深基坑内支撑支护结构变形规律与优化设计研究

2024-04-21福建庆展建设工程有限公司福建福州350000

砖瓦 2024年4期

林浩（福建庆展建设工程有限公司，福建福州 350000）

基坑工程是一个多学科交叉的系统性工程，涉及结构工程学、土力学、岩石力学、地质工程等方面的知识，因此，基坑工程的稳定性和安全性的计算结果受到多种因素的影响[1]。在城市发展进程中，地下空间的开发为密集的城市人口提供了土地资源与人口空间需求矛盾的新解决途径，但也对基坑工程的安全提出了更为严格的要求[2-3]。基坑工程计算理论的发展，已经从受力控制推进到了变形控制。确定施工过程中基坑支护结构的变形大小和发展规律，提出相应的优化设计方案，是目前深基坑工程设计与施工的重要研究内容。

本文以福建省福州市某建筑工程深基坑项目为研究对象，运用数值模拟的方法，分析了基坑围护桩在开挖过程中变形规律，并考虑不同围护桩直径的影响，对支护结构进行优化，提出合理的桩基直径优化方案。

1 工程概况

福建省福州市某建筑工程深基坑项目大致呈矩形，基坑开挖面积为2500m2，基坑长度为70m，宽度为36m，基坑北侧和南侧均为既有城市次干道，道路均为混凝土路面，北侧次干道距离基坑边线的距离为3m，南侧次干道距离基坑边线的距离为5m，城市东侧为城市主干道，道路为沥青混凝土路面，主干道距离基坑边线为40m，主干道绿化带距离基坑边线为25m，基坑西侧为既有高层民用住宅楼，楼层高度均为32层，采用筏板基础，最近1栋住宅楼距离基坑边线的距离为5m，如图1所示。场区的工程地质物理力学参数见表1。基坑开挖深度为8m，局部坑中坑部分开挖深度为9.5m，基坑采用单排现浇钻孔灌注桩支护+1道钢筋混凝土支撑+1道钢管桩支撑，现浇钻孔灌注桩的直径为700mm，桩深度为16m，桩底深入到③2粉土层，桩中心间距为1000mm，桩身混凝土强度等级为C30，主钢筋为HRB40，主钢筋直径为20mm，共16根，沿基坑四周均匀分布，主钢筋保护层厚度为35mm；桩顶设置冠梁，冠梁宽度为1000mm，高度为600mm，混凝土强度等级为C30。第一道钢筋混凝土支撑截面尺寸为600mm×600mm，采用的C30等级混凝土浇筑，主钢筋保护层厚度为35mm；第二道钢管桩支撑为直径300mm，厚度15mm的钢管。由于场区地层存在淤泥质粉质黏土，土体的自稳能力及抗剪切强度较低，加上地下水潜水位较浅，存在雨水和地下水沿着粉土涌入基坑的情况，因此，在单排桩基围护结构后采用三轴搅拌桩作为止水措施，三轴搅拌桩的直径为850mm，桩长为14m，桩中心间距为600mm，采用P·O 42.5水泥进行喷射搅拌。

表1 场区工程地质参数

2 深基坑工程开挖支护模型的构建

从图1中可以看出，基坑工程周边的环境十分复杂，既有城市道路和建筑物都对基坑变形敏感，如果控制不当，极易引发结构大变形事故，造成不良的社会影响。为了研究基坑工程支撑和围护结构在开挖过程中的变形规律，研究采用迈达斯MIDAS GTS NX岩土有限元软件建立深基坑工程三维计算模型，如图2所示，基坑土体和内支撑的网格划分采用软件内嵌网格进行划分。在模型构建过程中，可以在计算机辅助软件CAD中建立好基坑的二维框线模型，并借助迈达斯软件的导入功能进行土体的网格划分和三维扩展[4-5]。数值计算的模型不考虑基坑边线的局部变化，将其简化成长方体，长×宽×深的尺寸为70m×35m×8m，基坑周边施工超载按照20kPa取值，西侧的高层建筑按照15kPa/层取值，共480kPa。计算时混凝土的弹性模量取值为30kN/mm2，重度为25kN/m3，泊松比为0.2，采取弹塑性本构模型进行计算，钢支撑的弹性模量取值为200kN/mm2，重度为78.5kN/m3，泊松比为0.25，施加预应力3000kN，采用弹性本构模型进行计算；土体的物理力学参数如表1所示，各层土体采用摩尔库伦本构模型进行计算[6-9]。第一道钢筋混凝土支撑设置在地表以下1.5m，第二道钢管支撑设置在地表以下5m，因此，基坑开挖的计算过程为：①平整地表，地下水降深，放坡开挖至1.5m→②施作第一道钢筋混凝土支撑→③第一道钢筋混凝土支撑达到设计强度要求，继续开挖至地表以下5.5m→④架设第二道钢支撑→⑤继续开挖至基坑底部→⑥施工封底混凝土。

3 深基坑工程开挖支护结构的变形数值模拟结果分析

图3为不同开挖步序下钻孔灌注桩水平位移随着深度的变化曲线。从图3中可以看出，随着深度的增加，不同开挖步序下钻孔灌注桩的水平位移变化规律基本相同，均呈现不断增加后迅速减小，并趋于收敛，即 “中间大，两头小” 的变化规律；开挖步序①的钻孔灌注桩的水平位移峰值出现在深度2m处，水平位移值为4.3mm，开挖步序③的钻孔灌注桩的水平位移峰值出现在深度6m处，水平位移值为8.5mm，开挖步序⑤的钻孔灌注桩的水平位移峰值出现在深度8m处，水平位移值为13mm；在相同的深度范围内，随着开挖深度的增加，钻孔灌注桩的水平位移不断增加，在深度11m 以下，3种不同开挖步序条件下的钻孔灌注桩位移值接近，且数值均较小，小于2.5mm，可以认为围护结构底部附近为嵌固边界，受到开挖的影响较小，而桩中部的水平位移变化较大，这是因为第一道混凝土支撑的刚度较大，而底部又是嵌固边界，因此可以认为水土压力使得桩体受弯，在施工过程中应加强中部的支撑刚度，以减小桩体的水平位移，进而控制周边土体的扰动。

图3 不同开挖步序下钻孔灌注桩水平位移随深度的变化曲线

为了更好地优化设计围护支撑结构，数值计算设置了3 种不同的围护桩计算工况，分别为工况A：桩直径800mm、工况B：桩直径700mm、工况C：桩直径600mm。图4和表2 为不同计算工况下钻孔灌注桩的最大水平位移变化规律。

表2 不同计算工况条件下桩水平位移最大值增幅对比

从图4中可以看出，在相同的施工步序下，工况A的桩最大水平位移值明显小于工况B和工况C，随着施工步序的增加，桩的最大水平位移也不断增加。从表2中可以看出，相对于工况A，工况B在步序①时，桩的最大水平位移增幅增加59.26%，在步序③时，桩的最大水平位移增幅增加30.77%，在步序⑤时，桩的最大水平位移增幅增加30%；相对于工况B，工况C在步序①时，桩的最大水平位移增幅增加4.65%，在步序③时，桩的最大水平位移增幅增加5.88%，在步序⑤时，桩的最大水平位移增幅增加10%。由此可以看出，在桩直径为600mm增加至700mm时，桩的最大水平位移降低较少，而直径从700mm 增加至800mm 时，桩的最大水平位移大幅度降低，因此，在工程投资允许的条件下，可以适当将桩基直径优化为800mm，以提高深基坑围护结构的刚度，减小桩的最大水平位移和周边土体的扰动。