裝配式可回收雙排樁支護結構的開挖支護分析

郭成超， 朱傳鑫

(1.鄭州大學 水利科學與工程學院，河南 鄭州 450001； 2.水利與交通基礎設施安全防護河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450001； 3.重大基礎設施檢測修復技術國家地方聯(lián)合工程實驗室，河南 鄭州 450001)

0 引言

隨著中國社會的蓬勃發(fā)展，城市化發(fā)展步伐越來越快，快速的城市化進程使得城市人口飽和、城市交通及空間擁擠等問題越發(fā)明顯。在有限的空間建設高層建筑和地下結構等措施可以有效地緩解這些問題，因此對基坑工程的需求日益增加，尤其是在人口密集區(qū)。與此同時，這對深基坑支護工作提出了更高的要求，如嚴格控制基坑變形，以免影響周圍地面建筑以及地下其他設施。

雙排樁支護結構是利用前、后兩排平行的混凝土灌注樁以及連梁構成的空間門架式結構支撐體系，這種結構具有較大的側向剛度，可以有效地限制結構的側向變形[1]。傳統(tǒng)的深基坑支護方法有地下連續(xù)墻支護、懸臂式支護、混凝土灌注樁支護以及拉錨式支護結構等。懸臂式支護主要是使用錨桿和支撐體系組成的支護結構，這種方式入土深度較深，安全和穩(wěn)固性較好；地下連續(xù)墻由混凝土材料構成，自重較大，抗彎和防側傾能力較好；混凝土灌注樁是土建施工中最普遍的支護形式，先進行鉆孔然后再澆筑混凝土而成，其中排樁支護結構就是在基坑周圍設置單排或者雙排的樁孔灌注樁，用來抵抗基坑周圍土壓力的一種支護方法[2-4]。

在深基坑支護工程中，傳統(tǒng)的雙排樁支護結構是由現澆的鋼筋混凝土結構組成，現澆節(jié)點不會產生松動而增加墻體位移，具有較大的穩(wěn)定性，而且在基坑內部不用布設對撐、角撐等，對基坑內的施工空間有極大的改善，尤其對一些有特殊要求的基坑，具有極大的優(yōu)勢[5-7]。

雙排樁支護結構作為新型的空間支護結構，國內有很多學者進行了研究[8-10]。許勝才等[11]利用有限元模型將特殊雙排樁和一般雙排樁進行了對比，得出一般雙排樁的支護結構體系的支護能力要優(yōu)于特殊雙排樁；張虎元等[12]建立了雙排樁的有限元分析模型，分析了雙排樁支護結構在黃土基坑中排距和樁體的強度對樁身的位移及彎矩的影響；王軍等[13]利用ANSYS有限元程序，分析了雙排樁的排距對樁身彎矩、水平位移以及兩側的土壓力分布的影響。但傳統(tǒng)的雙排樁支護結構有著不可避免的劣勢，比如混凝土支撐自重大、材料不能重復使用，安裝和拆除需要較長工期等。由于混凝土支撐從鋼筋、模板、澆搗至養(yǎng)護的整個施工過程需要較長的時間，因此不能做到隨挖隨撐，這對控制墻體變形是不利的，對于大型基坑的下部支撐采用鋼筋混凝土時應特別慎重。本文提出了一種新型裝配式可回收的雙排樁支護結構，不同于傳統(tǒng)的混凝土雙排樁支護形式，樁體之間采用支護面板而不是采用鋼筋網片或者噴射混凝土等方式以防止土體失穩(wěn)，裝配式可回收的雙排樁支護結構能夠在具有較好的抗變形能力的前提下，還能夠對支護體系進行回收、安裝和拆除，過程方便且高效，對工程的造價有大幅度的降低，而且在開挖基坑前可進行預制，開挖過程中進行隨挖隨支，能夠有效地減緩土體應力。同時本文利用ABAQUS有限元軟件模擬基坑開挖的全過程以及鋼構雙排樁支護體系的支護能力，分析了不同開挖步下排樁、連梁的應力和變形的變化規(guī)律。

1 工程概況

1.1 場地條件

該工程是鄭州市某城中村改造項目，如圖1所示。南邊線距離用地紅線6.0 m，距離用地紅線外10. 0 m為6～7層住宅樓，東邊線距離用地紅線8.0 m，距離用地紅線外10.0 m為6～7層住宅樓，西邊線距離用地紅線3.0 m，距離用地紅線外約25.0 m為河、湖泊。本文針對C區(qū)中34層住宅樓(2#樓)進行了基坑內土層開挖模擬。

圖1 項目平面圖Figure 1 Project floor plan

1.2 工程水文條件

根據巖土工程勘測報告，實測初見水位埋深在地面下5.9～7.9 m，穩(wěn)定水位埋深在地面下6.5～8.7 m，絕對標高為84.42～85.70 m。近3～5 a的最高水位絕對標高約為88.50 m，場地地下水水位埋深較淺，在場地內應用標準貫入試驗對地面進行液化判別，最終判定為在7度地震條件下本場地第4、6層為可液化土層，液化等級為輕微。同時場地土層根據建筑抗震設計規(guī)范說明土體各層承載力特征值fa>80 kPa，可不考慮軟土震陷的影響。基坑開挖影響范圍內的土層為Q4地層，表層為約3.5 m雜填土，其下為黃河沖積形成的褐黃色粉土、粉質黏土和砂土層。相關的參數取加權平均值，其數值如表1所示。

表1 土層材料參數Table 1 Soil material parameters

2 工程地質條件

2.1 模型建立的假設條件

(1)考慮空間對基坑的影響，按三維空間建立模型。

(2)雙排樁、橫梁和冠梁均為剛性連接，且嵌入到土層里。

(3)考慮樁間土的擠出效應[14]。

(4)地下水對支護結構存在一定的影響，本文不考慮地下水對支護結構的影響。

2.2 有限元模型

模型尺寸為70 m×70 m×60 m(長×寬×高)，基坑開挖12 m，開挖面積為30 m×30 m，模型的簡易示意圖如圖2所示。

排樁、冠梁、連梁均采用5 cm厚的方形截面箱梁，鋼面板采用3 mm厚的Q235鋼板，土體采用Mohr-Culomb土體本構模型，同時作為強度準則。排樁、鋼面板和冠梁均采用線彈性模型，土體采用三維實體八節(jié)點減縮積分單元(C3D8R),并對沙漏進行控制。結構中的樁體、冠梁、橫梁等利用線性Timoshenko梁單元(B31)進行模擬計算，支護面板采用四結點曲殼單元(S4R)將物理性質相近的各土層進行合并。

基坑支護體系的各組成結構如圖2所示，根據王軍等[13]在雙排樁支護結構的有限元分析和研究，確定支護結構模型的深度影響范圍。根據《建筑基坑支護技術規(guī)程》[15]要求，選取合適的樁長，排距為樁徑的3d(d為方樁橫截面的長度)。排樁沿基坑四周布設，數量為80根，排樁樁距設為1.5 m，排距為1.8 m，排樁的嵌固深度為16 m。在基坑等高度方向上設置鋼面板80道，每道鋼面板之間以及鋼面板和樁體之間均采用固定約束的方式模擬焊接[16],支護結構材料參數如表2所示。

表2 支護結構材料參數Table 2 Support structure material parameters

圖2 三維雙排樁支護體系結構Figure 2 Three-dimensional double-row pile support system structure

2.3 接觸和邊界條件

在有限元分析中，鋼面板與土體、土體與排樁、排樁與冠梁、冠梁與鋼面板之間采用Coulomb接觸模型描述其相互作用[14]，具體表現如表3所示。

表3 結構接觸參數表Table 3 Structural contact parameter table

樁體采用嵌入的方法描述其與土體的接觸作用；而排樁和冠梁、冠梁和支護面板采用綁定作用模擬焊接或螺栓連接。

本文建模過程中涉及大量的接觸對，支護結構存在1 920塊鋼結構面板，面板的上下以及左右均設置有接觸對模擬焊接。在邊界條件的設置上，本文采取在平衡地應力的分析步中、土體四周設置約束水平方向的位移分量，模型的底部設置約束豎向方向的位移分量，而在地應力分析步以后的一般分析步中、周圍土體和底部均設置約束3個方向的位移分量，從而在一定程度上減小基坑開挖面土體發(fā)生回彈和周圍土體向基坑內部方向發(fā)生移動。

2.4 基坑支護結構開挖過程的建立

建立三維的數值分析模型，設置不同的分析步，具體步驟如表4所示。

表4 非降水三維開挖工況分析步設置Table 4 Non-precipitation three-dimensional excavation condition analysis step setting

3 結果分析

3.1 支護體系穩(wěn)定性分析

利用有限元軟件進行模擬土體開挖計算，觀察支護樁體的變形特征，因為在施工過程中，支護樁的變形大小直接影響整個支護系統(tǒng)的穩(wěn)定性，支護樁的性能至關重要。同時，掌握支護樁體的變形，能夠給施工過程提供很好的建議，控制好雙排樁的施工進度。

對模型計算結果進行處理，圖3(a)代表基坑開挖完成各樁體的Mises應力云圖，圖3(b)代表基坑開挖完成各樁體上的位移云圖。Mises應力云圖中拉伸為正，壓縮為負；在位移云圖中，正值代表X軸正向，負值代表X軸反向。

圖3 樁體結構云圖Figure 3 Cloud diagram of pile structure

在圖3云圖中，可以看出支護樁體的Mises應力表示為拉伸狀態(tài)，從樁體本身來看，樁體的下部呈現藍色，其應力最小，樁體的上部主要呈現綠色，其應力比底部要大。樁體應力最大值出現在紅色區(qū)域，其值在168 MPa附近。圖3(b)中顯示了樁體沿一個方向上的位移變化，顯示了樁體位移變化的范圍，樁體最小位移在7 mm附近，樁體的最大位移在45 mm附近。

圖4和圖5表示前排中心樁體的變形和應力在基坑開挖過程中產生的變化趨勢。圖4表示了樁身結構在開挖過程中的位移變形，水平位移的正值代表了樁體向基坑外側方向變形，水平位移的負值代表著樁體向基坑內側方向變形。圖5表示了樁身結構在開挖過程中Mises應力的變化規(guī)律。

圖4 前排樁水平位移圖Figure 4 Horizontal displacement diagram of front-row piles

圖5 前排樁Mises應力圖Figure 5 Mises stress diagram of front-row piles

在圖4中，觀察樁體的水平位移的變化趨勢，可以了解到隨著基坑開挖深度的加深，樁體的最大位移不斷向下移動。在第1次開挖中，開挖深度2 m，位移最大值發(fā)生在10 m左右；在第2次開挖中，基坑開挖深度達到4 m，其樁身上位移變形最大值發(fā)生在樁頂以下13 m附近；在之后的開挖分析步中，樁身變形最大處依次向下部移動。在最后一步開挖結束后，亦即第6次開挖結束，可以得到樁身的最大位移處發(fā)生在樁底附近，且最大位移值約為50 mm。可知鋼構雙排樁的最大位移值隨著開挖的深度一直向下移動，并且最大位移處發(fā)生在基坑開挖面以下，樁的下部產生的位移同樣受到基坑底部向上隆起的影響，應力的重分布導致土壓力發(fā)生變化，影響樁體的變形。

在圖5中，可以看出樁體的Mises應力的狀態(tài)，在樁體的下部，其Mises應力產生小幅度的波動且逐漸趨于穩(wěn)定。樁頂位置的應力由于連梁的作用，在不同的開挖深度下，呈現不同的應力值，樁身整體的應力呈現先增大后減小逐步趨于穩(wěn)定的變化趨勢。隨著基坑不斷開挖，樁身上的Mises應力峰值則逐漸加大。同時，分析圖形可以知道，樁體應力的變化有著一定的相似性,在基坑開挖達到12 m以后，沿著樁體深度向下，應力達到峰值30 MPa，隨后，樁體的應力逐漸減小，從峰值到樁體的底端，應力逐步趨于穩(wěn)定。同時在樁體的底部位置，應力產生小的突變，這是因為在設置模型邊界條件上，為了在一定深度上模擬樁體深埋在土體中，將樁底的3個方向的位移條件設置為零，固定在土體一定位置深度中，外部設置導致內力的突變，所以樁底的應力產生突變，與整體的變化趨勢不同。

3.2 支護結構連梁的分析

圖6和圖7表示支護系統(tǒng)中連梁結構在每一個開挖分析步結束以后的變形和受力情況，共6個開挖分析步。每一個開挖分析步代表基坑開挖深度2 m，同時完成對基坑支護結構面板的安裝。圖6中分析對象為圖3中Y方向的中部位置連梁，研究其在開挖過程中X方向的變形。

圖6 連梁軸向變形圖Figure 6 Axial deformation diagram of connecting beam

圖7 連梁Mises應力圖Figure 7 Mises stress diagram of connecting beam

在圖6中，隨著前3個開挖步的進行，連梁的軸向變形逐漸變大，且呈現負值，說明連梁在此期間向基坑的內部方向變形。在進行第4個開挖步期間，也即是開挖深度6 m以后，軸向變形發(fā)生變化，這種原因是土體的屬性發(fā)生變化，在此開挖深度層是雜填土和粉土的交界面，內力發(fā)生變化，致使結構的變形趨勢發(fā)生變化。圖7顯示為連梁的Mises應力的變化情況，由圖7可知，連梁的前半段和后半段數據變化不一致，在第3個開挖步以后，連梁的前半段變化逐漸變緩，而連梁的后半段變化幅度變大，這和連梁發(fā)生反向拉伸變形相關，拉力逐漸向后傳遞，后排樁逐漸承受部分前排樁傳遞來的土壓力，使前排樁的受力逐漸穩(wěn)定，從而突出了連梁的重要性。

4 結論

(1)因為模型模擬開挖尺寸較大，比較貼合實際開挖支護的情況，可以為實際的基坑工程提供一些指導性建議，而且模擬了基坑開挖支護的全過程，在一定程度上說明了支護結構的變化規(guī)律。

(2)本文分析了支護樁身在開挖過程中其受到的Mises應力和變形情況，計算其不同位置上的應力和變形值，研究了樁體和連梁結構在開挖過程中的變形規(guī)律?？芍獦扼w在受力后應力發(fā)生最大值處位于樁身的中部。

(3)裝配式可回收的新型基坑支護形式的受力不同于混凝土灌注雙排樁的結構受力，具有中間變形大，上部和下部變形小的特點。裝配式可回收的雙排樁支護結構使用周期結束后，由于其材料屬于鋼結構，可以在一定程度上進行回收利用，能夠降低成本，具有較好的發(fā)展前景。