城市经济迅速发展，超高层建筑越来越多，鉴于地下商城、地下停车场等地下空间的开发和利用，深基坑工程愈发普遍。深基坑工程作为一种临时地下工程，安全储备小、制约因素多，其开挖、支护不仅要保证自身安全，更要确保周边环境稳定[1～2]。软土地区深基坑支护、施工等难题的关键在于基坑变形特性的把握[3]。基坑稳定性受多种因素的影响，例如围护桩插入比、桩身锚索长度、腰梁尺寸、横支撑的数量等等。其中，围护桩是临时结构，并且基坑施工完成后不能回收利用，所以围护桩的长度、尺寸及混凝土型号，对基坑造价由很大影响，并且对基坑侧壁稳定性的影响也是至关重要的。

 

　　文章针对济南特殊软土地层，利用数值模拟手段，分析了围护桩不同插入比及不同混凝土等级工况下支护结构变形规律，提出了具体优化措施，指导了工程施工。

 

　　1工程背景

 

　　济南某超高层建筑基坑开挖范围166.4m×102.5m；基底相对标高-20.3m，钻探60m深度范围内揭露地层主要以杂填土、粉土、粉质粘土、中砂层、粉质粘土为主。基坑开挖范围内土体结构性差，土体软弱，地层参数如表1所示。接坑建设场地为未开发的农耕用地，周围无建筑无和构筑物及地下管线。基坑采用桩锚支护直墙开挖的支护形式，桩的形状为方桩，边长1000mm，相邻桩净距1000mm，并在桩顶设置锁口冠梁。

 

　　表1土层物理力学参数

 

　　2数值模拟

 

　　2.1计算模型

 

　　基坑开挖的过程中，会对周围岩土体造成扰动，其范围取决于基坑平面形状、深度及地层条件，为满足计算精度要求[4～5]，确定数值模型尺寸定为80m（X）×60m（Y）×60m（Z），共计312400个单元，268640个节点。依据地质勘查资料将模型概化分成6层，初步计算参数按表1确定。模型顶部基坑开挖范围之外考虑施工机械走动，布置竖向均布荷载30kPa，模型四周边界条件为铰支约束，底部为固定约束。假设材料均服从摩尔-库伦破坏准则[6]，围护桩采用实体单元，冠梁采用Beam单元，锚索采用Cable单元，所建立的数值计算模型如图2示。

 

　　图13D数值模型

 

　　2.2施工模拟

 

　　按照基坑开挖设计方案，分以下几步开挖：第一步：模型在自重应力下达到平衡后，清零竖向位移及水平位移；第二步：按设计位置打设长宽均为1000mm、间距1000mm的方形预制桩；第三步：施做桩端冠梁；第四步：以一米为循环进尺深度开挖至基坑设计标线，并在设计位置施工基坑横向支撑。

 

　　3维护桩插入比分析

 

　　基坑开挖后侧壁土体的稳定性主要借助于维护桩的围挡作用及锚索的锚固作用将下滑推力传递到稳定地层。插入比是维护桩嵌固深度的直接体现，为研究不同嵌固深度对围护结构水平位移的影响，在原设计条件不变下，取插入比为0.7、0.9、1.1、1.3、等四种工况下围护桩的水平位移及基坑侧壁的位移变化情况。

 

　　四种情况模拟，桩体水平位移结果如图4，不同插入比下围护结构最大水平位移（Xmax）及发生位置（h）见表2。

 

　　图2不同插入比时桩身水平位移图

 

　　由图2可知，在四种不同插入比情况下，桩身的水平位移总体规律相似，都呈现“中凸形”，且随着插入比增大，桩体最大水平位移减小，最大水平位移位置上移。插入比为0.7时，桩体最大水平位移为19.9mm，明显大于插入比为0.9、1.1、1.3时桩体最大水平位移，这是因为桩体最终水平位移主要由桩体转动位移和挠曲变形组成，当刚度一致时，桩体挠曲变形基本相同，而插入比较小时，桩体转动位移较大；随着插入比增大为0.9、1.1、1.3时，最大水平位移量减小较小，最大水平位移位置变化比较小，这是因为随着插入比增加，桩体前后土压力差减小并趋近于零，转动位移逐渐减小，再增加插入比对减小桩体水平位移效果不明显，同时不利于桩体充分发挥作用。

 

　　表2桩体最大位移和位置变化量

 

　　由表2可知，插入比由0.7增加至0.9时，桩身最大水平位移变化量最大，达到32.7%，而插入比在0.9～1.3之间变化时，水平位移变化量较小。围护桩的水平位移与基坑侧壁的稳定性有直接关系，当围护桩水平位移较小时，可有效限制基坑侧壁的移动，提高了基坑侧壁的稳定性。因此有上述结论可知，为了提高基坑侧壁的稳定性，不能盲目增加围护桩的插入比，要根据造价和实际位移监测确定合理的插入比。

 

　　4围护桩刚度因素分析

 

　　在设计中，围护桩尺寸一定及配筋一定时，不同混凝土等级对围护桩的刚度有很大影响，图3为围护桩在混凝土等级分别为C30、C50、C60、C80时桩身水平位移变化曲线。

 

　　图3不同混凝土等级下桩身水平位移曲线

 

　　由图3可知，不同桩身混凝土等级下桩身水平位移曲线形状相似，也是呈现“中凸形”的变化规律。当混凝土等级为C30时，桩身的水平位移最大，达15.4mm。当混凝土等级分别增加到C50、C60、C80时，桩身最大水平位移为14.02mm、12.90mm、12.06mm。水平位移最大差值仅为3.34mm，说明桩身混凝土等级为C60时已有效限制水平位移。因为单方面的提高混凝土等级只能有限的增加桩身刚度，要综合提高桩身的强度，应同时提高桩身的钢筋等级，并且两者因按照某一因素进行匹配，才能最大程度地提高桩身刚度。

 

　　基坑侧壁与围护桩之间通过相互作用力传递侧向荷载，因此当围护桩水平位移较小时，可承担较大的基坑侧土压力，控制基坑侧壁应力释放，有效提高基坑侧壁稳定性。所以，当围护桩刚度增加至C60时，基坑侧壁可以得到有效控制。

 

　　5结论

 

　　结合济南特殊软土地层，利用数值模拟手段，分析了围护桩不同插入比及刚度下，桩身的水平位移规律，分析了桩身水平位移最大位置，并研究了围护桩与基坑侧壁土体的相互关系，得出了一些有益的规律。

 

　　（1）插入比减小到0.7、0.9时，桩体转动位移较大；插入比增加到1.3时，由于桩体前后土压力差减小并趋近于零而对减小桩体水平位移效果不明显，同时不利于桩体充分发挥作用，因此宜选取插入比为1.1；

 

　　（2）混凝土等级增加至C60时，桩身水平位移增加量明显减少，说明在桩身尺寸及钢筋等级一定情况下，混凝土等级为C60时，能较好控制基坑侧壁土体位移。

 

　　参考文献

 

　　[1] 刘建航，侯学渊.基坑工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1997.

 

　　[2] 王显星，包旭范，高强.上海铁路南站大型基坑工程施工对周边环境影响[J].岩石力学与工程学报，2005，24（增2）：5454-5458.

 

　　[3] 李磊，段宝福.地铁车站深基坑工程的监控量测与数值模拟[J].岩石力学与工程学报，2013，32（增1）：2684-2691.

 

　　[4] 王丹，张海波，王渭明，秦志斌，孙捷城.拱盖法地铁车站施工沉降规律及控制对策研究[J].隧道建设，2015，01：33-40.

 

　　[5] 王渭明，王丹，秦志斌，孙捷城.碎裂岩体浅埋大跨车站拱盖法临时支撑拆除稳定性分析[J].煤炭技术，2015，03：39-42.

 

　　[6] 王渭明，王丹，宗永宏.松软破碎岩层斜井破坏机理与变形控制研究[J].煤炭技术，2015，05：37-40.