雙排樁結(jié)合錨桿復(fù)合結(jié)構(gòu)在軟土深基坑中的應(yīng)用分析

江 濤

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350001)

引 言

雙排樁作為一種新型的支護(hù)形式，具有側(cè)向剛度大、場地適應(yīng)強(qiáng)、無需設(shè)置支撐、方便土方開挖和縮短工期等優(yōu)點(diǎn)，近年來在基坑工程中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在超大基坑不宜設(shè)置支撐的情況下，雙排樁支護(hù)具有較大的優(yōu)勢[1－6]。在軟土地區(qū)，特別是對開挖深度超過8m的深基坑，常規(guī)的純雙排樁雖然在控制變形方面較單排懸臂樁已有較大改善，但總體來說還是偏大，為此可結(jié)合錨桿進(jìn)行變形控制。

本文以莆田3.8萬㎡超大深基坑為例，提出了雙排樁結(jié)合擴(kuò)孔錨桿的設(shè)計(jì)方案，并運(yùn)用PLAXIS有限元軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬，將計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，為類似基坑工程的設(shè)計(jì)和施工提供一些參考。

1 工程概況

莆田左岸藍(lán)灣工程位于莆田市荔城區(qū)。場地南側(cè)為東圳東路，道路紅線距地下室外墻約25m;西側(cè)為西洪路，道路紅線距地下室外墻約9～13m;東側(cè)為一條小溪，地下室外墻距小溪距離約18～25m;北側(cè)為空地。本工程設(shè)二層地下室，基坑工程開挖面積約為38000㎡，支護(hù)結(jié)構(gòu)總周長約為830m。

本工程±0.000相當(dāng)于黃海標(biāo)高9.150m。場地的南側(cè)和西側(cè)為已建道路，路面標(biāo)高約為黃海標(biāo)高7.000m。東側(cè)和北側(cè)地勢較低，地面黃海標(biāo)高約為4.600m。基坑開挖深度約為5.900～10.500m?；悠矫娌贾脠D如(圖1)所示。

圖1 基坑平面布置圖

基坑開挖深度范圍內(nèi)存在較厚的軟土層，主要土層如下:①雜填土，松散，厚1.20～3.30m;②粉質(zhì)粘土，軟～可塑，厚0.70～2.50m;③淤泥，流塑，厚6.90～10.10m;④卵石，稍密 ～中密，厚3.60～7.60m;⑤殘積砂質(zhì)粘性土，可～硬塑，厚1.70～4.80m;⑥全風(fēng)化花崗巖，厚1.60～7.30;⑦砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，厚2.40～14.50m。

2 支護(hù)結(jié)構(gòu)選型和設(shè)計(jì)

由于基坑面積較大，如果采用灌注樁加內(nèi)支撐的支護(hù)形式，會(huì)影響基坑土方開挖和地下室的施工，耽誤工期，而且造價(jià)較高。且東、北側(cè)與西、南側(cè)地面標(biāo)高相差2.4m，不利于支撐的布置。綜合考慮周邊環(huán)境和開挖深度以及經(jīng)濟(jì)性，對基坑的不同位置采取不同的支護(hù)形式。其中基坑南側(cè)和西南角開挖最深，為10.5m，采用雙排樁結(jié)合擴(kuò)孔錨桿支護(hù)形式。雙排樁結(jié)合擴(kuò)孔錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)的布置形式如(圖2、圖3)所示。

圍護(hù)樁采用Φ800mm的沖(鉆)孔灌注樁，前排樁中心距為1.2m，圍護(hù)樁之間采用Φ600mm高壓旋噴樁擋土止水。后排樁中心距為2.4m，前后排距為4m。冠梁尺寸為1200×800mm，連梁尺寸為600×800mm，間距為2.4m。冠梁面以上3m土層采用放坡卸載，冠梁面以下3.8m處設(shè)置一排擴(kuò)孔錨桿，錨桿采用高壓旋噴樁成孔，錨固體直徑350mm，錨桿長22m，間距為1.2m。錨固段長度17m，位于淤泥中，采用二次注漿工藝施工。

圖2 雙排樁結(jié)構(gòu)平面圖

圖3 雙排樁結(jié)構(gòu)剖面圖

3 數(shù)值計(jì)算與分析

3.1 有限元計(jì)算模型

為了分析基坑開挖時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形情況，本文采用PLAXIS有限元軟件對C3－1測斜孔對應(yīng)的剖面進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬工況按照施工方案進(jìn)行。數(shù)值計(jì)算模型采用二維平面應(yīng)變模型，圍護(hù)樁和連梁采用梁單元模擬，土體采用15節(jié)點(diǎn)二階三角形單元模擬，錨桿自由段采用桿單元模擬，錨固段采用土工格柵單元模擬。模型寬度為60m，高度為50m。有限元計(jì)算模型如(圖4)所示。

圖4 有限元計(jì)算模型

3.2 計(jì)算參數(shù)

土體本構(gòu)模型采用摩爾—庫倫模型，計(jì)算參數(shù)詳見(表1)。圍護(hù)樁和連梁采用線彈性模型，E=3×107kPa;v=0.2，錨桿錨固段軸向剛度取 EA=1×105kN/m，錨桿自由段軸向剛度取EA=2×105kN。

表1 土體計(jì)算參數(shù)

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1 水平位移分析

基坑開挖到底時(shí)，土體水平位移云圖如(圖5)所示。土體最大水平位移為46.06mm，位于前排樁樁頂位置。

(圖6)為圍護(hù)樁深層水平位移計(jì)算曲線，從圖中可以看出，變形曲線呈開口的趨勢，樁頂附近變形最大，沿著樁身逐漸減小，在樁頂下4m范圍內(nèi)減小的幅度較小，再往下減小的幅度加大，這表明雙排樁受到錨桿的錨拉作用較為明顯。

圖5 開挖至基坑底時(shí)土體水平位移云圖

3.3.2 與雙排樁比較分析

圖6 前排樁深層水平位移曲線

為了對比，同時(shí)對雙排樁不加錨桿的方案進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。由(圖7)可知，由于開挖深度較深，且淤泥層較厚，如不設(shè)置錨桿，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形較大，最大水平位移位于樁頂附近，為111.4mm，增大了約1.4倍，大大超過設(shè)計(jì)預(yù)警值及規(guī)范要求，將對周邊的環(huán)境和道路造成破壞，不滿足支護(hù)設(shè)計(jì)的要求。而在樁身增設(shè)錨桿以后，由于錨桿的錨拉作用，樁身水平位移大大減小。在樁身彎矩方面，單純雙排樁的最大正彎矩約858.4 kN·m/m，增設(shè)一道錨桿以后，由于前排樁受到錨桿水平集中力的影響，彎矩出現(xiàn)反彎曲，彎矩值也大為減小，最大正彎矩約為535.6kN·m/m，減小了約38%，如(圖8)所示。通過對比可以看出，雙排樁－錨桿是由雙排樁和錨桿組合而成的超靜定結(jié)構(gòu)，側(cè)向剛度較大，具有樁錨和雙排樁結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，在外荷載的作用下能夠自動(dòng)調(diào)整自身的內(nèi)力，且可以有效地減小支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形。

圖7 雙排樁結(jié)合錨桿與雙排樁水平位移對比曲線

4 監(jiān)測結(jié)果與分析

圖8 雙排樁結(jié)合錨桿與雙排樁彎矩對比圖

由于本基坑開挖較深，且淤泥層較厚，為保證開挖的順利進(jìn)行，確保周邊道路和地下管線的安全，必須采用信息化施工，因此對基坑進(jìn)行了圍護(hù)樁深層水平位移和坡頂變形以及道路沉降監(jiān)測，且貫穿整個(gè)施工過程。其中南側(cè)雙排樁位置在樁身埋設(shè)了9根測斜管，監(jiān)測點(diǎn)布置圖如(圖1)所示，監(jiān)測結(jié)果如(表2)所示。

表2 圍護(hù)樁深層水平位移監(jiān)測值

從監(jiān)測結(jié)果來看，最大水平位移都位于樁頂附近，圍護(hù)樁深層水平位移曲線呈開口趨勢，其中前排樁的位移大于后排樁。(圖6)為C3－1測點(diǎn)的實(shí)測曲線與計(jì)算值對比圖，可以看出，實(shí)測值與計(jì)算值變形趨勢較為一致，計(jì)算值較實(shí)測值稍小，說明采用有限元軟件PLAXIS進(jìn)行數(shù)值分析是可靠的。

5 結(jié)論及建議

通過對該工程的數(shù)值計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出了如下的一些結(jié)論:

(1)數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)較為吻合，變形規(guī)律也較為一致，說明采用PLAXIS有限元軟件對雙排樁結(jié)合錨桿復(fù)合結(jié)構(gòu)的開挖模擬是可靠的。

(2)實(shí)測數(shù)據(jù)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果均表明，雙排樁結(jié)合錨桿復(fù)合結(jié)構(gòu)的最大水平位移仍發(fā)生在樁頂，變形曲線呈開口趨勢。在同一深度，前排樁的水平位移要大于后排樁的水平位移。

(3)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，該基坑工程是安全的。在超大軟土深基坑，采用雙排樁結(jié)合錨桿是一種可行的支護(hù)形式。

(4)雙排樁在增設(shè)錨桿以后，不僅改善了支護(hù)樁的受力，而且變形也大為減小。

(5)由于雙排樁加錨桿共同作用的受力機(jī)理較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)計(jì)算方法還不夠成熟，在實(shí)際工程中可通過數(shù)值模擬進(jìn)行輔助分析，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場監(jiān)測工作，以確保工程安全。

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