排樁框架組合支護(hù)結(jié)構(gòu)在圓形深基坑中的應(yīng)用

張友波

(江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第三地質(zhì)大隊(duì)，江蘇 鎮(zhèn)江 212021)

隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的管線被有規(guī)劃的安置于地下[1-2]。頂管施工作為非開挖技術(shù)，在工程中得到廣泛應(yīng)用?？紤]到線路檢修，一般每隔一段距離就會(huì)設(shè)置一個(gè)豎向工作井[3-4]。工作井常用的支護(hù)形式包括：地下連續(xù)墻、重力式土拱、鉆孔灌注樁等，鉆孔灌注樁與環(huán)梁組成排樁框架式組合支護(hù)結(jié)構(gòu)由于其良好的支護(hù)效果和相對(duì)成熟的施工技術(shù)在鎮(zhèn)江地區(qū)廣泛使用。在設(shè)計(jì)時(shí)，工作井的形狀、大小和深度又根據(jù)其功能的不同往往存在一定差異。圓形工作井[5-6]由于其良好受力特性和較大的空間利用率在工程中得到廣泛應(yīng)用，然而其在設(shè)計(jì)上依然采用傳統(tǒng)平面計(jì)算方法，未能充分考慮圓形支護(hù)結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)，因此有必要對(duì)圓形深基坑的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行深入研究。

理正深基坑是一款常用的深基坑設(shè)計(jì)軟件，計(jì)算時(shí)將圓形基坑簡(jiǎn)化為具有內(nèi)支撐的計(jì)算剖面，其中內(nèi)支撐的計(jì)算剛度和豎向間距按照工程經(jīng)驗(yàn)取值。周建采用該方法對(duì)某泵房圓形深基坑開挖變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了該計(jì)算方法的正確性，但其忽略了內(nèi)支撐剛度及豎向間距取值對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限單元法得到了廣泛應(yīng)用。對(duì)于排樁框架式組合結(jié)構(gòu)，在有限元建模常采用板單元或梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬支護(hù)樁。李志南將咬合灌注樁圓形支護(hù)壁簡(jiǎn)化為圓柱殼模型，對(duì)施工過程中支護(hù)壁的受力情況進(jìn)行了分析，該模型雖然較好的考慮了圓形深基坑的空間拱效應(yīng)，但其并未考慮空間拱效應(yīng)的強(qiáng)弱，忽略了樁與樁之間是否有效傳力的問題；張家國(guó)采用梁?jiǎn)卧M支護(hù)樁，建立了三維分析模型，并將模擬結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在一致性，說明了將支護(hù)樁簡(jiǎn)化為梁?jiǎn)卧姆治龇椒ㄔ谏奥咽貙又袑?duì)圓形基坑具有良好的適用性。然而對(duì)于同一工程，分別采用梁?jiǎn)卧桶鍐卧M支護(hù)樁，并對(duì)其計(jì)算結(jié)果差異性進(jìn)行對(duì)比的相關(guān)研究較少。因此，有必要從模型選擇的角度對(duì)圓形深基坑支護(hù)效果進(jìn)行分析。

本文以鎮(zhèn)江市某圓形深基坑工程為背景，利用理正深基坑軟件和MIDAS GTS軟件，分別建立了圓形深基坑的二維計(jì)算模型、梁?jiǎn)卧M支護(hù)樁和板單元模擬支護(hù)樁的三維有限元模型。通過對(duì)3種模型計(jì)算結(jié)果中樁身水平位移、彎矩、剪力以及環(huán)梁支撐軸心應(yīng)力的分析，得出了各個(gè)模型的適用條件，并對(duì)其產(chǎn)生差異的原因進(jìn)行了分析，以期為類似工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

該圓形深基坑為鎮(zhèn)江市某泵房豎井，位于新河西岸路東側(cè)，運(yùn)糧河西側(cè)岸坡(運(yùn)糧河與長(zhǎng)江支流連通)?；右?guī)模：基坑整體呈圓形，豎井外徑18.6m；場(chǎng)地整平標(biāo)高7.45m，坑底設(shè)計(jì)標(biāo)高-17.10m，基坑開挖深度為24.55m。

綜合考慮，本工程采用直徑為1.2m的鉆孔灌注樁+冠梁+5道混凝土環(huán)梁的支護(hù)方案，灌注樁外側(cè)采用雙重高壓旋噴樁設(shè)置止水帷幕，坑底采用4排高壓旋噴樁加固。冠梁截面尺寸為：1400mm×1000mm，設(shè)置標(biāo)高為6.45m；混凝土環(huán)梁1、2截面尺寸為：800mm×1000mm，設(shè)置標(biāo)高分別為2.45m和-1.55m；環(huán)梁3截面尺寸為：800mm×1100mm，設(shè)置標(biāo)高為-5.55m；環(huán)梁4、5的截面尺寸為：900mm×1300mm，設(shè)置標(biāo)高分別為-9.55m和-13.55m。在基坑開挖過程中，為保證基坑支護(hù)安全性，應(yīng)在確定冠梁、環(huán)梁強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求后方可進(jìn)行下一步施工，以保證排樁、環(huán)梁的空間效應(yīng)充分發(fā)揮。

2 分析模型

2.1 平面計(jì)算模型

理正深基坑計(jì)算剖面中，土層參數(shù)按照地勘報(bào)告取值，支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)按設(shè)計(jì)要求取。考慮到圓形基坑中環(huán)梁支撐剛度取值困難的問題，先采用平面分析的方法確定支撐剛度。具體實(shí)施方式如下：①采用同濟(jì)啟明星結(jié)構(gòu)軟件BSC，按照樁間距采用內(nèi)切正多邊形建立對(duì)應(yīng)的分析模型；②輸入對(duì)應(yīng)的環(huán)梁截面尺寸，完成材料定義；③添加100kN的徑向荷載F，完成附加荷載定義；④計(jì)算出環(huán)梁的平均水平位移S，并按照公式：E=F/S計(jì)算出內(nèi)支撐的結(jié)構(gòu)剛度。

2.2 有限元幾何尺寸

該圓形深基坑模型直徑取鉆孔灌注樁軸心直徑20.2m，開挖深度取24.55m，止水帷幕寬度取高壓旋噴樁有效寬度0.9m?？紤]到邊界條件對(duì)模型分析結(jié)果的影響，分析模型計(jì)算寬度取190m（3倍的基坑開挖深度），模型高度取80m，建立對(duì)應(yīng)的分析模型（如圖1）。在模型底部設(shè)置X、Y、Z三個(gè)方向的水平約束，在兩側(cè)分別設(shè)置X、Y方向的水平約束，以模擬土體在地層中的約束情況?？紤]到施工機(jī)械、材料堆場(chǎng)對(duì)基坑的影響，在基坑四周設(shè)置20kPa的豎向施工荷載。

圖1 有限元分析模型

2.3 單元參數(shù)

土體采用摩爾—庫(kù)倫本構(gòu)模型，對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度參數(shù)按照地勘報(bào)告中的固結(jié)快剪參數(shù)取值，泊松比按照工程經(jīng)驗(yàn)取值，彈性模量按照地勘報(bào)告中5倍的壓縮模量取值。對(duì)應(yīng)的土層參數(shù)如表1、表2所示。

表1 土層參數(shù)表

表2 結(jié)構(gòu)單元參數(shù)表

2.4 施工工況

施工工況定義：①激活土體單元，添加邊界條件和自重荷載，位移清零，完成初始應(yīng)力場(chǎng)平衡；②激活樁單元或者板單元，添加樁土界面和施工荷載；③開挖土層至6.45m，激活冠梁；④開挖土層至2.45m，激活第一道支撐；⑤開挖土層至-1.55m，激活第二道支撐；⑥開挖土層至-5.55m，激活第三道支撐；⑦開挖土層至-9.55m，激活第四道支撐；⑧開挖土層至-13.55m，激活第五道支撐；⑨開挖土層至坑底標(biāo)高-17.10m。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 樁身水平位移分析

如圖2所示，樁身的水平位移隨著基坑開挖深度的增加而不斷增大，且在開挖到坑底時(shí)達(dá)到最大值。當(dāng)基坑開挖至-1.5m時(shí)，由于坑頂采用了放坡支護(hù)，因此產(chǎn)生了較大的水平位移；當(dāng)基坑開挖至-5.5m時(shí)，圓形基坑中的冠梁被簡(jiǎn)化為水平支撐，約束了樁頂?shù)乃轿灰?，因而樁頂位移變化較??；隨著基坑不斷開挖，坑外土體產(chǎn)生的側(cè)向土壓力也不斷增加，支護(hù)樁產(chǎn)生的水平位移也越來(lái)越大。當(dāng)開挖至坑底時(shí)，樁身出現(xiàn)了最大的水平位移30.85mm，該位移主要由兩種位移組合而成，一種是基坑開挖過程中累計(jì)傳遞的位移，一種是坑底較大側(cè)向土壓力產(chǎn)生的位移。基坑底部由于被動(dòng)區(qū)土壓力的作用，樁身水平位移逐漸減少，最后在樁底趨于0。

圖2 二維計(jì)算樁身水平位移

如圖3所示，隨著基坑不斷開挖，樁身最大水平位移不斷增加，且其出現(xiàn)位置也不斷下移，當(dāng)開挖至基坑底部時(shí)，樁身在坑底出現(xiàn)最大水平位移。樁身變形的總體趨勢(shì)為：在坑頂?shù)奈灰戚^小，然后水平位移沿著基坑深度方向不斷增加，在坑底達(dá)到最大值，然后又逐漸減小?？傮w趨勢(shì)與二維模擬中樁頂有位移而樁底沒有位移的情況正好相反，分析原因：在三維有限元模擬過程中，第一步放坡開挖，開挖面形成上大下小的圓錐體，具有明顯的空間效應(yīng)，而平面計(jì)算則不可以考慮圓形放坡帶來(lái)的空間效應(yīng)，因此二維計(jì)算的樁頂位移較大而三維計(jì)算中的樁頂位移較小。隨著基坑的不斷開挖，環(huán)梁逐漸施工，支護(hù)樁與環(huán)梁組成了圓形排樁框架支護(hù)結(jié)構(gòu)，圓形排架較好的空間效應(yīng)，提高了開挖面以上支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體剛度，此時(shí)支護(hù)樁的水平位移主要來(lái)源于基坑開挖過程中，樁身產(chǎn)生的累積變形?？拥滓韵?，由于沒有環(huán)梁的水平約束作用，排樁之間沒有形成可靠的圓形空間排架，因此抵抗水平變形的剛度較?。豢拥妆粍?dòng)區(qū)土體變形產(chǎn)生的土壓力雖然可以逐漸抵消主動(dòng)區(qū)土體的側(cè)向土壓力，但其相對(duì)較小的剛度使得樁身仍產(chǎn)生了一定的水平位移，因此在三維模擬中出現(xiàn)了樁頂位移較小而樁底有相對(duì)較大位移的情況。

圖3 梁?jiǎn)卧M支護(hù)樁水平位移

對(duì)比不同工況下的樁身最大水平位移，隨著基坑的不斷開挖，樁身產(chǎn)生的最大水平位移呈線性增加，但其增加的幅值存在差異，對(duì)應(yīng)大小關(guān)系為：二維計(jì)算>梁?jiǎn)卧M支護(hù)樁>板單元模擬支護(hù)樁。對(duì)于完全考慮空間拱效應(yīng)的板單元模擬支護(hù)樁的樁身水平位移較??；采用梁?jiǎn)卧M支護(hù)樁的空間排架結(jié)構(gòu)，其空間拱效應(yīng)介于兩者之間。排樁與環(huán)梁組合形成排樁框架組合結(jié)構(gòu)，具有良好的空間效應(yīng)，但其網(wǎng)格大小又限制了空間拱效應(yīng)的完全發(fā)揮，隨著網(wǎng)格不斷縮小，排樁框架可以簡(jiǎn)化為板單元，更好的傳力路徑和更優(yōu)的結(jié)構(gòu)特性，使得圓形支護(hù)結(jié)構(gòu)的空間拱效應(yīng)得到了充分發(fā)揮，因而板單元模擬支護(hù)樁的空間拱效應(yīng)強(qiáng)于梁?jiǎn)卧M支護(hù)樁的空間拱效應(yīng)。

3.2 環(huán)梁軸力結(jié)果分析

平面計(jì)算中內(nèi)支撐的最大壓應(yīng)力總體是隨著基坑開挖深度的增加而增大，在最后一道支撐開挖時(shí)出現(xiàn)突變。分析原因，前6次開挖過程中，考慮到環(huán)梁的施工，因此都設(shè)置了超挖土層0.5m，開挖深度實(shí)際達(dá)到了4.5m，而在坑底開挖時(shí)，開挖深度僅為3.05m，較大的開挖深度差異使得環(huán)梁支撐受力產(chǎn)生差異，因此，工況8為最不利工況。

通過對(duì)支撐壓應(yīng)力隨基坑開挖深度的增加而變化的趨勢(shì)分析，發(fā)現(xiàn)：基坑開挖會(huì)對(duì)最新施工的支撐n產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，而n-1、n-2道支撐壓應(yīng)力則會(huì)減少，對(duì)于n-3、n-4…道支撐的影響較小。分析原因，理正軟件在進(jìn)行平面計(jì)算時(shí)，充分考慮了樁土之間的變形協(xié)調(diào)，因此下一道支撐的受力會(huì)一定程度上減小上兩道支撐的受力。

如圖4所示，梁?jiǎn)卧M支護(hù)樁的分析模型中，環(huán)梁支撐承受的最大壓應(yīng)力隨著基坑開挖深度的增加而不斷增大，在坑底時(shí)達(dá)到最大壓應(yīng)力9.9MPa。分析原因，隨著基坑深度的增加，樁身承受的側(cè)向土壓力不斷增加，環(huán)梁提供的支反力也更大，因此環(huán)梁承受的軸向壓應(yīng)力也更大。通過對(duì)環(huán)梁壓應(yīng)力變化趨勢(shì)的分析，發(fā)現(xiàn)隨著基坑的開挖，各個(gè)環(huán)梁受力變化趨勢(shì)較小，這與平面計(jì)算的結(jié)果存在差異?？臻g拱效應(yīng)的存在使得樁土變形協(xié)調(diào)關(guān)系與平面分析結(jié)果存在差異，空間圓拱使得下部支撐對(duì)于上部支撐的影響減小。

圖4 梁?jiǎn)卧M支護(hù)樁環(huán)梁軸心壓應(yīng)力

由圖5可知，環(huán)梁受力隨著基坑開挖深度的增加而不斷增大，在坑底開挖時(shí)達(dá)到最大值，且基坑開挖僅對(duì)最新施工的環(huán)梁支撐受力有影響，對(duì)其他支撐受力的影響較小。分析原因：板單元模擬支護(hù)樁充分發(fā)揮了圓形基坑的空間拱效應(yīng)，支護(hù)樁本身較大的抗側(cè)剛度，減少了圓環(huán)支撐的受力，因此環(huán)梁具有較小的軸心壓應(yīng)力?？臻g拱效應(yīng)的充分發(fā)揮，使得板單元水平方向承受了一定的壓應(yīng)力（2.78MPa），因此模型分析時(shí)，應(yīng)充分考慮排樁之間是否可以充分傳力的問題。

圖5 板單元模擬支護(hù)樁環(huán)梁軸心壓應(yīng)力

對(duì)比3種分析模型中環(huán)梁最大壓應(yīng)力大小，發(fā)現(xiàn)其關(guān)系為：梁?jiǎn)卧M支護(hù)樁（9.9MPa）>平面計(jì)算（8.5MPa）>板單元模擬支護(hù)樁(1.8MPa)。因此，建議對(duì)平面單元計(jì)算中的環(huán)梁壓應(yīng)力依據(jù)工程情況予以適當(dāng)?shù)姆糯?，其放大系?shù)應(yīng)控制在1.1～1.2之間。板單元模擬支護(hù)樁中，雖然環(huán)梁具有較小的壓應(yīng)力，但是板單元之間存在一定的壓應(yīng)力，因此，在模型分析時(shí)，應(yīng)充分考慮實(shí)際結(jié)構(gòu)中樁與樁之間是否可以充分傳力的問題。

4 結(jié)論

針對(duì)特定的圓形深基坑工程，采用3種不同的分析方法對(duì)其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行分析和討論，得出以下結(jié)論：

（1）通過分析發(fā)現(xiàn)：排樁框架平面單元計(jì)算的樁身位移、彎矩、剪力>梁?jiǎn)卧M支護(hù)樁>板單元模擬支護(hù)樁的計(jì)算結(jié)果，且其大小之間存在一定線性關(guān)系。建議對(duì)平面計(jì)算的樁身水平位移、彎矩、剪力進(jìn)行折減，對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)為0.45～0.85。

（2）通過對(duì)環(huán)梁支撐軸向應(yīng)力的分析，發(fā)現(xiàn)梁?jiǎn)卧M支護(hù)樁中的內(nèi)支撐環(huán)梁壓應(yīng)力>平面單元計(jì)算>板單元模擬支護(hù)樁的計(jì)算結(jié)果，建議對(duì)采用平面單元計(jì)算的支撐軸向應(yīng)力進(jìn)行增加，對(duì)應(yīng)的增加系數(shù)為1.1～1.2。

（3）板單元模擬支護(hù)樁時(shí)，樁間土體將會(huì)產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力，因此對(duì)于樁間土體可以可靠傳力的情況建議采用板單元模擬效果，對(duì)于樁間土體無(wú)法傳力的情況，建議采用梁?jiǎn)卧M，以保證有限元計(jì)算結(jié)果的可靠性。