抛填石层超深基坑钻孔咬合桩受力机理分析

李 丹 王宇声

（中电建铁路建设投资集团有限公司，黑龙江 哈尔滨 150076）

钻孔咬合桩作为一种基坑围护结构形式，在我国的应用时间较晚，目前国内关于钻孔咬合桩的研究注重集中于工艺技术、设计验算、数值模拟以及超缓凝混凝土的研发，但由于我国应用的施工机械先进程度落后于发达国家，咬合桩的施工存在成孔精度不高，桩身垂直度偏差过大，末端咬合量偏少等问题，进而威胁基坑施工的安全。

廖少明等[1]采用模型试验的方法，研究了素混凝土桩与有钢筋混凝土桩在共同抵抗侧向土压力过程中，围护结构整体弯矩等力学性能的变化情况，他认为在钻孔咬合桩的设计与施工中，要充分考虑素混凝土桩对围护结构整体的作用。李文林[2]利用模型试验方法研究了钻孔咬合桩作为永久结构时的抗拉、抗剪和抗弯性能，认为钻孔咬合桩能够作为永久结构来使用。陈斌[3]在南京轨道交通车站施工中，监测了钻孔咬合桩在不同开挖状况下所表现的桩体位移，得出了钻孔咬合桩能够在土体侧向压力条件下控制水平位移的结论。姚燕明等[4]通过迭代计算的手段，得出了钻孔咬合桩素桩与有钢筋混凝土桩承担弯矩与桩身刚度成正比的结论。赵超等[5]提出了两种计算方法来指导设计，第一种将咬合桩等效为排桩，第二种是将咬合桩视为地下连续墙，计算其剪力和弯矩并换算为钻孔咬合桩围护结构计算单位，进而指导设计。

在理论研究方面，对于沿海复杂地质条件下（深厚填块石层+中风化硬岩地层）高水压工况咬合桩结构受力机理、计算模型，优化咬合桩桩体特性指标的研究，目前还需进一步完善和总结。

1 依托工程概况

太子湾站位于规划汇海路，沿汇海路东西方向布置，全长240m。车站三面环海，小里程端距离海域最小距离为140m，大里程端距离海域最小为113m。原始地貌为填海空地，地势总体平缓，地面高程为2.90～5.0m，地面下存在填碎石和填块石层，平均层厚分别为3.88m 和13.77m，勘察期间测得水位高程-0.82～2.07m，平均0.88m，主体围护结构采用咬合桩。在咬合桩穿越地层位置，采用冲击钻引孔破碎填块石层及中风化硬岩层并原位回填粗砂，使后续咬合桩机可顺利施工。

2 抛填石层超深基坑钻孔咬合桩受力模型的建立

2.1 计算假定及模型参数

建立的有限元计算模型为二维构造，边界范围根据严格的基坑分析要求确定。模型中，X 向为基坑的水平方向，Y 向，即基坑及围护结构的竖直方向，由于选取A-A 截面建模分析，计算时可假定在荷载作用下只有X 向（横向）及Y 向（竖向）位移。模型计算中的相关假定如下：

2.1.1 根据地质剖面图资料所示，研究区间内的基坑开挖断面所处地层变化较为平缓，模型中假设各地层呈现匀质水平层状分布，且同一土层性质为各向同性；

2.1.2 小变形假设：围护结构以及基坑开挖施工引起地层变形属于小变形问题；

2.1.3 岩土体材料性质为非线性，在围护结构以及基坑开挖施工模拟中，周边的岩土体稳定性受到扰动比较小，周围岩土体通常不会出现极限破坏的大变形，由于弹塑性连续变形的控制，其应力、应变水平也较低。在有限元数值模拟计算中，岩土体采用理想弹塑性模型模拟，单元类型为实体单元，并采用修正摩尔- 库仑屈服准则及相关关联流动法则，岩土体与结构之间的变形由位移来协调控制，即认为岩土体和围护结构之间不出现相互滑动；

2.1.4 基坑开挖过程中基坑内土体逐层开挖，内支撑逐层施做，为了保证基坑施工的安全稳定性，采取“先撑后挖”的模拟原则，模型中内支撑材料采用线弹性模型模拟，单元类型为1D梁单元；

2.1.5 模拟计算中，可将利用地下连续墙模型来代替钻孔咬合桩，地连墙材料采用线弹性模型模拟，根据有效厚度相对关系采用梁单元进行模拟；

2.1.6 设置边界条件时，模型的四个侧面只设置了法向约束，底面的各个方向均受约束，而顶面无约束。

模型的参数来源于地质勘察报告和其他设计文件，地层特性及结构材料参数见表1。

表1 模型地层参数表

2.2 施工步骤及模型设计

2.2.1 初始地应力平衡：将模型内初始状态参与计算的各土层、及边界条件激活，同时施加模型整体水位线，使后续计算考虑渗流，在重力作用下达到平衡状态，并将其位移清零；

2.2.2 围护结构施做模拟：激活该位置处的等效地下连续墙、施工荷载；

2.2.3 基坑内土体开挖：进行该处的内支撑施做与土体开挖过程的模拟，激活该处内支撑，并钝化该处的开挖土体；

2.2.4 待分层开挖的第一层土开挖过程计算平衡后，重复上述步骤2.2.3 ，直开挖至预定的基坑底部，完成整个模型的计算。

计算应用了Midas/GTS NX 作为二维有限元模型的分析软件。模型以深圳市城市轨道交通12 号线工程太子湾站主体围护结构A-A 截面基坑竖直方向为Y 轴，沿基坑水平方向为X 轴建立计算坐标系。取地下水位深度为0.88m，地层条件从上往下分别为：填碎石、素填土、粉质黏土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土、强风化片麻状混合花岗岩、强风化片麻状混合花岗岩、中风化片麻状混合花岗岩，土体应力应变关系采用修正摩尔- 库伦准则。为提高计算精度，利用混合四面体网格，在基坑内土体以及围护结构处施工位置处网格划分较密，向外部土体网格划分逐渐变疏，在不影响计算精度的前提下减少网格数量并节省计算时间，网格单元尺寸在1.0～1.5m 之间，共划分6626 个单元，6582 个节点。2D 有限元数值模型图1-2 所示。

图1 有限元数值模型整体图

图2 有限元数值模型边界约束与荷载布置图

3 抛填石层超深基坑钻孔咬合桩受力分析

3.1 咬合桩剪力计算结果

太子湾地铁站深基坑的开挖步序共分为五层，在每一层土方开挖完毕后，通过模拟计算，分析得到了钻孔咬合桩承受剪力的变化情况。

由上述不同开挖工况下围护结构剪力变化图（图3-8）可以看出，对应开挖工况1-5，围护结构所承受的最大剪力分别为214.234KN、255.177 KN、395.866 KN、337.91 KN、324.601KN，最大剪力一般发生在开挖深度16～20m 的范围内。

图3 开挖工况1 围护结构剪力图

图4 开挖工况2 围护结构剪力图

图5 开挖工况3 围护结构剪力图

图6 开挖工况4 围护结构剪力图

图7 开挖工况5 围护结构剪力图

图8 各开挖工况下围护结构剪力变化情况

随着开挖的进行，最大剪力的变化规律表现为先增大后降低，且增大的幅度相对大于剪力降低的幅度，同时围护结构在开挖完成第三层土体时承受到最大的剪力395.866 KN，这表明施工到第四层土时结构所受到的剪力最大，因此为了保证围护结构的稳定性与施工安全，在围护结构设计与施工过程中，考虑对于第四道支撑进行加强处理，如增大其截面尺寸或者增加其预施加荷载。

3.2 咬合桩弯矩计算结果

围护结构的抗弯性能是基坑支护体系设计需要考虑的重要因素。本次有限元分析中对钻孔咬合桩围护结构的承载弯矩情况进行了分析，弯矩计算结果如图9-14 所示。

图9 开挖工况1 围护结构弯矩图

图10 开挖工况2 围护结构弯矩图

图11 开挖工况3 围护结构弯矩图

图12 开挖工况4 围护结构弯矩图

图13 开挖工况5 围护结构弯矩图

图14 各开挖工况下围护结构弯矩变化情况

由上述不同开挖工况下围护结构弯矩变化图可以看出，对应开挖工况1-5，围护结构所承受的最大弯矩分别为563.924KN·m、629.942KN·m、763.608KN·m、832.241KN·m、722.982KN·m，最大弯矩一般发生在开挖深度18～20m 的范围内，这一变化规律与围护结构的剪力变化情况相同。

从每层土开挖时围护结构弯矩的增量来看，第三层土开挖完成时弯矩增量最大，为113.666 KN·m，这表明在第四层土开挖的过程中，结构的内力迅速增长，因此有必要对于这一阶段的内支撑进行加强处理，可以将这一层土开挖前的内支撑截面尺寸进行适当地增大，这与剪力的分析结果具有一致性。

3.3 咬合桩水平位移计算结果

基坑开挖过程也是坑内土体不断卸载、坑外侧向土压力不断增大的过程，基坑围护结构作为抵抗侧向土压力的结构会向坑内产生一定的变形，因此围护结构刚度是需要重点考虑的结构性能。

各开挖工况下围护结构水平位移变化情况如图15-20 所示。

图15 开挖工况1 围护结构位移图

图16 开挖工况2 围护结构位移图

图17 开挖工况3 围护结构位移图

图18 开挖工况4 围护结构位移图

图19 开挖工况5 围护结构位移图

图20 各开挖工况下围护结构水平位移变化情况

围护结构水平位移在上述1-5 开挖工况中的变化明显，可以分析出对应开挖工况，围护结构产生的最大水平位移分别为8.29mm、8.95mm、9.75mm、10mm、10mm，最大水平位移发生位置分别在开挖深度8m、9m、11m、11m、11mm。分析可知随着基坑开挖的进行，围护结构的水平位移持续增大，最终收敛于10mm左右的位移值。最大水平位移主要发生在11m 左右的位置，正好处于素填土的地层中，表明该层素填土的土层性质相对较差，因此在设计施工中应采取相应措施。

此外，从第一层土开挖至第五层土的过程中，最大位移的增幅较小，且各开挖工况下围护结构的最大位移均符合规范要求，这表明了采取钻孔咬合桩+内支撑的围护结构对于基坑内土体位移具有明显的限制作用，能够保证基坑的安全与稳定。

4 结论

基坑施工中最大剪力一般发生在开挖深度16～20m 的范围内。随着开挖的进行，最大剪力的变化规律表现为先增大后降低，且增大的幅度相对大于剪力降低的幅度，同时围护结构在开挖完成第三层施工到第四层土时结构所受到的剪力最大，因此为了保证围护结构的稳定性与施工安全，在围护结构设计与施工过程中，考虑对于第四道支撑进行加强处理，如增大其截面尺寸或者增加其预施加荷载。

随着开挖的进行，最大弯矩的变化规律表现为开挖至第五层土之前持续增大，开挖完第五层土后略有降低，且降低的幅度相对较小。围护结构在开挖完成第四层土体时承受到最大的弯矩，施工到第五层土时结构所受到的弯矩最大。第三层土开挖完成时弯矩增量最大，在第四层土开挖的过程中，结构的内力迅速增长，因此有必要对于这一阶段的内支撑进行加强处理，可以将这一层土开挖前的内支撑截面尺寸进行适当地增大。

分析可知随着基坑开挖的进行，围护结构的水平位移持续增大，最终收敛于10mm 左右的位移值。最大水平位移主要发生在11m 左右的位置，正好处于素填土的地层中，表明该层素填土的土层性质相对较差，因此在设计施工中应采取相应措施。此外，从第一层土开挖至第五层土的过程中，最大位移的增幅较小，且各开挖工况下围护结构的最大位移均符合规范要求，这表明了采取钻孔咬合桩+内支撑的围护结构对于基坑内土体位移具有明显的限制作用，能够保证基坑的安全与稳定。