双排桩基坑围护结构桩顶边坡优化稳定分析

胡世飞，王安鑫

(中建六局建设发展有限公司 天津300451)

双排桩基坑围护结构桩顶边坡优化稳定分析

胡世飞，王安鑫

(中建六局建设发展有限公司 天津300451)

利用FLAC3D软件对扬州市某项目深基坑围护结构进行数值模拟。分析了基坑边坡优化前后的双排桩桩身位移随深度的变化曲线，验证了双排桩结构的可靠性；分析了不同三轴搅拌桩强度下坡面最大水平位移值的变化趋势，获取了三轴搅拌桩的最小允许强度；分析了不同土体参数对边坡变形的影响，提出了土体强度不满足设计优化要求时的解决方法。

基坑 边坡优化 双排桩 位移 应力 数值模拟

0 引 言

双排桩作为一种有效的基坑支护形式，由于其侧向刚度大、结构形式简单、基坑内作业空间宽阔、基坑围护深度比一般悬臂结构深，深受工程技术人员的青睐。[1]但是，目前由于对双排桩的作用机理及受理特征还不是完全清楚，双排桩的设计理论还不成熟，主要依靠工程经验进行设计，[2-3]设计完成后如果对局部进行合理优化仍需进一步探讨。

本文主要以扬州市某城市综合体项目深基坑工程“浅层放坡＋双钻孔灌注桩排桩＋三轴水泥土搅拌桩”围护体系为研究背景，采用FLAC3D数值模拟方法分析该项目双排桩及外侧的三轴搅拌桩的受力状态，研究其变形规律，分析基坑边坡优化后基坑围护结构的稳定性。

1 工程概况和数值模型

本工程位于江苏省扬州市，场地总体呈长方形，长约310,m，宽约200,m，场地周边距离建筑物较远，东侧有110,kV的电缆沟需要保护。基坑普遍开挖深度约为11.00,m，基坑总面积7.50万m2，土方开挖量较大。基坑南、东北三侧采用“浅层放坡＋双排钻孔灌注桩排桩＋三轴水泥土搅拌桩止水帷幕”的围护形式，西侧采用三级放坡。其中原设计方案基坑南侧东侧及北侧均采用自然地面以1∶1分放坡至标高-4.40,m，设置双排灌注桩支护，灌注桩采用C35混凝土，桩径为800,mm，桩间距离为1,600,mm，前后排排距为2,400,mm，顶部设1,000,mm×800,mm压顶梁，压顶梁由900,mm×800,mm连梁连接，压顶梁及连梁混凝土强度均为C30，桩外侧设置宽为4.0,m的平台。双排桩外设置直径850,mm、间距600,mm的三轴水泥土搅拌桩作为止水帷幕，止水帷幕强度大于1,MPa，地下水位位移地面以下-4.5,m，对浅层放坡部位无较大影响。西侧采用三级放坡开挖支护，并用钢筋网片+C15细石混凝土(8,cm厚)护坡。本工程基坑安全等级为二级，重要性系数1.0，具体见图1。

图1 基坑围护结构平面布置图Fig.1 Pit supporting structure layout

场地地貌分区为长江三角洲平原区，地貌类型为微凸的高沙平原。场地原为农田和村庄，地势较为平坦。根据地基岩土的组成、特性及埋藏条件，并结合工程特点，场地地基岩土体可分为10个大层、1个亚层，其中1～9层土为全新统地层(Q4)，10层为白垩纪上统浦口组地层(K2P)。其中与围护结构设计相关土层参数详见表1。

表1 土层土体物理力学指标Tab.1 Soil physical and mechanical indexes

由于基坑面积较大，原设计方案中基坑边坡距建筑红线距离不满足施工场地要求，为此本工程针对原设计方案进行了浅层放坡的优化设计。应用FLAC3D进行数值模拟，模型中土体采用Mohr-Coulomb模型，双排桩及冠梁、连梁均采用弹性模型建模，由于本基坑内外均设置了降水井，不考虑地下水的渗流作用。为了计算简便以及建模方便，双排桩及冠梁均采用软件中结构单元模拟。将三轴搅拌桩止水帷幕等效成为地下连续墙的方法如下：

设三轴搅拌桩的直径为D，桩的净距为t，则单根桩等价为(D＋t)长度的地下连续墙，通过抗弯刚度相等的原则(D＋t)h3/12＝πD4/64，可得等价后的地下连续墙的折算厚度。基坑外坡顶施加15,kPa的均布荷载，根据工程实际情况取基坑南侧围护结构建模，基坑优化前后剖面如图2所示。

图2 基坑优化前后剖面图Fig.2 Excavation section view before and after the optimization

2 优化方案前后基坑稳定性分析

考虑到施工阶段基坑周边施工道路过于狭窄难以保证施工需要，对双排围护桩桩顶的浅层放坡坡度进行优化设计，坡度由原来的1∶1变更为1∶0.5，坡顶向基坑推进2,m，坡顶施工道路由原来的4,m增加到6,m宽，其他设计条件不变，剖面图见图2(b)。

依据原设计方案结合现场实际情况本工程基坑开挖分为4个工况，获取原设计方案每个工况下基坑土体的变形云图(见图3～5)。

图3 工况1，基坑变形云图Fig.3 Deformation nephogram under Condition 1

图4 工况2，基坑变形云图Fig.4 Deformation nephogram under Condition 2

图5 工况3，基坑变形云图Fig.5 Deformation nephogram under Condition 3

图6 工况4，基坑变形云图Fig.6 Deformation nephogram under Condition 4

图7 桩身位移随深度变化曲线Fig.7Curves of pile displacement with depth variation

由图3～7可知：随着土方的开挖，基坑整体位移不断增加，并在基坑最终开挖完成后达到稳定；原设计方案基坑浅层放坡坡顶最大位移值从第一步开挖的1.73,mm逐渐增加，基坑开挖完成以后浅层放坡坡顶最大位移值稳定在7.53,mm，满足规范(GB,50497—2009)要求；随着基坑的开挖，浅层放坡坡顶的水平位移值增速逐渐放缓，并最终趋于稳定；原设计方案随着开挖的进行围护桩桩顶最大位移值逐渐增加，最终稳定值为18.63,mm，满足规范(GB,50497—2009)要求；基坑优化后随着开挖的进行，围护桩桩顶最大位移值逐渐增加，最终稳定值为23.42,mm，满足规范(GB 50497—2009)要求；围护桩水平位移值随着深度的增加逐渐减小，桩底位移值趋近于零；基坑浅层放坡优化前后围护桩位移变化规律基本一致，整体上前排桩水平位移大于后排桩；优化前后桩顶位移均满足设计要求，双排桩支护结构在控制基坑及结构变形方面效果显著。

3 浅层放坡优化前后稳定性分析

根据以上分析，双排桩围护结构的位移值和整体稳定性完全满足基坑边坡优化后的要求。针对优化前后的边坡方案对浅层放坡的稳定性做进一步分析。

依据优化后的设计图(见图2b)可知对基坑边坡进行优化后基坑坡顶正好位于止水帷幕顶端。根据设计要求，止水帷幕的设计强度不低于1,MPa。

通过浅层放坡部位考虑止水帷幕对边坡的加固作用及不考虑加固作用两种工况的计算分析，得到止水帷幕对优化后边坡稳定性的重要作用。

浅层放坡部位水平方向的位移变形如图8所示：

图8 不考虑止水帷幕作用水平方向位移云图Fig.8 Horizontal displacement reprogram without water curtain

图9 止水帷幕作用下水平方向位移图Fig.9 Horizontal displacement reprogram with water curtain

由图8、9可知：当不考虑止水帷幕的支护作用时，随着基坑开挖的进行，浅层放坡部位坡面的位移值不断增加，并最终超过限制，造成边坡滑移破坏；当考虑止水帷幕强度(最低为1,MPa)时，随着基坑开挖的进行，边坡土体发生向基坑内的位移变形，当开挖结束后位移值终稳定在38.41,mm(不考虑护坡结构)时，满足设计要求；通过图8、9的对比可知，基坑坡顶的止水帷幕对优化后的边坡稳定性起到了有效的加固作用；保证浅层放坡部位三轴水泥土搅拌桩的强度有助于提高边坡的整体稳定性。

通过模型塑性区，可以观察潜在破坏区域的范围，判断岩土塑性流动的发生，软件中塑性区标示不同的颜色显示剪切破坏(shear-n)和拉伸破坏(tensionn)。浅层放坡部位塑性区如图10、11：

图10 不考虑止水帷幕作用边坡塑性区云图Fig.10 The plastic zone of slope contours without water curtain

图11 止水帷幕作用下边坡塑性区云图Fig.11 The plastic zone of slope contours with water curtain

考虑水泥土强度下开挖过程中支护桩坡顶部位止水帷幕水平位移云图如图12。

图12 止水帷幕水平方向位移云图Fig.12Water stop curtain horizontal displacement nephogram

由图10～12可知：从图10中可以明显看到塑性贯通区域即潜在滑动面，说明这一区域已经出现明显滑动，即发生了剪切滑移破坏；本文所示的工程条件下，不考虑止水帷幕的强度时，边坡稳定性无法满足；从图11中可以明显看出，由于止水帷幕的存在，基坑边坡的塑性区域未发生贯通，数值模拟中未发生大的剪切滑移变形，基坑稳定性得到保证；图12显示了止水帷幕的水平位移值，接近坡顶的位置水平位移较大，通过该水平位移值进一步证明了边坡优化过程中止水帷幕对边坡的支护作用；通常情况下，传统的边坡设计计算往往忽略止水帷幕的强度，导致边坡的优化设计方案在专业计算软件中无法通过验算。

工程优化设计完成后，边坡使用时间为18个月，位移值及稳定性均满足要求。

4 坡后搅拌桩强度对边坡稳定影响分析

4.1 不同搅拌桩强度对边坡稳定性的影响

通过改变搅拌桩的力学性质来分析不同止水帷幕强度对浅层放坡边坡位移值的影响。改变三轴搅拌桩的弹性模量，分析浅层放坡的坡面位移值，得到图13所示曲线。

图13 不同帷幕强度下坡面水平位移Fig.13 The surface horizontal displacement under different curtain downhill intensities

随着止水帷幕强度的增加，边坡坡面的位移值呈指数形式逐渐减小；随着止水帷幕强度的增加对边坡水平位移的增速越来越小，当止水帷幕强度大于2.5,MPa时，边坡的水平位移值基本保持不变；通过曲线可知，止水帷幕的强度应大于0.6,MPa。

4.2 不同岩土地质状况搅拌桩对边坡稳定性的影响

通过改变计算模型中的土体的力学性质，分析不同的岩土性质下，搅拌桩止水帷幕对浅层放坡部位边坡水平位移的影响。三轴搅拌桩强度选取1,MPa。

对于土体来说，内粘聚力、内摩擦角以及弹性模量为影响土体强度的主要指标，通过改变以上3个主要指标得到不同地质状况下搅拌桩止水帷幕对边坡稳定性的影响曲线如图14～16。

图14 不同土体内摩擦角的坡面最大水平位移Fig.14 The different angles of internal friction of soilslope maximum horizontal displacement

图15 不同土体内粘聚力坡面最大水平位移Fig.15 Different soil cohesive forces of the maximum horizontal displacement of the slope

图16 不同土体弹性模量坡面最大水平位移Fig.16Different soil moduli maximum horizontal displacement of the slope

当浅层放坡部位土体的内摩擦角、内粘聚力以及弹性模量逐渐增加时，该部位坡面的最大水平位移均呈现减小的趋势；其他条件不变，土体的内摩擦角控制在16 °以上可以保证边坡水平位移值满足要求；其他条件不变，当土体内粘聚力为15,kPa以上时，可以保证边坡坡面稳定，不出现超规范变形；随着土体内粘聚力的逐渐增大，超过15,kPa时，坡面最大水平位移值呈现微弱的增长趋势，可能与坡面周边土体内部的拉力有关；其他条件不变，土体的弹性模量大于3,MPa，坡面的最大水平位移可以满足要求。

5 结 语

根据对扬州市某项目深基坑工程双排桩围护结构浅层放坡部位的数值模拟分析，得到以下结论：双排桩围护结构在浅层放坡部位优化前后其桩身水平位移值均可满足规范要求，前后排桩的水平位移变化趋势基本一致，双排桩支护结构在控制基坑及结构变形效果方面十分显著；当施工场地条件受限，需要对双排桩基坑围护结构顶部浅层放坡部位进行坡度优化时，可以根据现场实际情况，将三轴搅拌桩止水帷幕设置在坡顶部位用以加固坡后土体，提高浅层放坡部位的稳定性；随着三轴搅拌桩强度的增加，浅层放坡部位的水平位移值逐渐减小，稳定性逐渐增加。对于边坡有需要优化的部位，三轴搅拌桩的强度应该根据工程实际进行测算，保证满足土体加固要求，本工程地质状况下三轴搅拌桩强度至少应大于0.6,MPa；当三轴搅拌桩的强度一定时(通常大于1,MPa)，通过增加土体的弹性模量、内摩擦角以及内粘聚力，边坡坡面的水平位移值均呈现减小的趋势。在工程地质不良的地区如果需要优化边坡，可以适当考虑在施工前对部分土体进行预加固或者提前换填强夯等方式以保证开挖部位边坡的稳定。■

［1］ 周鹏华，黄晓程. 双排桩受力变形规律及影响因素有限元分析[J]. 施工技术，2015(11)：96-100.

［2］ 李立军. 双排桩支护结构的数值分析与现场试验研究[D]. 太原：太原理工大学，2013.

［3］ 樊继良，任彦华，吴永红，等. 基坑工程中双排灌注桩支护结构的有限元模拟及分析[J]. 天津建设科技，2013(1)：16-19.

Top Slope of Double-row Piles Retaining Structure Pile: Optimization and Stability Analysis

HU Shifei，WANG Anxin
(China Construction Sixth Division Construction & Development Co.，Ltd.，Tianjin 300451，China)

FLAC3Dwas used to analyze a deep foundation pit retaining structure in Yangzhou city . The curves of doublerow pile displacement changing with depth before and after the optimization were analyzed to verify the reliability of the structure with double-row piles. The change tendency of the maximum slope face horizontal displacement under different intensities of three-axis mixing pile was analyzed to obtain the minimum allowable strength of three-shaft stirring pile; the influence of different parameters of soil on the slope deformation was analyzed and solutions for soil strength which does not satisfy the demands were put forward.

foundation excavation；slope optimization；double-row piles；displacement；stress；numerical simulation

TU753

：A

：1006-8945(2016)10-0025-05

2016-09-09