岩 土 工 程 学 报 14 号 工程占地面积 53 m 地下室周长约 15 m 拟建地上 4 层 地下 3 层 设计基坑开挖深度 m 工程场区东侧地下室外墙距船坞码头约 35 m 基坑南侧距海岸大坝最近约 m 西侧距畅海园两幢 住宅楼约 11.9 m 西北角距污水泵站最近约 6.

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1 第 34 卷增刊岩土工程学报 Vol.34 Supp. 1 年.11 月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Nov. 1 土岩组合地层加锚双排桩基坑支护结构数值分析 刘红军 1, 1,, 翟桂林, 郑建国 (1. 海洋环境与生态教育部重点实验室, 中国海洋大学, 山东青岛 661;. 中国海洋大学环境科学与工程学院, 山东青岛 661) 摘 要 : 为丰富加锚双排桩支护在土岩二元结构地区设计与施工中的经验, 以青岛某典型基坑工程为背景, 应用平面 应变有限元法对桩体位移和弯矩变化进行数值模拟, 选择桩体刚度 排距和嵌岩深度三个主要的影响因素进行分析, 并对比现场监测资料 结果表明, 加锚双排桩具有较大的侧向刚度, 能较好地控制基坑工程的变形 本文研究可以为 今后类似的支护结构设计提供借鉴 关键词 : 土岩组合地层 ; 双排桩 ; 基坑变形 ; 有限元 中图分类号 :TU473 文献标识码 :A 文章编号 :1 4548(1)S 13 5 作者简介 : 刘红军 (66 ), 男, 江苏靖江人, 中国海洋大学教授, 博导, 主要从事环境岩土工程的教学科研工作 Numerical analysis of supporting structures of anchored double-row piles for excavations in strata of soil-rock dualistic structure LIU Hong-jun 1,, ZHAI Gui-lin 1, ZHENG Jian-guo 1, (1. Key Lab of Marine Environmental Science and Ecology, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 661, China;. College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 661, China) Abstract: In order to gather the design and construction experience for anchored double-row piles in strata of soil-rock dualistic structure, a typical project in Qingdao is used as the case to study the variation of displacement and bending moment of piles by means of the plane strain FEM. The three factors of row distance, rigidity of piles and depth of embedded piles are analyzed. The computed results are compared with the in-situ monitoring data. It shows that such anchored double-row piles have more lateral stiffness and can limit the deformation of the excavation. This research will serve as a theoretical reference for similar projects in future. Key words: soil-rock dualistic structure; double-row pile; excavation deformation; finite element method 引言 城市建设快速发展, 土地资源紧缺, 高层超高层 建筑大规模出现 建筑的高度逐渐增加, 同时, 基坑 也在向更深的方向发展 在深基坑支护工程中, 某些 由于特殊的场地条件及周围环境, 基坑的变形控制和 土体稳定性要求比较严格, 因此, 合理地选择基坑支 护方案非常重要 双排桩支护结构是一种空间组合类 悬臂支护结构, 它可以理解为将密集的单排桩中的部 分桩后移, 并在桩顶用刚性冠梁将前后排桩连接起 来, 形成双排支护的空间结构 这种支护体系具有侧 向刚度大 不需架设支撑 挖土方便 施工速度快等 优点, 在基坑开挖深度不大时比较适合, 这种支护结 构的计算方法和性状已取得一些进展 [1], 同时带撑式 双排桩作为一种深基坑支护结构也已经成功应用于实 际工程中 [-3] [4], 刘红军等研究分析了双排吊脚桩桩 锚支护的可行性, 并对桩体位移及内力进行了分析, 聂庆科 [5] [6] 林鹏等分析了在软土基坑工程中双排桩 支护结构上的土压力及变形特点, 但在土岩二元组合 地层中对双排桩支护结构的研究并不多 本文针对一双排桩结合单道锚杆支护基坑的工程 实例, 采用平面应变有限元软件 Plaxis, 分析了双排 桩结合单道锚杆支护基坑的侧向变形和支护体系的内 力变化规律, 为以后此类支护方案的设计与施工提供 依据 1 工程位置与工程地质概况 青岛奥运 31 号东西地块位于青岛市燕儿岛路 1 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (41716); 博士点基金资助 项目 (113111) 收稿日期 :1 8 1

2 岩 土 工 程 学 报 14 号 工程占地面积 53 m 地下室周长约 15 m 拟建地上 4 层 地下 3 层 设计基坑开挖深度 m 工程场区东侧地下室外墙距船坞码头约 35 m 基坑南侧距海岸大坝最近约 m 西侧距畅海园两幢 住宅楼约 11.9 m 西北角距污水泵站最近约 6.8 m 北侧四号线道路和场地中间奥林匹克大道管线密布 十分复杂 图 1 为基坑的平面布置图 1 年 注桩结合一道扩大头锚杆的支护型式 由于地下水位 较高 故将锚杆设在冠梁位置 地下水位以上 支护 方案如图 所示 图 基坑典型支护剖面 Fig. Typical section of bracings for excavation 图 1 基坑平面布置图 Fig. 1 Plan view of excavation 本工程场地地形平缓 整体自北向南缓降 地面 标高约 m 场区第四系厚度约 16 5 m 第四系由全新统人工填土层 海相 海相沼泽化沉积 层 上更新统沼泽化沉积层及洪冲积层构成 场区基 岩为燕山晚期花岗岩及后期呈脉状产出的细粒花岗岩 及煌斑岩岩脉 基岩面较平缓 总体上自北向南 自 东向西缓倾 岩土层的物理力学性质见表 1 Table 1 Physical and mechanical parameters of soils and rocks 层厚 /m 素填土 中砂 细砂 粗砂 粉砂 砾砂 风化岩 4 8 重度 -3 /(kn m ) 固结快剪 c/kpa /( ) 弹模 E /MPa 地下水类型主要为第四系孔隙潜水 主要含水层 为第①层填土层 第④层含有机质粉细砂层 第⑧层 粗砾砂层 第⑧1 层含有机质细砂及第⑫层含黏性土角 砾层 主要接受大气降水补给 场区地下水与海水有 一定的水力联系 地下水稳定水位埋深约 3 4 m 表 1 场区主要岩土层的物理力学指标 土层 名称 支护桩采用 1 mm 桩径灌注桩 设计嵌入基岩 1. m 以上 桩距 m 排距 3.8 m 外包尺寸 用 1 mm 旋喷桩止水 入岩深度不少于.5 m 锚杆 水平间距 m 共布设一排 由于该工程距海边较近 水位较高 锚杆施工涌砂冒水现象比较严重 故本工 程设计采用扩大头锚杆工艺 顶部和第三层地下室放 坡 放坡土层用简单的土钉支护 土钉分别布设两排 上层土钉钉长 6 mm 倾角 1 间距 15 mm 下层土钉钉长 6 mm 倾角 15 间距 15 mm 有限元模型建立 基本假设 采用 Plaxis 模拟基坑开挖变形 为简化计算 对 有限元模型建立作如下假设 ①基坑开挖采用平面应 变模型 ②围护结构及支撑锚杆视为弹性受力状态 围护桩体用无厚度弹性板单元模拟 ③桩体施工及开 挖引起的土体应力改变不予考虑[7] 3. 有限元模拟 取靠近畅海园一侧为计算对象 该侧开挖 15.7 m 取建模边界宽度 1 m 深度 4 m 模型的两竖直边 界采用水平向约束 下边界为全约束 土体用 15 节点 三角形单元模拟 有限元模型见图 3 基坑支护 根据场地的工程地质条件以及周边的环境条件 考虑基坑离海较近 地下水与海水存在水力联系 而 且锚杆成孔易产生流砂现象 本工程采用双排钻孔灌 图 3 几何模型及网格剖分图 Fig. 3 FEM model of typical section

3 增刊刘红军, 等. 土岩组合地层加锚双排桩基坑支护结构数值分析 15 土体的本构关系采用莫尔 库伦模型, 为计算方 便, 桩体结构等效为连续墙结构 根据设计方案, 围 护桩每延米等效刚度为 EA 5 EI 7 1 ( kn m /m ) 3.3 施工过程模拟 ( kn/m ), 基坑内土体开挖模拟分为 5 个施工步 第 1 施工 步是灌注桩施工 ; 第 施工步是放坡开挖第一层土体 并施工土钉喷射护面 ; 第 3 施工步是连梁及预应力锚 杆施工 ; 第 4 施工步是开挖前两层地下室 ; 第 5 施工 步是放坡开挖第三层地下室并施工土钉喷射护面 3.4 计算结果及分析 (1) 计算结果与实测值对比 为保证周边地下管线 马路以及建筑物的安全, 在基坑周边布置了沉降观测点, 同时设置了围护桩桩 顶水平位移监测, 测点布置见图 1, 畅海园两幢住宅 楼共设置 8 个沉降观测点, 基坑西侧围护桩共设置 5 个桩顶水平位移监测点 监测数据见表, 模拟的基 坑周边地表沉降及桩身水平位移曲线如图 4,5 所示 表 实测数据 Table Measured data 点号桩顶水平位移 /cm 点号最大沉降量 /cm SP1.3 CJ SP 1.9 CJ7.5 SP3.9 SP4.11 SP5.6 由图 4 可见, 随着距基坑开挖面距离增大, 地表 沉降先增大后减小, 最后影响很小, 地表沉降大的地 方正是测点布设的位置,CJ7 和 CJ68 分别距基坑开 挖面 1.1 m 和 8.3 m, 计算值为.36 cm 和 1.5 cm, 与实测值相差.14 cm -.13 cm, 相差不大 ; 由图 5 可以看出, 前后排桩的水平位移变化趋势基本相同, 计算值比较接近, 因为连梁刚度比较大, 所以前后排 桩桩顶的位移非常接近 桩顶变形的计算值为.4 cm,5 个监测点实测值与计算值的最大差值为.34 cm; 在误差允许范围内, 可见计算的准确度比较高, 说明对该工程实例来说, 设计参数是合理的 () 桩体刚度的影响 取 5 EI 7 1 (kn m /m) 为参考值, 分别取.5EI EI EI 3EI 4EI 5EI 作为算例进行计算分 析, 其他设计参数保持不变, 计算结果如图 6,7 所示 图 6 前排桩与后排桩水平位移 Fig. 6 Horizontal displacement of front and rear piles 图 4 周边地表沉降 Fig. 4 Ground settlement 图 5 桩体水平位移 Fig. 5 Horizontal displacement of piles 图 7 前排桩与后排桩弯矩 Fig. 7 Bending moment of front and rear piles 前后排桩位移的变化趋势基本相同, 随着刚度增大, 桩体水平位移总体呈减小趋势, 但影响不大 ; 前后排桩的弯矩随着刚度的增大而逐渐增大, 但增大的幅度越来越缓慢, 刚度从.5EI 增加到 6EI, 前后排桩弯矩最大值分别增加 81 (kn m) 68 (kn m), 因此, 刚度对桩体弯矩的影响较大 (3) 排距的影响

4 16 岩土工程学报 1 年 本文算例模型中排距为.6 m, 选取排距为 D D 3D 4D 5D 6D(D 为桩径 ) 作为算例进行分析计 算, 其他设计参数保持不变, 计算结果如图 8,9 所示 小锚杆的预应力 图 8 前排桩与后排桩水平位移 Fig. 8 Horizontal displacement of front and rear piles 图 1 前排桩与后排桩水平位移 Fig. 1 Horizontal displacement of front and rear piles 图 9 前排桩与后排桩弯矩 Fig. 9 Bending moment of front and rear piles 随着排距的增加, 桩体水平位移先减小后增大, 前排桩弯矩变化不大, 后排桩正弯矩变化较小, 负弯矩绝对值先增大后减小 当排距为 1. m 时, 桩体水平位移较大, 此时双排桩类似于单排桩悬臂支护结构, 发挥不出双排桩的稳定优势 ; 当排距为 7. m 时, 桩体水平位移较大, 此时后排桩通过连梁, 起拉锚作用 ; 当排距在.4~6 m 范围内时, 桩体水平位移基本不变, 然而排距增大会增加工程造价, 而且排距过大时连梁的刚度也无法保证, 所以施工设计时要根据实际情况选择合适的排距 (4) 嵌岩深度的影响根据 1. m 的设计嵌岩深度, 选择桩体嵌岩深度分别为.6,1.,,3 m 进行分析, 计算结果如图 1, 11 所示 : 随着桩体嵌岩深度的增加, 桩体水平位移和弯矩都减小, 嵌岩深度从.6 m 增大到 1. m, 桩身位移变化最明显, 减小.3 cm, 但随着嵌岩深度的继续增加, 位移变化不再明显, 只有负弯矩变化较大, 这是因为随着嵌岩深度的增加, 嵌固力增大, 锚杆补偿力的主要作用是导致桩体下部产生负弯矩, 因此可以适当减 图 11 前排桩与后排桩弯矩 Fig. 11 Bending moment of front and rear piles 3.5 方案实施效果工程从开始灌注桩施工, 到所有基坑支护及土方开挖, 施工过程比较顺利, 邻近建筑物未发现任何明显的位移 开裂现象 根据监测资料, 基坑开挖 3 d 内累计位移不超过 1 mm, 此时基坑已开挖至 6 m; 随后随基坑开挖深度的不断增加, 桩顶水平位移匀速发展直至稳定 另据监测人员介绍, 海水涨落潮对水平位移有一定的影响 实践证明, 在该工程中应用加锚双排桩的支护方案 ( 见图 1), 效果尤佳, 为类似工程的施工积累了宝贵的经验 图 1 基坑支护完成图 Fig. 1 Photo of braced excavation

5 增刊刘红军, 等. 土岩组合地层加锚双排桩基坑支护结构数值分析 17 4 结论 (1) 结合青岛奥运 31 号东西地块基坑工程的设计 施工与监测, 利用 Plaxis 软件对其进行分析计算, 在土岩二元结构下双排桩结合单道锚杆的支护方式是可行的, 其较大的整体刚度能够有效控制基坑变形, 在大型超大型不易设置支撑的基坑中采用这种支护方式有很大的优势 () 增大桩体刚度, 双排桩位移减小, 但刚度增大会导致弯矩增大, 设计时应根据实际情况合理选取 (3) 双排桩排距过大或过小都会使桩体弯矩和位移增加, 考虑控制变形的效果和工程造价等因素, 排距取 D(D 为桩径 ) 时比较合理, 排距太小则类似单排悬臂桩特性, 无法发挥双排桩的优势作用, 排距太大则类似拉锚作用 (4) 随着嵌岩深度的增大, 位移和正弯矩都减小, 当嵌岩深度继续增大时, 位移和正弯矩的影响将不大 ; 而嵌岩深度太大施工困难, 造价较高, 本工程中采用 1. m 的嵌岩深度可以满足维持基坑稳定的要求 参考文献 : [1] 蔡袁强, 阮连法, 吴世明, 等. 软粘土地基基坑开挖中双排桩式围护结构数值分析与工程应用 [J]. 建筑结构学报, 99, (4): (CAI Yuan-qiang, RUAN Lian-fa, WU Shi-ming, et al. Finite element analysis and application of deep excavation with retaining structure of double-row piles in soft clay[j]. Journal of Building Structures, 99, (4): (in Chinese)) [] 应宏伟, 初振环. 深基坑带撑双排桩支护结构有限元分析. 岩石力学与工程学报 [J]. 7, 6( 增刊 ): (YIN Hong-wei, CHU Zhen-huan. Finite element analysis of deep excavation with braced retaining structure of double-row piles[j]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 7, 6(S): (in Chinese)) [3] 陈东, 屠少英, 刘兴旺. 广利大厦地下室基坑支护 [C]// 浙江省第十届土力学及岩土工程学术讨论会论文集. 北京 : 中国建材工业出版社, 4: (CHEN Dong, TU Shao-ying, LIU Xing-wang. Retaining structure of Guangli Building excavation[c]// Proceedings of 1th Zhejiang Regional Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. Beijing: China Building Material Industry Publishing Company, 4: (in Chinese)) [4] 刘红军, 王亚军, 姜德鸿, 等. 土岩组合双排吊脚桩桩锚支护基坑变形数值分析 [J]. 岩石力学与工程学报, 11, 3( 增刊 ): (LIU Hong-jun, WANG Ya-jun, JIANG De-hong, et al. Numerical analysis of deep foundation pit displacement with double-row and end-suspended piles in strata of soil-rock dualistic structure[j]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 11, 3(S): (in Chinese)) [5] 聂庆科, 胡建敏, 吴刚. 深基坑双排桩支护结构上的变形和土压力研究 [J]. 岩土力学, 8, 9(11): (NIE Qing-ke, HU Jian-min, WU Gang. Deformation and earth pressure of a double-row piles retaining structure for deep excavation[j]. Rock and Soil Mechanics, 8, 9(11): (in Chinese)) [6] 林鹏, 王艳峰, 范志雄, 等. 双排桩支护结构在软土基坑工程中的应用分析 [J]. 岩土工程学报, 1, 3( 增刊 ): (LIN Peng, WANG Yan-feng, FAN Zhi-xiong, et al. Application and analysis of retaining structure with double-row piles in soft ground excavation engineering[j]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 1, 3(S): (in Chinese)) [7] 万文, 曹平. 单一连续墙的平面非线性有限元分析 [J]. 岩石力学与工程学报, 5, 4(1): (WAN Wen, CAO Ping. Two dimensional nonlinear FEA of single diaphragm wall[j]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 5, 4(1): (in Chinese)) ( 本文责编明经平 )

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