坑中坑围护结构优化分析①

2023-01-12刘春峰朱怀龙胡文韬

矿冶工程 2022年6期

刘春峰，朱怀龙，，胡文韬

（1.江西交通职业技术学院，江西南昌 330013；2.华东交通大学江西省岩土工程基础设施安全与控制重点实验室，江西南昌 330013；3.江西省地下空间技术开发工程研究中心，江西南昌 330013）

倾斜桩可以实现基坑无水平支护，具有显著的工程应用价值和经济效益［1-5］。长短桩可以通过减小桩长达到节约造价的目的，得到了业内广泛关注［6-9］。近年来，坑中坑工程是当今基坑设计研究的一个热点［10］。坑中坑工程的内坑一般具有深度较浅、空间相对较小、围护结构嵌固深度较大、基坑整体变形较小等特点。鉴于此，本文以某坑中坑工程为依托，从内坑支护桩的桩长和角度考虑，提出了3种优化方案，并借助数值软件，探讨优化方案的可行性。

1 工程概况

拟建项目为坑中坑工程，上部为外坑，下部为内坑。外坑宽30 m、深度11.9 m，主体围护结构采用800 mm厚地下连续墙支护，墙体埋深30 m；内坑宽15 m，开挖深度约8 m，设计围护结构采用直径0.8 m钻孔灌注桩，桩长16 m，外坑和内坑的第一道支撑为砼支撑（间距为9 m），其余支撑为钢支撑（间距为3 m）。基坑围护横断面见图1。

图1 基坑围护横断面（单位：mm）

2 数值模型

2.1 计算参数

土体采用考虑小应变刚度的HSS模型。在结合地质勘查资料以及既有南昌硬化土参数研究［11］的基础上，确定了如表1所示的有限元计算参数。考虑到HSS模型本构主要针对的是土体卸荷作用，将砂岩这类卸荷影响较小的材料本构选定为传统的MC本构。

表1 土层参数

地下连续墙模拟为板单元；砼支撑、钢支撑模拟为定锚杆；内坑支护桩模拟为梁单元。板单元、锚杆单元、梁单元均按线弹性材料考虑，具体参数如表2所示。

表2 支护参数

2.2 几何模型与边界条件

采用Plaxis 3D有限元软件进行建模分析。考虑到模型结构左右对称，为精简计算成本，只建立一半模型。为消除边界效应，基坑模型的几何尺寸确定为55 m（长）×36 m（宽）×56 m（高）（大于3～5倍基坑深度），计算模型见图2。模型四周以及底部施加约束，仅顶部自由。

图2 有限元计算模型

2.3 计算工况

数值分析的工况如表3所示。

表3 三维施工模拟主要计算工况

2.4 模型验证

为了验证数值模型和土层参数取值的合理性，将内外坑支护结构水平位移的模拟值和实测值进行对比，如图3所示。由图3可知，支护结构的模拟与实测总体变化规律较为接近，且幅值相差较小，证实本文建立的模型合理可靠。

图3 支护结构位移模拟值与实测值对比

根据规范所述［12］，基坑位移监测预警值为30 mm，大于6.30 mm（支护桩水平位移最大实测值），故该基坑设计方案存在一定优化空间。

3 优化方案

3.1 倾斜桩支护

相较常规支护（等长桩＋支撑），倾斜桩支护无需水平支撑，基坑施工空间较大、施工进度较快。根据既有研究［4］，就支护效果而言，内斜直桩效果较好，外斜直桩次之，纯斜桩较差，故本文选取内斜直桩与外斜直桩作为优化方案，如图4所示。

图4 优化方案示意图

根据数值模型分析结果可得开挖至内坑坑底时支护桩位移变化规律如图5所示。将图5中各种工况的最大位移汇总，如表4所示。

表4 倾斜桩最大水平位移汇总

由图5可知，倾斜角较小时（如－10°），桩顶部位移较大，此时桩的位移变化趋势与悬臂支撑类似。随着倾角增大，桩的位移变化趋势逐渐变为与原方案类似的“鼓肚子”形状，这主要是因为倾斜桩相当于对土体进行一定角度的放坡，且斜桩相当于斜撑，对直桩起到一定支撑作用。

图5 倾斜桩位移变化情况

由表4可知，两种不同类型的倾斜桩位移与倾角成反比，且当倾斜角度由－10°变为－15°时，外斜直桩位移发生突变，倾斜角度由15°变为20°时，内斜直桩位移发生突变。因此外斜直桩的倾角尽量不小于15°，当桩的位移较大时，可设置倾角不小于20°的内斜直桩来减小位移。

图6为开挖至内坑坑底时，支护桩弯矩变化规律图。将图6中各种工况的最大弯矩汇总，如表5所示。

图6 倾斜桩弯矩变化情况

表5 倾斜桩最大弯矩汇总

由图6可知，原方案弯矩为典型的水平支护桩变化趋势，坑底上部弯矩较大、下部较小，且在支撑处弯矩会向内凹进去；图中坑底的弯矩变化趋势不一致，呈“凹”形，这是因为桩侧相邻土层（圆砾层和强风化泥质粉砂岩）模量相差过大。相较于传统桩，倾斜桩弯矩分配合理，最大正负弯矩的比值接近1，且最大正负弯矩值所处位置上移，这是因为倾斜桩存在“自撑效应”。

由图6及表5可知，两种不同类型倾斜桩的最大弯矩与倾角成正比，且直桩最大弯矩值在－15°时发生突变，因此设计优化方案时，从弯矩考虑，外斜直桩的倾角尽量不小于15°。

由图7可知，外坑水平位移变化主要发生在墙体埋深12～20 m处，该位置恰好是内坑所处位置，因此可认为外坑支护结构变化范围仅与内坑深度有关，与内坑支护形式无关。倾斜支护均比原方案产生的外坑地连墙位移大，且在相同支护情况下，倾角越大，位移越小。

图7 倾斜桩支护地连墙位移变化情况

尽管内坑支护形式的变化会对外坑支护水平位移造成影响，但变化幅度较小，故设计优化方案时，优先考虑内坑支护桩位移。

图8为坑中坑开挖至内坑坑底时，内坑坑底隆起变化曲线。

图8 倾斜桩支护内坑坑底隆起情况

由图8可知，倾斜桩增加内坑坑底隆起，且在相同支护情况下，倾角越大，隆起越小。相较原方案，仅倾角－10°的倾斜桩坑底隆起发生了较大变化，其余倾斜桩均无大变化，故设计优化方案时，优先考虑内坑支护桩位移，且不宜设置倾角－10°的外斜直倾斜桩。

考虑到内斜直桩的施工成本大于外斜直桩的施工成本，且内斜直桩会减小内坑尺寸，优化方案为外斜直桩倾角－15°支护。

3.2 长短桩支护

长短桩支护具体方案见表6。

表6 长短桩设计工况

根据长短桩数值模型分析结果，可得开挖至内坑坑底时支护桩位移变化规律如图9所示。将图9中各种工况的最大位移汇总，如表7所示。

由图9及表7可知，随着桩长减小，支护桩的水平位移逐渐增大，且当短桩嵌岩时，改变短桩长度，位移几乎无变化，因此在设计长短桩优化方案时，尽可能缩短短桩嵌岩深度。减小长桩或短桩桩径会增大支护桩水平位移，且减小短桩桩径对短桩影响较大，同时减小长桩和短桩桩径，桩的位移出现较大幅度增长，且这种增长趋势随着桩径减小而递增。

图9 长短桩位移变化情况

表7 长短桩最大水平位移汇总

减小桩长和桩径均会使桩的位移增大，但幅度较小，当长桩嵌岩长度不小于3 m且周围土质为砂层时，可减小部分桩长或桩径以达到节约造价的目的，其中短桩可不嵌岩。

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图10为开挖至内坑坑底时，支护桩弯矩变化规律。将图10中各种工况的最大弯矩汇总，如表8所示。

由图10及表8可知，长短桩和等长桩的弯矩整体变化趋势一致，且减小桩长和桩径均会降低桩的最大弯矩，其中桩径的影响更大。