安全防護(hù)下沿海地區(qū)淤泥質(zhì)軟土深基坑開挖施工方法

楊仲洪，田巧玲

(中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450000)

隨著城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，城市用地越來越緊張，這導(dǎo)致城市建筑愈加密集、建筑愈來愈高，從而越來越多的深基坑工程不斷涌現(xiàn)?；映尸F(xiàn)出面積增大、深度加深的趨勢，導(dǎo)致基坑工程的難度越來越大。由于建筑物數(shù)量不斷增多，規(guī)模越來越大，因此，只有在保證基坑工程安全的前提下對高層建筑的地下建筑物車庫、人防，以及地鐵交通工程進(jìn)行施工。

沿海地區(qū)地層往往有被稱為開挖禁區(qū)的淤泥質(zhì)軟土，其強(qiáng)度低、含水量大的特點(diǎn)給深基坑工程的難度更加一層。因此越來越多的支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，雙排樁便是其一。雙排樁支護(hù)是沿基坑側(cè)壁排列設(shè)置的由前、后兩排支護(hù)樁和梁連接成的剛架及冠梁組成的支擋結(jié)構(gòu)。雙排樁支護(hù)施工速度較快、施工方便、自身剛度大，因此對沿海地區(qū)淤泥質(zhì)軟土深基坑起到很好的支護(hù)效果。李立軍[1]用三維有限元軟件對雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的深基坑工程進(jìn)行數(shù)值模擬，通過建立精確的三維數(shù)值模型對整個施工過程進(jìn)行模擬，研究了雙排樁的作用機(jī)制和基坑的變形規(guī)律，著重研究了雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)中圈梁空間效應(yīng)。楊德健等[2]通過有限元軟件建立三維數(shù)值模型對深基坑過程進(jìn)行全過程模擬。以雙排樁的樁身變形和樁身彎矩為指標(biāo)，對雙排樁的樁身直徑、雙排樁的樁身長度和雙排樁的排距進(jìn)行影響因素分析，從而對雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。楊建斌等[3]利用數(shù)值模擬手段，對某深基坑工程的施工過程進(jìn)行模擬。通過對基坑的變形分析，研究了雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的機(jī)理。并以樁身位移和樁身內(nèi)力為指標(biāo)，對雙排樁的重要影響參數(shù)進(jìn)行分析，著重對深基坑開挖雙排樁支護(hù)系統(tǒng)性狀進(jìn)行分析。申永江等[4]同樣依托某深基坑工程，建立深基坑施工三維數(shù)值模型，對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行精確化模擬，研究了雙排樁樁頂連接方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為類似的深基坑工程提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。國外眾多學(xué)者也對雙排樁支護(hù)的深基坑工程進(jìn)行了一系列的研究，并取得了很好的成果。但由于淤泥質(zhì)土的復(fù)雜性，關(guān)于沿海地區(qū)淤泥質(zhì)軟土深基坑工程的研究相對較少。因此，本文基于沿海地區(qū)淤泥質(zhì)軟土深基坑工程，通過數(shù)值模擬進(jìn)行研究，能為之后相關(guān)工程提供參照。

1 工程概況

擬建的某商業(yè)用房包括辦公用房、酒店、會展中心、汽車博物館、地下室及室外配套工程等，總用地面積約為14 400 m2，基坑面積為10 899 m2，基坑的開挖深度約12.2 m，采用雙排樁支護(hù)。樁距d=700 mm，樁長16 m。該沿海地區(qū)的土層信息如表 1 所示，從表中可以觀察到該地區(qū)土質(zhì)狀況不佳。場地土地下水：潛水位為地表以下2 m。

表1 土層參數(shù)

2 三維數(shù)值模型

2.1 PLAXIS 3D軟件簡介

Plaxis3D是由荷蘭PLAXIS B.V.公司開發(fā)的一款專門用于巖土及結(jié)構(gòu)作用分析的數(shù)值分析軟件。相比于ANSYS、ABAQUS等大型通用軟件，其優(yōu)點(diǎn)是Plaxis3D僅針對巖土領(lǐng)域進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，具有更強(qiáng)的專業(yè)性，具有豐富的土體本構(gòu)模塊和實(shí)操性。其缺點(diǎn)是軟件過于單一，不能解決不同領(lǐng)域的綜合數(shù)值分析求解，如該軟件無法進(jìn)行如熱學(xué)、力學(xué)、電磁學(xué)、流體及動力學(xué)等多場耦合分析。軟件誕生的初衷是為了開發(fā)一款便于工程實(shí)操、簡單易上手的數(shù)值分析程序，來解決本地特殊軟土給工程開展帶來的相關(guān)問題，依此來減少人工計(jì)算的繁瑣工序和人為簡化得到的結(jié)果誤差。該程序在巖土相關(guān)細(xì)分領(lǐng)域，如：建筑地基與基礎(chǔ)工程、基坑及邊坡工程、地下管隧工程、礦山工程、公路路基、水利水電工程、地質(zhì)與水文工程等巖土領(lǐng)域有所涉及。

相比于金屬、混凝土等相對均質(zhì)材料，土的力學(xué)行為要復(fù)雜更多，這是由于土體是固、液、氣組成的復(fù)雜三相材料。反應(yīng)土體力學(xué)行為的本構(gòu)模型繁多，不同的本構(gòu)模型有著不同的適用范圍和適用條件。例如在壓縮彈性階段的土體力學(xué)行為可以通過簡單的胡克定律得以表現(xiàn)；摩爾庫倫模型作為極限平衡狀態(tài)強(qiáng)度判別準(zhǔn)則，對土體應(yīng)力路徑無法得以表達(dá)；修正劍橋模型可以反映正常固結(jié)土的體積剪縮特性和超固結(jié)土的體積剪脹特性。諸如修正劍橋模型等高階本構(gòu)模型固然能夠?qū)⑾鄳?yīng)類型的土體力學(xué)行為得以更為精確的表述，但復(fù)雜高階本構(gòu)模型所需測試參數(shù)繁多。對于一般工程應(yīng)用領(lǐng)域來說，更為看重項(xiàng)目時間成本、經(jīng)濟(jì)性，對于大多巖土工程項(xiàng)目一般以安全系數(shù)法作為項(xiàng)目安全性評判依據(jù)。

2.2 幾何模型

根據(jù)研究區(qū)勘察資料，以勘察鉆孔ZL01～ZL08的8口鉆孔揭露地層為依托建立計(jì)算模型，該模型的寬100 m(Y)、長200 m(X)、高度50 m(Z)。對X、Y方向設(shè)置水平向的約束，對z方向的底部設(shè)置固定約束。圖1為模型整體網(wǎng)格劃分圖。模型整體尺寸為基坑支護(hù)采用雙排樁支護(hù)。

圖1 模型整體網(wǎng)格劃分圖

2.3 HSS模型

在HS模型的基礎(chǔ)上，Benz考慮應(yīng)變歷史的同時修正了Hardin-Drnevich模型，提出了一種能反應(yīng)土體在小應(yīng)變范圍內(nèi)應(yīng)變與剪切剛度的非線性彈性關(guān)系的本構(gòu)模型，即HSS模型。HSS模型不僅包含所有HS模型的特性，還能更好的反應(yīng)土體在小應(yīng)變范圍內(nèi)的特性，土體在小應(yīng)變狀態(tài)下剪切模量隨應(yīng)變增大而衰減的特點(diǎn)，同時還能考慮應(yīng)力路徑相關(guān)性，非常適合于軟土地基中隧道分部開挖的變形特性。PLAXIS 3D AE中，HS模型有11參數(shù)：有效黏聚力c′、有效內(nèi)摩擦角φ′、剪脹角ψ′、三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)的參考割線模量Eref 50、固結(jié)試驗(yàn)的參考割線模量Eref oed、與模量應(yīng)水平相關(guān)的冪指數(shù)m(統(tǒng)一取0.8)、三軸固結(jié)卸載再加載試驗(yàn)的參考卸載再加載模量Eref ur、泊松比vur(統(tǒng)一取0.2)、參考應(yīng)力pref(統(tǒng)一取100 kPa)、破壞比Rf、正常固結(jié)條件下靜止側(cè)壓力系數(shù)K0。HSS模型在HS模型基礎(chǔ)上多了兩個小應(yīng)變參數(shù)Gref 0和γ0.7。Gref 0為初始小應(yīng)變模量，γ0.7為剪切應(yīng)變水平。參考王衛(wèi)東等[6]對上海地區(qū)HSS模型參數(shù)的取值方法，本文確定了適合于沿海地區(qū)HSS模型參數(shù)。具體取值見表2。

表2 HHS模型中土層參數(shù)

支護(hù)結(jié)構(gòu)取值參數(shù)取值如表3。

表3 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 數(shù)值結(jié)果分析

本部分首先研究前排樁樁長對深基坑支護(hù)效果的影響?？刂齐p排樁樁徑和雙排樁樁距不變，改變前排樁樁長，樁長范圍7.5～19.5 m，每隔1.5 m模擬一次，共9種工況。雙排樁前后排樁身變形隨著雙排樁前樁樁身長度的變化規(guī)律如圖2所示。圖中可以看出，當(dāng)雙排樁前樁長度為7.5 m時，雙排樁前后排樁變形一樣為17.8 mm。雙排樁整體變形隨著前排樁樁身長度的增長先減小后增大。可以明顯看出，前排樁樁身變形始終大于后排樁樁身變形。圖中還能看出，前排樁樁長控制在15 m內(nèi)，增大樁長可以很好的控制基坑變形。

圖2 樁身位移隨前排樁樁長變化曲線

本部分首先研究后排樁樁長對深基坑支護(hù)效果的影響?？刂齐p排樁樁徑和雙排樁樁距不變，改變后排樁樁長，樁長范圍同樣為7.5～19.5 m，每隔1.5 m模擬一次，共9種工況。雙排樁前后排樁身變形隨著雙排樁后樁樁身長度的變化規(guī)律如圖3所示。圖中可以看出，當(dāng)雙排樁后樁長度為7.5 m時，雙排樁前后排樁變形一樣為17.6 mm。雙排樁整體變形隨著后排樁樁身長度的先迅速減小隨后緩慢較小。如圖3所示，前排樁樁身變形同樣始終大于后排樁樁身變形。

圖3 樁身位移隨后排樁樁長變化曲線

為了研究雙排樁排距對基坑變形的控制效果。本部分模型控制雙排樁樁徑和雙排樁樁長不變，改變雙排樁排距，排距范圍為2～12 d，每隔2 d模擬一次，共6種工況(d為雙排樁樁徑)。雙排樁樁身位移隨排距變化規(guī)律如圖4所示。如圖4所示，前排樁樁身變形同樣始終大于后排樁樁身變形，這是因?yàn)楹笈艠镀鸬搅俗銐虻睦^作用。深基坑變形隨著雙排樁排距增大首先快速減小隨后緩慢減小。當(dāng)雙排樁排距超過6 d時，這種控制變形的效果愈來愈小。綜上所示，本工程最合適的排距為4～6 d。

圖4 雙排樁樁身位移隨排距變化曲線

4 結(jié)語

本文結(jié)合沿海地區(qū)淤泥質(zhì)軟土深基坑開挖工程，通過有限元軟件Plaxis 3D對整個深基坑的施工過程進(jìn)行模擬。以基坑變形為指標(biāo)，研究了支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。主要結(jié)論如下：

(1)當(dāng)雙排樁前樁長度為7.5 m時，雙排樁前后排樁變形一樣為17.8 mm。雙排樁整體變形隨著前排樁樁身長度的增長先減小后增大?？梢悦黠@看出，前排樁樁身變形始終大于后排樁樁身變形。圖中還能看出，前排樁樁長控制在15 m內(nèi)，增大樁長可以很好的控制基坑變形。

(2)當(dāng)雙排樁前樁長度為7.5 m時，雙排樁前后排樁變形一樣為17.6 mm。雙排樁整體變形隨著后排樁樁身長度的先迅速減小隨后緩慢較小。如圖3所示，前排樁樁身變形同樣始終大于后排樁樁身變形。

(3)前排樁樁身變形同樣始終大于后排樁樁身變形，這是因?yàn)楹笈艠镀鸬搅俗銐虻睦^作用。深基坑變形隨著雙排樁排距增大首先快速減小隨后緩慢減小。當(dāng)雙排樁排距超過6 d時，這種控制變形的效果愈來愈小。綜上所示，本工程最合適的排距為4～6 d。