围护桩嵌固深度对“桩墙合一”结构稳定性的影响分析

摘 要：为更全面地了解围护桩嵌固深度对“桩墙合一”基坑结构体系受力变形特性的变化规律，运用FLAC3D软件，探讨基坑土体位移、桩身侧向位移和弯矩以及地下室外墙侧向位移和弯矩在不同围护桩嵌固深度影响因素下的变化规律。数值模拟结果表明围护桩嵌固深度的增大，可以有效控制土体水平位移，进而增强结构的稳定性，但超出这一范围，桩身内力将会增大；在一定范围内增大围护桩的嵌固深度，能够改善桩身的变形与受力形态，且随着围护桩嵌固深度的增大，土体位移逐渐减小。

关键词：围护桩嵌固深度；桩墙合一；受力特性；变形特性；影响规律

中图分类号：TU473.2 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）27-0065-05

Abstract： In order to more comprehensively understand the variation law of the retaining pile embedded depth on the stress and deformation characteristics of the "pile-wall in one" foundation pit structure system， the FLAC3D software is used to discuss the soil displacement， pile lateral displacement and bending moment of the foundation pit， as well as the lateral displacement and bending moment of the basement outer wall under the influence factors of different retaining pile embedded depth. The numerical simulation results show that the increase of the embedded depth of the retaining pile can effectively control the horizontal displacement of the soil and enhance the stability of the structure， but beyond this range， the internal force of the pile will increase; increasing the embedded depth of the retaining pile in a certain range can improve the deformation and stress shape of the pile， and with the increase of the embedded depth of the retaining pile， the soil displacement decreases gradually.

Keywords： embedded depth of retaining pile; combination of pile and wall; mechanical characteristics; deformation characteristics; influence law

目前，我国大部分的深基坑工程仍采用以大量的灌注排桩、水平支撑或锚杆，作为临时支护结构的常规支护方法，其中灌注排桩具有较大刚度，而在地下室施工完成后通常会被遗弃于地下，造成基坑周围地层建筑垃圾堆积，大量建筑材料浪费，抬高了工程造价[1-2]。为更好地解决上述问题，提出了“桩墙合一”这一概念，即将原本废弃的临时围护排桩用作主体地下结构的一部分，共同分担永久使用阶段荷载，变废为宝。

目前，关于“桩墙合一”技术的研究不断地发展与完善，并在工程实际中得到了大量的应用。王卫东等[3]以上海市虹桥商务区核心区一期08地块基坑工程为研究对象，提出了一种关于“桩墙合一”基坑结构体系的构造形式，并在基坑开挖阶段、正常使用阶段、抗震等多种工况下，进行“桩墙合一”的强度与耐久性设计计算。胡耘等[4]考虑到缺乏实测数据的支撑，因此开展了从基坑开挖至上部结构施工的“桩墙合一”结构体系应力实测，实测数据在分布规律上与理论计算结果具有较好的一致性。戴斌等[5]针对武汉十里铺二期K4地块基坑工程案例，通过采用“桩墙合一”等关键技术，在减薄地下室外墙厚度的同时取消常规的止水帷幕进行施工，不仅保证了基坑安全顺利施工还有效控制了基坑的工期和造价。但是关于“桩墙合一”基坑结构体系正常使用阶段在不同围护桩嵌固深度影响因素下的受力变形特性规律鲜有研究。

因此，结合案例青岛地铁2号线二期主变电站基坑工程，运用FLAC3D软件，通过建立“桩墙合一”基坑结构体系数值计算模型，对其在不同围护桩嵌固深度影响因素条件下的受力变形特性的影响因素进行研究。

1 工程概况

青岛地铁2号线二期主变电站中A区基坑形状类似于正方形形状，其开挖面积约5 280 m2，基坑开挖深度为8 m。A区基坑西面为规划用地，场地较为开阔；基坑北面围墙向外扩约28 m，属于绿化带部分，场地内也较为开阔；基坑东面与B区相邻，相邻部位空间紧张；基坑南面围墙外扩大约5 m。场地与周边关系如图1所示。由于基坑外部可用场地窄小，不适宜放坡，须采用排桩进行支护，而且该基坑距离居民楼较近，必须进行妥善支护，因此最终采用“桩墙合一”技术进行支护施工。地下室外墙厚度500 mm，采用钻孔灌注桩作为支护桩，桩间距1.5 m，桩径Ф1 000 mm，桩身混凝土强度等级C30，有效桩长16.3～22.3 m，桩位水平偏差小于50 mm，垂直度控制在0.5%之内。

2 数值计算模型的建立

由于A区基坑的对称性，将其四分之一部分建立数值模型。取基坑开挖深度的2～4倍作为计算模型在竖直方向的土体计算深度，取基坑开挖宽度的3～4倍作为水平方向的计算范围，由此，确定出土体模型的计算尺寸为66 m×66 m×40 m。模型划分采用六面块体网格（brick），划分为7个土层，生成41 382个三维网格单元（zones），45 084个节点（grid-points），采用摩尔-库仑模型本构模拟各个土层。土体网格建立如图2所示。土体计算参数见表1。

2.1 “桩墙合一”基坑结构体系模型的建立

“桩墙合一”基坑结构体系模型如图3所示。地下室外墙与围护桩部分用结构单元进行模拟。地下室外墙尺寸为33 m×0.5 m×8 m，围护桩桩长18 m，桩径为1 m，桩间距为1.5 m，其中地下室外墙部分用衬砌（liners）单元进行模拟，而围护桩部分用桩（piles）单元进行模拟，每根围护桩由18个桩构件（pilesel）组成，桩底连接（link）未作特殊处理；地下室外墙与桩之间通过建立锚索（cables）结构单元进行连接，以模拟实际工程中两者之间的加固件（钢索或者钢筋）。衬砌与桩单元参数见表2，锚索单元的参数见表3。

2.2 数值计算模型分析过程

2.2.1 基坑开挖阶段

首先，使土体模型在自重应力的作用下进行初始平衡计算，模拟天然地应力场；其次，在初始平衡完成后，位移清零，开始沿基坑开挖，边沿设置围护桩，并进行基坑开挖。基坑开挖共分4步，每步开挖2 m。

2.2.2 基坑正常使用阶段

1）正常使用阶段荷载的来源。地下室外墙所承受的荷载，按作用方向可分为水平荷载和竖向荷载，从基坑开挖完，到其正常使用阶段，地下室外墙所承受的水平荷ynVi6reS0UCYfiORwnJtyA==载，主要包括侧向土压力、地下水压力及地面活荷载引起的侧压力。而地面活荷载中的地上结构施工自重荷载、车辆行走荷载以及材料堆放荷载等，最终将其等效为地下室外墙所受的竖向荷载。

2）正常使用阶段围护桩和地下室外墙监测点设置。围护桩布置如图4所示。由于沿基坑周边设置的围护桩较多，因此分别选取基坑两边Z1和Z2号围护桩为研究对象，并在地下室外墙Q1和地下室外墙Q2上设置与Z1和Z2号围护桩相对应的监测点。共设置19个监测点对围护桩进行检测，从地下室外墙墙身自上而下设置9个位移监测点，设置剪力、轴力、弯矩监测点各8个，以监测围护桩和地下室外墙的位移、剪力和弯矩的变化。

围护桩和地下室外墙监测点的布置如图5所示。图5（a）为围护桩监测位置，Z1—Z19为桩单元节点，用来进行围护桩位移的监测，A1—A18为桩构件，用来进行围护桩弯矩剪力的监测。图5（b）为地下室外墙监测位置，B1—B9为衬砌单元节点，用来进行监测点位移的监测，P1—P8为衬砌构件，用来记录监测点的弯矩剪力等信息。

3）荷载的施加。在“桩墙合一”基坑结构体系数值模型中施加的均布荷载布置示意图如图6所示。在距离基坑开挖4 m处两侧的土体表面分别施加宽度为4 m的均布荷载，大小为10 kPa。在模型中分别对基坑土体位移、桩身侧向位移、桩身弯矩、地下室外墙侧向位移、地下室外墙弯矩进行分析。

3 数值模拟结果分析

为研究围护桩嵌固深度对“桩墙合一”基坑结构体系在正常使用阶段变形和内力的影响，分别取围护桩嵌固深度为10、11、12和13 m进行模拟计算。

3.1 基坑土体水平位移

不同嵌固深度下基坑土体水平位移如图7所示。从图7中可以看出，当嵌固深度在10、11、12和13 m时，基坑支护面的顶层水平位移分别为2.40、1.96、1.93和1.55 mm。随着围护桩嵌固深度的不断加大，基坑支护面在顶层的水平位移将不断减小，说明围护桩嵌固深度的增大可以有效提高围护桩的支护强度，进而增强基坑的稳定性。此外，当围护桩的嵌固深度为11 m时，基坑支护面的水平位移减小幅度较大，而嵌固深度为13 m时，虽然基坑支护面的水平位移减小幅度也较大，但考虑到工程造价的影响，建议该基坑选择围护桩嵌固深度为11 m。

3.2 桩身侧向位移

在不同嵌固深度下围护桩Z1和Z2的桩身侧移变化曲线如图8所示。由图8可以看出，当嵌固深度为10、11、12和13 m时，围护桩Z1的桩顶水平位移分别为20.22、18.31、17.27和16.10 mm，桩底水平位移分别为5.15、5.14、5.27和5.45 mm；围护桩Z2的桩顶水平位移分别为20.79、19.75、17.74和16.89 mm，桩底水平位移分别为4.91、4.89、5.12和5.31 mm。因此，当围护桩嵌固深度不断增加时，其桩顶水平位移将不断减小，桩底水平位移将不断增大。由图8还可看出，桩身侧移约在基坑深14 m处出现变化，基坑深0～14 m时，增加围护桩的嵌固深度，桩身的倾斜程度将不断减小；基坑深14 m以下时，增加围护桩的嵌固深度，桩身的倾斜程度将不断增大，原因在于，增大了桩的嵌固深度，利于挡土强度的增加，减小了桩顶位移。因此，将围护桩嵌固深度适度增大，能够使桩顶位移减少，维持基坑的稳定性。

3.3 桩身弯矩

不同嵌固深度下围护桩Z1和Z2的桩身弯矩分布变化曲线如图9所示。由图9可以看出，不同嵌固深度下围护桩Z1和Z2的桩身弯矩分布曲线相似，由于结构和荷载具有对称性，在同一嵌固深度下围护桩Z1和Z2两者的弯矩分布曲线对称。当嵌固深度为10、11、12和13 m时，在基坑底部以下大约6 m处桩身的弯矩值最大，即弯矩峰值出现的位置约在基坑深14 m处。当围护桩嵌固深度持续增加，围护桩Z1和Z2的弯矩峰值逐渐增大，反方向弯矩峰值逐渐减小。由此看来，在一定范围内增大围护桩的嵌固深度，可以在一定程度上控制桩身变形，同时也使得桩身内力增大，抬高了工程造价。

4 结论

运用FLAC3D软件进行数值模拟分析，改变围护桩的嵌固深度、刚度、地下室外墙厚度等，研究了“桩墙合一”基坑结构体系在不同影响因素下的受力变形特性变化规律，得到以下结论。

1）在一定范围内围护桩嵌固深度的增加可以有效控制土体水平位移，进而增强结构的稳定性，但超出这一范围，桩身内力将会增大；且围护桩嵌固深度适度增大，能够使桩顶位移减少，维持基坑的稳定性。

2）在一定范围内增大围护桩的嵌固深度，可以在一定程度上控制桩身变形，同时也使得桩身内力增大，提升了工程造价。

参考文献：

[1] 兰曙光.深圳地铁罗湖站基坑支护结构体系有限元分析[D].西安：西安科技大学，2005.

[2] 常洪德.浅谈深基坑支护中存在的问题及应对措施[J].山西建筑，2006，32（23）：125-126.

[3] 王卫东，沈健.基坑围护排桩与地下室外墙相结合的“桩墙合一”的设计与分析[J].岩土工程学报，2012，34（S1）：303-308.

[4] 胡耘，王卫东，沈健.“桩墙合一”结构体系的受力实测与分析[J].岩土工程学报，2015，37（S2）：198-201.

[5] 戴斌，李靖，陈永才，等.复杂环境超大面积深基坑整坑实施设计与实践[J].地下空间与工程学报，2022，18（5）：1658-1644.