体水平位移减小的幅度越来越小，从性价比上看，桩排距的增大会使双排桩之间的冠梁宽度逐渐增大，其工程造价会逐渐提高，而太小的桩排距，则会使双排桩之间的空间结构优势无法充分发挥，因此综合考虑，建议取双排桩排距为2d～4d(d为桩径)。

3.4 桩长优化分析

由于桩体对基坑外侧土体的位移具有明显的约束作用，因此，桩长越长，桩体抵抗外侧土体流动的能力就越强，其相应的桩体位移和地表沉降就越小。当桩长小于16 m时，基坑围护桩入土深度不足，整个围护桩体呈现“平推形”变形，不能够很好的保持自身稳定；当桩长等于24 m时，围护桩体最大位移达到29.9 mm，接近警戒状态；而当桩长大于32 m时，围护桩体最大位移和地表沉降就基本保持不变，此时，再继续增加桩长对工程安全影响不大，反而会大大增加工程的造价。故综合考虑，建议双排桩桩长在24 m～32 m之间。

3.5 桩刚度优化分析

桩径以及桩间距的改变将直接影响桩体的整体刚度，图4给出了不同桩刚度条件下基坑桩体与地表沉降的变化曲线(EI表示桩径为1.2 m、桩间距为1.3 m的桩刚度)。可以看出，桩刚度的改变对桩体位移和地表沉降影响相对较大，尤其是桩深-16 m的桩体以及距基坑边缘约20 m的地表。当桩刚度为0.1EI时，桩体最大位移为30.5 mm，地表最大沉降则为13.0 mm；随着桩刚度的增加，围护桩体以及地表沉降的变形模型基本不发生变化，但桩顶最大位移和地表沉降却逐渐减小，且减小的速率也逐渐变小；即当桩刚度达到一定程度时，再增大桩刚度也对基坑周边土体变形影响不大。从本文计算结果上，桩体刚度取0.5EI～1.0EI较为合适，因此可在实际工程设计基础上，适当增加桩距或减小桩径。