围护桩嵌固深度与基坑稳定性研究

张军贤，张军华，甘坚强，胡忠经，白 云，王清标

(1.台州职业技术学院建筑工程学院，浙江 台州 318000；2.台州技师学院(筹)，浙江 台州 318000；3.山东科技大学煤矿充填开采国家工程实验室-矿山灾害预防控制重点实验室，山东 青岛 266590；4.山东正元地质资源勘查有限责任公司，山东 济南 250000)

0 引言

随着城市的进一步发展，地下空间在我国受到青睐，深基坑工程随之产生，围护桩支护体系因其施工方便、安全可靠等优势广泛应用到深基坑工程中。但由于我国幅员辽阔，各地区地层差异明显，因深基坑围护桩嵌固深度不满足要求导致的基坑失稳事故屡屡发生，众多专家、学者对围护桩嵌固深度开展了大量的研究工作。

高新南[1]等依托地铁车站深基坑工程，研究了围护桩嵌固深度与桩顶位移、支撑内力等之间的内在联系，得到随着围护桩嵌固深度的增加，桩顶水平位移量并不是呈现出负相关的特点，当嵌固深度达到一定数值后，桩顶水平位移量与嵌固深度几乎无关。徐中华[2]采用现场监测、数值模拟等方法，研究了围护桩嵌固深度与内支撑位置、道数以及排列等影响因素之间的关系；徐中华等[3]以旋挖桩为研究对象，研究了桩顶水平位移与基坑开挖卸荷之间的关系，得到桩顶水平位移与基坑深度之间的关系近似为(0.1%～1.0%)hw；陈雪峰[4]以武汉天河机场为工程背景，研究了基坑安全系数、水平位移及地表沉降与围护桩嵌固深度之间的关系，优化了围护桩的嵌固深度；王新[5]等采用数值模拟的方法，研究了围护桩应力变化、桩顶水平位移与嵌固深度之间的关系；刘吉波[6]等基于某地铁隧道深基坑工程，采用数值模拟的方法，研究了围护桩桩身应力、不同位置处的侧移量与嵌固深度之间的关系，得到当嵌固深度在一定的范围内，随着围护桩嵌固深度的增加，桩顶水平位移量逐渐减小，同时桩顶的水平位移指向基坑内侧，桩底的水平位移指向基坑外侧；高讴[7]采用ABAQUS模拟软件，研究了微型桩与基坑开挖卸荷之间的关系，得到正弯矩与基坑开挖深度呈正相关，负弯矩在一定开挖范围内呈正相关，之后呈负相关；王伟[8]基于杭州地铁砂质地层深基坑工程项目，研究了深基坑开挖之后的土压力分布规律，根据现场监测数据得到由于基坑外降水措施使粉砂土体具有一定的自稳定，导致实测土压力趋近于零。张军贤，王清标[9]采用数值模拟和现场检测等方法，得到深基坑开挖之后的地表最大沉降位置、最大沉降量、围护桩受力反弯点位置及支护结构最大变形位置。

综上，国内外专家、学者采用数值模拟与现场监测的方式，研究了深基坑围护桩的内力、桩顶侧向位移与围护桩嵌固深度之间的关系。但是，由于我国幅员辽阔，各地地层水文地质条件千差万别，针对不同的深基坑开挖工况，可以得到不同的变化规律。因此，基于武汉天河机场黏土夹碎石层地段开展深基坑围护桩嵌固深度与基坑稳定性研究是有必要的。

1 工程概况

本工程位于河北省武汉市，拟建地下通道1240 m，是武汉天河机场的重要组成部位，围护方案初步设计为钻孔灌注桩+放坡的形式进行支护，内撑设置道数为1～3，隧道安全等级见表1。

表1 隧道安全等级

1.1 工程地质条件

本工程地貌为冲积平原陇岗及岗间坳谷地；地形特点为坡度缓，无滑坡、泥石流等地质灾害；无活动性断裂带，未发现强震构造；所选基坑开挖研究段由上至下土层主要为杂填土、素填土、粉质黏土、黏土、黏土夹碎石、泥质砂岩等，局部存在淤泥质黏土，主要分布于沟塘底部。基坑开挖应注意淤泥质黏土层位可能引起局部坍塌。黏土和黏土夹碎石土层工程性能较好，可作为基础持力层使用，但有可能出现不均匀的弱膨胀，施工中应做好防水保湿。泥质砂岩层分布几乎全场可见，压缩性较低，可作为围护桩的主要受力层。

根据室内试验成果及相关工程案例，根据工程勘查报告得到设计参数取值(表2)。

表2 设计参数取值

1.2 水文地质条件

地表水：基坑开挖场地分布有地沟和塘，主要补给来源为降水、径流和人为因素，水深为0.2～2 m，水深及水流量主要受到自然降水和施工等人为因素的影响，在大开挖过程中，应将在场地范围内采用降水措施。

地下水：基坑开挖段地下水主要有素填土中的滞水、孔隙水，查看勘查报告得知地下水高程为22.13～33.03 m，主要来源为降水及人为排水，抗浮设防水位建议高程32.5 m。

2 围护桩嵌固深度分析

2.1 围护桩及内支撑设计

根据勘查报告可知，N1DK3+98.6～N1DK3+120段广泛分布有黏土夹碎石土层，且深度在10～18 m之间，本工程基坑深度为9～11 m，围护桩嵌固段正好落在此土层，因此选用此段作为研究对象。

采用FRWS模拟软件对不同嵌固深度的围护桩进行内力分析，整体稳定性、抗倾覆、墙底抗隆起、地表沉降等情况进行计算。研究段基坑开挖深度为h=10.04 m，依据《建筑基坑支护技术规程(JGJ120-2012)》，当基坑围护采用单支点时，嵌固深度应满足构造要求：h′≥0.30h，即嵌固深度构造长度为h′≥3.3 m。根据类似工程，围护桩嵌固段长度初步采用5.0 m、8.0 m、10.0 m三种情况进行初算，计算模型见图1。

图1 嵌固深度计算模型

2.2 计算结果及分析

2.2.1 内力及位移分析

根据计算结果，将嵌固深度为5 m、8 m及10 m时围护桩的内力值用柱状图(图2)表示。

由图2可知：① 当围护桩嵌固深度为8 m时，抗力值最大，抗力最大值与嵌固深度先表现出正相关的特点，随着嵌固深度的进一步增加，又表现出负相关的特点(图2a)；② 最大位移值与嵌固深度呈负相关，出现最大位移值的位置变化较小(图2b)；③ 随着围护桩嵌固深度的增加，围护桩的弯矩最大值与嵌固深度呈负相关，且嵌固深度从5 m变化到8 m时，围护桩弯矩最大值变化较大，而嵌固深度从8 m变化到10 m时，围护桩弯矩最大值变化较缓(图2c)；④ 随着围护桩嵌固深度的增加，围护桩所受剪力的最大值也逐渐增大(图2d)。

图2 围护桩内力示意图

2.2.2 整体稳定性分析

分析模拟结果可知，基坑整体稳定性安全系数见表3。由表3可知，随着嵌固深度的不断增大，基坑整体稳定性安全系数也逐渐增大，表现出非线性正相关的特点，嵌固深度都满足规范要求。

表3 基坑整体稳定性系数

2.2.2.1 坑底抗隆起分析

分析模拟结果可知，坑底抗隆起安全系数见表4。由表4可知，当嵌固深度为5.0 m时，安全系数计算结果为1.71，小于规范1.9的要求，嵌固深度为8.0 m和10.0 m时，安全系数计算结果分别为1.94和2.09，满足规范要求，考虑经济效益，嵌固深度选取8.0 m。

表4 坑底抗隆起安全系数

2.2.2.2 墙底抗隆起分析

分析模拟结果可知，墙底抗隆起安全系数见表5。由表5可知，嵌固深度为5.0 m、8.0 m和10.0 m时，墙底抗隆起安全系数分别为2.73、2.87和2.94，随着嵌固深度的不断增大，墙底抗隆起安全系数也逐渐增大，表现出非线性正相关的特点，均满足规范要求。

表5 墙底抗隆起安全系数

2.2.2.3 抗倾覆分析

围护桩抗倾覆计算简图见图3，假想围护桩发生转动时的转动点为A(桩体前趾)，受力分析之后得到：

图3 围护桩抗倾覆计算简图

(1)

式中：MSk为坑外侧土压力、水压力以及墙后地面荷载所产生的侧压力对墙底前趾的倾覆力矩标准值(kN·m)。

MSk=FaZa+FwZw

(2)

式中：MRk为水泥围护桩自重即坑内墙前被动侧压力对墙底前趾的稳定力矩标准值(KN·m/m)。

MRk=FpZp+GkB/2

(3)

式中：Gk为水泥围护桩的自重标准值(kN)。

分析模拟结果可知，抗倾覆安全系数见表6。由表6可知，计算所得的嵌固深度为5.0 m、8.0 m、和10.0 m时，抗倾覆安全系数分别为1.31、1.43和1.51，都满足规范要求。

表6 抗倾覆安全系数

2.2.2.4 地表沉降分析

分析模拟结果，地表沉降见图4。由图4可知，嵌固深度5.0 m、8.0 m、10.0 m对应的最大沉降值分别是18.8 mm、15.6 mm、13.7 mm，即最大沉降值与嵌固深度之间表现出负相关的特点。

图4 地表沉降计算结果

依据上述内力、位移、整体稳定性、坑底抗隆起、墙底抗隆起、抗倾覆以及地表沉降分析等可知，嵌固深度为5 m时，坑底抗隆起安全系数不满足规范要求，因此设计时不可取。嵌固深度采用8.0 m和10.0 m时都可以满足规范要求，设计时都可以选用，考虑到技术可行与经济效益，该断面围护桩嵌固深度选取8 m。此外，在基坑开挖卸荷过程中，要根据规范要求，及时正确安装内撑，对基坑实施降水措施，尽快开挖，减少暴露时间。

3 现场监测结果与计算结果对比分析

3.1 围护桩桩顶水平位移分析

根据规范要求和现场开挖情况，在围护桩冠梁上每隔15 m设置1个位移监测点，监测频率为1次/天，数值模拟结果和现场监测结果见图5。

图5 桩顶水平位移示意图

对比分析图5所示的桩顶水平位移监测值和数值模拟计算值可知，监测值和计算值拟合程度较好，围护桩顶的最大水平位移监测值为8.77 m，计算值为8.51 mm，平均误差为3.05%。主要误差来源：① 施工过程中的外荷载稍微大于模拟计算的假设值；② 施工过程中，基坑周围存在动荷载。故在进行进坑开挖卸载过程中，需要严格控制周围施工机械、运输车辆的荷载值，严禁超载、不按照施工道路行驶等现象的发生，确保施工过程符合规范和设计要求，控制基坑水平侧位移，保障基坑开挖的安全。

3.2 围护桩深层水平位移分析

根据规范要求和现场开挖情况，合理设置监测孔，监测频率为1次/天，监测采用的仪器为：CX-3C系列测斜仪，数值模拟结果和现场监测结果见图6。

对比分析图6所示的深层水平位移监测值和数值模拟计算值可知，监测值和计算值拟合程度较好，围护桩深层最大水平位移监测值为15.86 m，计算值为15.29 mm，平均误差为2.51%。误差来源主要是在开挖卸载过程中，围护桩保护层受到了不同程度的破坏，故在施工过程中，应严格按照规范和设计要求， 控制好机械施工与基坑侧壁之间的距离，保证围护桩在开挖时不受或尽量少受到破坏，确保基坑的开挖安全。

图6 深层水平位移示意图

4 结论

1)在黏土夹碎石层，基坑整体稳定性、坑底抗隆起、墙底抗隆起、抗倾覆稳定性系数以及最大沉降量随着围护桩嵌固深度的增加呈非线性增大的趋势。

2)围护桩嵌固深度为8 m和10 m时，基坑整体稳定性、坑底抗隆起、墙底抗隆起、抗倾覆稳定性系数以及最大沉降量都满足规范要求，综合考虑经济效益，本工程围护桩嵌固深度选取长度为8 m。

3)对比分析现场监测结果与数值模拟计算结果可知，围护桩桩顶水平位移和深层水平位移监测值与数值模拟计算值拟合较好，平均误差较小，可为相关工程提供借鉴。