紧邻既有结构的灌注桩施工力学行为研究

2022-12-20王雅甜杨春山黄福杰

南昌工程学院学报 2022年3期

王雅甜，杨春山，黄福杰

(1.广东工业大学土木与交通工程学院，广东广州 510006；2.广州市市政工程设计研究总院有限公司，广东广州 510060)

灌注桩具有施工噪声小、成桩地层适用性强、承载力高、支护稳定等特点，在各类基坑工程中得到了广泛应用[1-3]。邻近既有结构基坑开挖卸荷会产生应力扰动，对既有结构正常使用和安全方面产生影响，因此其变形控制至关重要，有许多学者开展了相关的研究。郑刚、左殿军、王定军等[4-6]基于工程案例资料，采用有限元方法，对基坑施工对坑外既有隧道变形影响进行了分析；贾夫子、丁智、许四法等[7-9]根据对邻近地铁隧道的基坑工程监测数据，对基坑开挖期间近邻地铁车站和隧道变形等进行分析，总结基坑开挖期间近邻地铁隧道变形的发展规律；徐宏增[10]等运用有限元软件建立三维数值模型，探讨不同围护结构形式下的基坑开挖对邻近大直径污水管线的影响规律，分析得出管线的位移因近邻基坑的开挖存在时空效应。然而现有研究大多数只考虑基坑开挖扰动的影响，往往忽视基坑围护结构的影响。实际上，在钻孔灌注桩施工过程中，孔壁周围土体的应力场发生变化，打破了原有的平衡状态，若施工控制不当，易出现孔缩甚至塌孔的现象，引起钻孔周围土体发生位移，进而对邻近建(构)筑物产生力学扰动。

基于上述考虑，以典型工程实例为依托，借助数值法建立了基坑工程灌注桩施工过程的三维计算模型，探索了桩基施工诱发的既有结构变形特性，与实测数据进行对比分析，且分析了桩基孔壁的稳定性。本文研究得到了一些有益成果，指导了实例实施，也为类似工程提供了借鉴。

1 工程概况

新建珠海至珠海机场城际铁路横琴站位于珠海市横琴岛经济开发区横琴口岸西侧，车站周边环境较为复杂，其中1#出入口紧邻既有市政综合管廊结构和20kV电缆沟，出入口与既有结构的相对位置关系见图1。

图1 出入口与既有结构的相对位置关系

车站出入口基坑标准段开挖深度约11 m，采用钻孔灌注桩+内支撑的支护型式，基坑坑壁止水与基底加固采用高压旋喷桩，钢板桩支护为热轧U型，支护结构及既有结构参数详见表1。

表1 支护结构及既有结构的参数

图2 既有管廊断面图(单位：mm) 图3 既有电力管断面图(单位：mm)

2 三维数值分析

2.1 计算模型与工程

模型计算区域的选取充分考虑出入口围护结构施工和开挖引起的边界效应，水平向计算区域取灌注桩直径的10倍以上，竖直向取2～4倍以上出入口基坑开挖深度为原则(图4)。1#出入口计算模型几何尺寸X、Y、Z方向分别为70 m、48 m、37 m。模型侧向加水平约束，底部加竖向约束，顶面为自由面，不加约束。

图4 计算区域选取原则

模型建立过程中把圆形截面灌注桩通过刚度等效成方桩，考虑围护桩竖向位移会给基坑稳定、地表沉降及桩体自身的稳定性均带来影响，因此在刚度等效时不仅要等效侧向抗弯刚度，还要等效竖向抗拉、压刚度。

抗弯刚度等效公式为

(1)

抗拉、压刚度等效公式为

(2)

式中E为桩体弹性模量；D为圆桩直径；b为等效后方桩宽度；h为等效后方桩长度。

模型中根据等效刚度公式，将圆桩的直径D等效为宽度b、长度h的方桩，确保等效后支护结构指向临空面方向抗弯刚度和竖直向拉压刚度相同，由此推导出方桩尺寸；方桩宽度b为沿坑壁方向的长度，长度h为垂直于坑壁的厚度。通过计算可得，当D=0.8 m时，等效方桩b=0.72 m，h=0.69 m。

模型中土层、灌注桩、旋喷桩、既有电缆沟结构采用三维实体单元，既有综合管廊主体结构、钢护筒采用壳单元模拟，钢护筒弹性模量取值2.06×108kPa，每节段长2 m，壁厚0.6 cm，内径为1 000 mm；灌注桩、旋喷桩和既有电缆沟结构通过修改边界条件来赋予相应的属性，土体采用理想弹塑性本构模型，遵循Mohr-Coulomb屈服准则，而相关结构则采用弹性模型，土层物理力学参数采用勘察成果资料(表2)。模型中土层与灌注桩间相对滑移与错动通过无厚度的界面单元[11-13]模拟。

表2 土层物理力学参数

根据上述模型参数及建模思路，建立三维整体计算模型和细部结构模型，详见图5。

图5 三维计算模型

为了分析灌注桩施工过程桩基变形特性及其对既有结构的影响，施工步骤需要充分体现灌注桩和既有结构的形成过程，为此模型计算分为 6个工况：①初始应力计算，获取应力，且位移清零；②既有综合管廊和电缆沟开挖，施作既有相应的结构，位移清零；③施作钢护筒；④灌注桩开挖成孔+泥浆护壁；⑤灌注桩水下混凝土浇筑；⑥旋喷桩施工。

图6 计算值与实测值对比曲线

2.2 模型合理性验证

为了考察本文计算模型的可靠性，取图1对比位置灌注桩侧向土层实测位移与计算结果对比分析，如图6所示。对比发现，数值计算反映了实际灌注桩侧向水平位移的变形趋势，与实测值基本一致且数值上较为接近，吻合度较好，两者对应位置最大相差6%，说明本文计算模型具备有效性。

2.3 计算结果分析

2.3.1 灌注桩施工引起的总体位移

图7为灌注桩施工后桩体与既有构筑物的总体位移云图，定义位移指向坐标正轴为正，反之为负。水平向由于钻孔开挖，应力释放，孔壁向临空面移动出现指向桩孔的位移，并在淤泥层中侧移最为显著，最大侧移为6.13 mm(图7a)；竖向位移出现在灌注桩顶部，最大值为5.52 mm(图7c)，主要由于灌注桩自重和坑壁侧移引起。结果表明，总体位移各向的最大值均出现在围护桩上，且均小于设计位移限值，整体处于安全稳定状态。

图7 工况6总体位移云图

2.3.2 灌注桩施工对既有结构的影响

从邻近既有管廊结构和电缆沟的位移云图可以看出，管廊结构受到灌注桩施工的影响很小，侧向增量位移最大值为0.79 mm(图8b)，竖向位移最大值为3.28 mm(图8c)，而电缆沟结构受灌注桩施工影响较管廊结构大，结构位移最大值为4.89 mm(图9c)，既有结构的位移均小于设计和当前相关标准[14]的位移预警值10 mm，结构受力处于整体安全状态。

图8 管廊位移云图

图9 电缆沟位移云图

图10～11中既有结构初始应力对应工况2灌注桩未开始施作前的工况。灌注桩施工后提取的是工况5浇筑灌注桩混凝土工况。

通过工况2、5的应力差值来评价既有结构力学状态，可见，灌注桩施工前管廊结构最大应力值为3.61 MPa，处于局部带裂隙作用，桩基施工完增加至3.7 MPa，应力水平影响很细微，仅增大3%(图10)。电缆沟结构虽然应力增长相对更明显，最大增加了257 kPa(图11)，然而最大应力依然小于C20混凝土抗拉强度设计值1.1 MPa，未改变结构状态，结构未开裂，处于安全状况。

图10 管廊结构受力云图

图11 电缆沟结构受力云图

3 钻孔灌注桩稳定性分析

基于泥浆护壁机理可知，钻孔灌注桩孔壁稳定性取决于泥浆重度γg(min)和最小泥浆重度γg，因此，可将钻孔稳定安全系数Fs定义为泥浆重度γg与泥浆最小重度γg(min)之间的比值：

(3)

使钻孔灌注桩孔壁维持弹性状态的泥浆最小重度γg(min)采用李林[15]等在饱和黏土中钻孔灌注桩孔壁稳定性力学机制研究中建议的公式：

(4)

式中K0为静止土压力系数；γ为土体重度；γw为水重度；θ为应力罗德角，由于柱孔属于平面应变问题，因此θ=30°；M为转换应力空间平面中CSL线的斜率，其值等于6sinφ′/(3-sinφ′)，φ′为土体有效内摩擦角。其中

(5)

(6)

根据结构设计方案、现场勘察报告等，钢护筒根据地质情况确定长度，嵌入土层深度约为1.5～2m，地面以上长0.5m，灌注桩护壁泥浆重度取11.5 kN/m3。

将各参数代入式(4)，计算得到维持钻孔保持弹性状态的泥浆最小重度γg(min)=12.56 kN/m3，实际工程中采用的泥浆重度小于泥浆最小重度，因此，钻孔在泥浆支护条件下处于不稳定状态，其稳定安全系数FS根据式(3)计算得出Fs=0.916，安全系数小于1，易出现缩孔甚至塌孔现象，对邻近建(构)筑物产生力学扰动。