丁克勝，董克強(qiáng)，易順建

(1. 天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300384；2. 機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司 第四工程院，鄭州450007)

仿真單排樁支護(hù)體系安全極限挖深分析

丁克勝1，董克強(qiáng)1，易順建2

(1. 天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300384；2. 機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司 第四工程院，鄭州450007)

以實(shí)際工程為背景，通過(guò)ABAQUS軟件分別建立了懸臂式和單層支撐式單排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的三維有限元數(shù)值模擬計(jì)算模型，對(duì)單排樁式深基坑安全開挖深度進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，并與實(shí)際工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明：直徑為800,mm的懸臂式樁的安全極限開挖深度為5～6,m，單層支撐式樁的安全極限開挖深度為12.0～12.5,m，充分發(fā)揮了其支護(hù)結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)，同時(shí)基底土層分布的變化對(duì)其支護(hù)能力也有一定的影響．所得結(jié)論可為單排樁支護(hù)設(shè)計(jì)和施工提供參考依據(jù)．

排樁；深基坑；ABAQUS模擬；極限開挖深度；空間效應(yīng)

目前，隨著城市建設(shè)的深入發(fā)展，市區(qū)土地資源更加緊缺．為了充分利用每一寸土地，節(jié)省空間，各類使用功能的建筑物在向高、深迅速發(fā)展，特別是在城區(qū)內(nèi)的住宅小區(qū)和辦公樓建設(shè)中，充分利用有限場(chǎng)地建設(shè)地下停車場(chǎng)、商場(chǎng)和人防工程；而這類工程基坑開挖面積大，深度在10～14,m之間．按我國(guó)住建部有關(guān)規(guī)定：該類基坑屬于一級(jí)基坑，在軟土地區(qū)可供選擇的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的擋土結(jié)構(gòu)為排樁和地下連續(xù)墻兩種，但為了節(jié)約支護(hù)結(jié)構(gòu)費(fèi)用，多數(shù)選擇排樁支護(hù)形式[1-2]．

排樁式支護(hù)結(jié)構(gòu)支撐剛度大、變形小，施工難度不高，總體施工費(fèi)用較低．根據(jù)我國(guó)深基坑平面設(shè)計(jì)理念和現(xiàn)狀，單排樁單層支護(hù)結(jié)構(gòu)多數(shù)用于9.0,m以內(nèi)基坑，但由大量實(shí)測(cè)資料表明，該情況遠(yuǎn)沒有發(fā)揮出排樁的支護(hù)能力．為此有必要探尋“既安全可靠，又能發(fā)揮最大支護(hù)能力，節(jié)約支護(hù)費(fèi)用”的最佳方案[3-4]．

以天津某工程采用的排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)為工程背景，以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依托，利用ABAQUS有限元程序[5]分別建立了懸臂開挖和單層支撐開挖方式的模型，對(duì)800,mm樁徑支護(hù)樁樣在不同的開挖方式下的極限開挖深度進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，找出能充分發(fā)揮其支護(hù)能力的最佳方案，為今后排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、方案審核提供更可靠、方便、快捷的理論保障．

1 工程概況

本文依托的工程位于天津市中心城區(qū)，該工程基坑形狀類似一個(gè)長(zhǎng)方形，尺寸為120,m×60,m，地下兩層開挖深度為11.4,m，局部為14.05,m(在坑中間部位)．基坑支護(hù)方案為單排樁單層混凝土支撐，排樁樁徑大部分為800,mm，樁中心距為950,mm，部分樁徑為1,000,mm，樁中心距為1,150,mm，支撐形式為鋼筋混凝土環(huán)梁加對(duì)撐，支撐位置設(shè)置在冠梁以下2.8,m處，冠梁頂面在自然地面以下1.5,m．

該基坑場(chǎng)地西側(cè)大約39,m處是繁忙的市內(nèi)主干道，北側(cè)是緊鄰基坑外延的一條馬路，東側(cè)不遠(yuǎn)處是原有辦公大樓，南側(cè)約30,m處為某建筑群，周邊的環(huán)境復(fù)雜．此基坑為一級(jí)基坑．各土層的物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示．

表1 地基土物理力學(xué)指標(biāo)

2 模型建立

所建基坑模型與實(shí)際工程一致，排樁的長(zhǎng)度為21.9,m，樁頂冠梁寬1,000,mm，高為700,mm．考慮到基坑開挖對(duì)周邊建(構(gòu))筑物的影響，排樁的四周各取60,m(相當(dāng)于開挖深度的5.26倍)寬、30,m深的土體．

對(duì)本工程來(lái)說(shuō)，基坑開挖分為三個(gè)工況：工況一，開挖至支撐位置；工況二，支撐的澆筑與養(yǎng)護(hù)；工況三，開挖至基坑底部．

模擬基坑的土體、排樁均采用8節(jié)點(diǎn)縮減積分實(shí)體單元(C38,DR)；支撐環(huán)梁采用梁?jiǎn)卧?B31)．模型的底部約束三個(gè)方向的位移，各個(gè)側(cè)面分別約束其單方向的位移．模型土體采用D-P模型，根據(jù)所提供的地質(zhì)勘察報(bào)告，土體采用加權(quán)平均值進(jìn)行合并．模型如圖1所示．

圖1 基坑計(jì)算模型

3 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

在基坑開挖過(guò)程中，排樁的位移是要控制的一個(gè)重要指標(biāo)，其內(nèi)力及變形與嵌固深度、土層分布、排樁直徑、基坑的降水方式以及承壓水作用有直接的關(guān)系．對(duì)于單層支撐單排樁來(lái)說(shuō)，在基坑開挖過(guò)程中，樁身直徑、支撐位置不同，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形也會(huì)不同．

以滿足抗傾覆要求下的嵌固深度為定值，建立800,mm直徑樁，分別采用懸臂開挖和單層環(huán)梁支撐開挖，分析樁在同一種開挖方式以及天津地區(qū)一定土質(zhì)分布條件下，對(duì)其相應(yīng)的安全極限開挖深度進(jìn)行研究．

為了更加準(zhǔn)確地研究變形情況，選取了3條路徑：路徑1，基坑長(zhǎng)邊方向二分之一處；路徑2，基坑長(zhǎng)邊方向四分之一處；路徑3，基坑短邊方向二分之一處．

3.1 懸臂開挖時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形

在擋土結(jié)構(gòu)懸臂階段的數(shù)值模擬計(jì)算，其側(cè)向位移結(jié)果如圖2所示，基坑外側(cè)地表沉降如圖3所示(其中深度方向0代表的是排樁樁頂)．

圖2 懸臂階段擋土結(jié)構(gòu)側(cè)向位移

圖3 懸臂階段基坑外側(cè)地表沉降

由圖2-3分析可以得出：

(1)排樁沿豎向的水平變形呈拋物線狀，且圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移值最大；沿豎向的水平位移隨排樁深度的增加而迅速減?。?/p>

(2)在滿足一級(jí)基坑變形控制值為3,cm的條件下，800,mm樁徑在懸臂開挖時(shí)的安全極限開挖深度為5.5,m，考慮樁下送1.5,m，所以實(shí)際懸臂高度為4.0,m(即當(dāng)懸臂高度為2.8,m時(shí)，最大位移為28.3,mm)．

(3)外側(cè)土體沉降達(dá)到最大位移之后，地面的沉降逐漸減??；從最大值處開始到離基坑邊較近的區(qū)域內(nèi)，土體的沉降值呈迅速變小的趨勢(shì)．

(4)當(dāng)?shù)讓油镣临|(zhì)改變時(shí)，其相應(yīng)的極限開挖深度也會(huì)改變；極限開挖深度隨土質(zhì)的不同相應(yīng)地發(fā)生改變，但變化范圍較?。?/p>

(5)基坑的邊長(zhǎng)越大，其擋土結(jié)構(gòu)的變形也越大，基坑開挖的極限深度越小，但變形趨勢(shì)相同，即基坑的邊長(zhǎng)控制極限開挖深度．

3.2 單層環(huán)梁支撐時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形

通過(guò)懸臂階段數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，結(jié)合工程實(shí)際情況，在開挖深度4.3,m處設(shè)置一道水平支撐體系，形成單支撐，其數(shù)值模擬計(jì)算的側(cè)向位移結(jié)果如圖4所示，基坑外側(cè)地表沉降如圖5所示(其中深度方向0代表的是排樁樁頂)．

圖4 單層支撐階段擋土結(jié)構(gòu)側(cè)向位移

圖5 單層支撐階段基坑外側(cè)地表沉降

由圖4-5分析可以得出：

(1)排樁沿豎向的水平變形呈雙曲弓形，且靠近上端的水平位移比較大；由于環(huán)梁支撐的作用，排樁的位移遞增速度變緩，但是并沒有改變其變形的發(fā)展趨勢(shì)．

(2)800,mm樁徑采用單層支撐的開挖方式時(shí)，支撐位置為冠梁以下2.8,m，水平位移最大值位于開挖深度8,m左右，最大位移為27.2,mm；當(dāng)達(dá)到一級(jí)基坑變形控制值30,mm要求時(shí)，其極限開挖深度為12.5,m．

(3)地表沉降的最大值為9.10,mm，在距離基坑邊緣約7.0,m的位置；沉降值的整體趨勢(shì)表現(xiàn)為隨距基坑邊距離的增大而減小．

(4)當(dāng)?shù)讓油镣临|(zhì)改變時(shí)，其相應(yīng)的極限開挖深度也會(huì)改變，極限開挖深度隨土質(zhì)的不同相應(yīng)地發(fā)生改變，但變化范圍較?。?/p>

(5)離支頂位置越近，變形越小，在跨中處變形最大，但變形趨勢(shì)相同．

4 模擬計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

由于土體的個(gè)體性很強(qiáng)，且各種計(jì)算模型均有局限性，大量的基坑工程的理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比都相差較大．本基坑工程主要進(jìn)行基坑圍護(hù)墻和周邊建筑物的水平位移、沉降等項(xiàng)目的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比．

為保證基坑開挖的順利進(jìn)行，在基坑開挖期間進(jìn)行嚴(yán)密的監(jiān)測(cè)是十分必要的[6]．將圍護(hù)墻頂部的水平位移作為基坑監(jiān)測(cè)的重要組成部分，對(duì)于一級(jí)基坑來(lái)說(shuō)，應(yīng)予以測(cè)量[7]．

4.1 排樁側(cè)移的對(duì)比

在擋土結(jié)構(gòu)懸臂階段和單層支撐階段，其模擬計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)水平位移對(duì)比結(jié)果如圖6所示(其中深度方向0代表的是排樁樁頂)．

圖6 模擬計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)水平位移對(duì)比結(jié)果

由圖6可知：兩個(gè)階段各自的水平位移變形趨勢(shì)大致相同，但數(shù)值不同；懸臂階段模擬最大位移值為26.61,mm，監(jiān)測(cè)最大位移值為16.61,mm，模擬值大于監(jiān)測(cè)值，說(shuō)明土方對(duì)稱開挖，卸荷緩慢，時(shí)效明顯，而模擬計(jì)算沒有考慮開挖進(jìn)展時(shí)效；單層支撐階段模擬最大位移值為27.2,mm，監(jiān)測(cè)最大位移值為29.52,mm，模擬值小于監(jiān)測(cè)值，說(shuō)明模擬計(jì)算的支護(hù)結(jié)構(gòu)空間作用效果明顯．

4.2 周邊地面沉降的對(duì)比

在擋土結(jié)構(gòu)懸臂階段和單層支撐階段，其模擬計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)周邊土體地表沉降對(duì)比結(jié)果如圖7所示．

由圖7可知：兩個(gè)階段各自基坑周邊地表沉降值的變化趨勢(shì)基本一致，但沉降值不同；對(duì)于懸臂階段，模擬值大于監(jiān)測(cè)值，但沉降值都不是很大；對(duì)于單層支撐階段，模擬值與監(jiān)測(cè)值的最大沉降值很接近，整體上模擬值大于監(jiān)測(cè)值；周邊地表的最大沉降發(fā)生在距基坑大約5.0,m處；隨著基坑的開挖，沉降值也越來(lái)越大．

圖7 模擬計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)周邊土體地表沉降對(duì)比結(jié)果

綜上所述，對(duì)于同一階段，支護(hù)結(jié)構(gòu)位移越大，其地表沉降量也越大，基坑開挖過(guò)程是土體卸荷的過(guò)程；對(duì)于不同階段，地表的沉降值與土質(zhì)有關(guān)．在基坑開挖的過(guò)程中，土體變形遵循“時(shí)空效應(yīng)”這一規(guī)律[8]，基坑開挖則遵循“先變形、后支撐”的原則．

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

(1)在滿足支護(hù)結(jié)構(gòu)抗傾覆和一級(jí)基坑變形控制要求的情況下，懸臂式直徑為800,mm樁的極限開挖深度達(dá)5～6,m；設(shè)置單層支撐時(shí)其極限開挖深度可達(dá)12.0～12.5,m．

(2)基坑長(zhǎng)度越長(zhǎng)，其變形越大；支頂層為水平線約束，并不能形成豎向線約束；支頂層下部變形仍符合擋土結(jié)構(gòu)無(wú)約束的雙曲變形特點(diǎn)．

(3)在支頂位置，擋土結(jié)構(gòu)的變形增長(zhǎng)幅度減小，但向基坑內(nèi)的變形方向不改變．

(4)土的疏密程度對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)有一定的影響，支護(hù)能力與土質(zhì)有關(guān)．

(5)數(shù)值模擬分析彌補(bǔ)了現(xiàn)有平面設(shè)計(jì)計(jì)算的不足，該方法為今后設(shè)計(jì)提供了新的設(shè)計(jì)理念．

5.2 建議

(1)在建模時(shí)按照一定的土層進(jìn)行模擬分析，沒有反映出不同土層分布對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，而改變不同土層分布對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定的影響．建議應(yīng)通過(guò)改變不同土層分布來(lái)具體分析．

(2)基坑的設(shè)計(jì)理念是以控制變形為主，而本文主要研究排樁支護(hù)體系豎向變形等方面的因素，并沒有考慮影響基坑安全穩(wěn)定的經(jīng)濟(jì)性等綜合指標(biāo)．

(3)在建模時(shí)只考慮了一種樁徑的情況，不同樁徑的樁樣其極限開挖深度也會(huì)有所不同，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形也不盡相同．今后應(yīng)對(duì)多個(gè)樁徑進(jìn)行分析．

［1］ 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程：JGJ120—2012[S]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012：9-10.

［2］ 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．建筑深基坑工程施工安全技術(shù)規(guī)范：JGJ311—2013[S]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013：14-15.

［3］ 天津市城鄉(xiāng)建設(shè)和交通委員會(huì)．建筑基坑工程技術(shù)規(guī)程：DB29-202—2010[S]. 天津：天津市建設(shè)科技信息中心，2010：37-38.

［4］ 楊曉強(qiáng). 某基坑支護(hù)方案的設(shè)計(jì)優(yōu)化[J]. 山西建筑，2012，38(3)：71-72.

［5］ 秦會(huì)來(lái)，張甲峰，郭院成，等. ABAQUS在計(jì)算基坑開挖變形中的應(yīng)用研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2012(增刊1)：82-86.

［6］ 姚世宏. 排樁及拱圈支護(hù)體系在軟土深基坑中的應(yīng)用研究[D]. 天津：天津大學(xué)，2012：38-39.

［7］ 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范：GB50497—2009[S]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009：7-8.

［8］ 張 磊. 基于FLAC3D對(duì)深基坑空間效應(yīng)的分析[D].太原：太原理工大學(xué)，2011：1-2.

Analysis on the Safety Limit of Simulation Single Row Piles Supporting System

DING Kesheng1，DONG Keqiang1，Yi Shunjian2
(1. School of Civil Engineering，TCU，Tianjin 300384，China；2. Fourth Academy of Engineering，Sixth Design and Research Institute Co.，Ltd，Zhengzhou 450007，China)

Based on the actual engineering situation，the three-dimensional finite element numerical simulation calculation model of the cantilever and single support type single row pile retaining structure are established with the ABAQUS software,meanwhile，the safety excavation depth of single row piles is simulated，and the results are compared with the actual monitoring data. The result shows that the safety limit diameter of cantilever pile 800 mm excavation depth is 5～6 m，and the excavation depth of the safety limit of single pile supported piles is 12.0～12.5 m，the space effect of the supporting structure is fully played，besides,the change of the distribution of basal soil layer has a certain influence on the supporting capacity. The conclusions provide a reference for design and construction of single row piles.

piles；deep excavation；ABAQUS simulation；limit excavation depth；space effect

TU473

A

2095-719X(2016)06-0423-04

2015-11-06；

2016-03-11

丁克勝（1961—），男，天津人，天津城建大學(xué)教授．