深基坑双排桩数值模拟与实时监测分析

发表时间:2018/12/7   来源:《防护工程》2018年第21期   作者:黎庆强 黄锡明
[导读] 双排桩已得到了广泛的应用。基于此,本文以某深基坑支护设计为实例,对双排桩-锚索支护结构进行分析研究。

建材广州工程勘测院有限公司  广东广州  510000
  摘要:双排桩支护结构可以有效控制基坑侧向变形,被广泛应用于基坑支护设计中。本文结合实际工程,运用FLAC3D进行相应的数值模拟,根据施工工序进行对应的模拟计算,并研究了双排桩—锚索复合支护结构体系在深基坑中应用的受力机理、变形特征,影响因素,以期能够为类似工程提供一定的参考意义。
  关键词:深基坑;双排桩;数值模拟;监测
  
  
  引言
  近年来,随着城市建设的发展,地下空间的开发逐渐向深层发展,基坑开挖越来越深。根据结构特点、岩土性质、水文等方面的不同,采用的支护方式也不相同,因而需要特别注意基坑工程的支护设计。其中,双排桩是一种以两排钢筋混凝土桩为主体组成的支护结构,此结构具有较大的侧向刚度,可以有效地限制支护结构的变形,同时具有施工方便、桩身受力均匀、适用性强等优点。因此,在工程场地受限或者对变形沉降有严格要求的深基坑工程中,双排桩已得到了广泛的应用。基于此,本文以某深基坑支护设计为实例,对双排桩-锚索支护结构进行分析研究。
  1.工程概况
  拟建场地位于某市区一环路南一段和主道路交汇处,交通便利,区域优势明显。
  1.1工程地质条件
  根据勘察报告,场地上覆第四系人工填土(Q4ml),其下由第四系上更新统冲洪积(Q3al+pl)成因的粉质黏土、中砂及卵石组成,下伏白垩系上统灌口组泥岩(K2g)。工程地质条件如表1所示。
  表1  现场土层物理性质及厚度

  1.4支护方案
  本文以双排桩为具体分析对象,这部分用的是双排桩+锚索的复合支护形式。桩长为26.4m,嵌固深度5.6m,锚索和桩之间的距均为2.5m,桩径1.0m,上下共四道锚索,采用C30商品混凝土,冠梁尺寸为1.0m×0.6m。本段的支护方案剖面如图2所示。
  图2  双排桩结构
  
  2.监测结果与数据分析
  监测工作从2016年10月28号至2017年3月10号。历时120d左右。
  2.1现场监测
  本文主要以双排桩为主要研究对象,据此本文主要分析:桩顶位移、锚索轴力和桩体位移。现场监测点布置图如图3、图4。
  图3  桩顶位移监测点
  
  2.2桩顶水平位移
  在双排桩边选取7个监测点S2~S8(图1)为主要研究对象,图5为选取双排桩在基坑开挖过程中桩顶水平位移的变化情况。规定:这里正数说明往基坑内侧发生位移,负数说明向基坑外侧发生位移[1]。
  如图5可知:测点S2、S3、S7、S8由于位于基坑的边缘,受两侧支护结构的限制作用,桩顶位移相对较小;测点S4、S5、S6的位移在基坑开挖的初期迅速增长,伴随后期锚索的施工,后期位移变化趋于一定的稳定。从图5看出,桩顶水平位移测量均小于25mm,未达到预警值,说明整个施工过程中,基坑的支护结构是安全的。
  图5  基坑桩顶水平位移-时间变化曲线
  
  图7  基底时前、后排桩的水平位移对比
  分析图6、图7可以得出:随着基坑开挖深度的进行,桩体位移逐渐变大,开挖初期位移增速相对较缓,后期随着开挖深度的增加,位移增长速率增大,挖至基底时前排桩在-14.0m处发生最大位移17.37mm,后排桩在-12.0m位置处发生最大位移14.50mm,后排桩位移变形量相对前排桩较小,可以看出在排桩支护体系中前排桩发挥主要作用。前后排桩身变形大致保持一致,说明前后排桩在冠梁以及锚索的共同作用下发挥了很好的整体作用。
  2.4锚索轴力
  分析图8可得,锚索在布设不久轴力出现明显的减小,损失量达8%左右。初期锚索材料预应力的损失可能由于锚索锚固段接触不完全,腰梁段张拉角度不到位引起。在锚索应力损失一段时间后,锚索轴力逐渐变大,是由于基坑深度的加大导致桩体变形增加。锚索轴力在第三道和第四道锚索处轴力达到最大,基坑偏移相对较大。后期随着锚索与双排桩支护结构的稳定,锚索轴力趋于稳定并在一定范围内波动。
  3.数值模拟分析
  图8  锚索轴力随时间变化
  
  3.1基坑开挖FLAC3D模型建立
  基坑工程的竖向影响的范围大致为坑宽度的3到4倍,横向影响范围大致为坑宽的2到3倍[3],本次基坑模型的大小为:440.0m×263.0m×62.0m(图9)。整个基坑支护体系结构单元如图10所示。依据现场的具体状况对该模型设置边界条件,模型上下边界就x方向设置水平约束,模型底部设置竖向约束,基坑顶部不设置约束条件,假定为自由边界条件。充分考虑影响范围的模型共计42770个单元,47740个网格点。
  图9  模型几何单元网格
  

  图11  桩体水平位移
  
  图12  基底时前、后排桩的水平位移对比
  (1)基坑在每个节点,前后排桩桩顶水平位移的变化基本保持一致,随深度的增大变化值随之增大。说明排桩在一定程度上构成一个整体,连接前后排桩的连梁发挥了重要的作用。
  (2)对比不同节点的深度水平偏移值得出:随着节点的依次完成,前排桩身的偏移最大处随基坑深度增加缓慢向下移动,待施工至基坑底部时最大位移约发生在开挖-14.0m处;这种情况的发生由于作用在桩体上的冠梁、锚索、腰梁以及桩身嵌固泥岩的共同作用,这很好的限制了基坑桩身的变形。
  (3)后排桩身位移变形最大处位于桩体中部附近,桩身位移相对前排桩稍小,说明在排桩支护体系中前排桩发挥主要作用。
  (4)后排桩变化速率小于前排桩,表明前排桩在支护期间比后排桩会更早发挥支护作用。
  (5)挖至坑底时,嵌固在泥岩内前后排桩的底部都发生了一定程度的偏移,整体变化量较小,这说明前后排桩在基坑支护时设计合理,并没有由于深度的缘由导致基坑底部产生大变形甚至失衡。
  通过图13可以得到,前排桩身的最大偏移位置位于桩身裸露深度的2/3处,变形值分别为15.68mm、17.37mm,桩身裸露部分相对嵌固部分整体变形较大。后排桩身的最大位移大致位于桩身中部位置,变形值分别为12.62mm、14.27mm,桩身变形呈现出裸露部分相对较大,嵌固部分相对较小,表明基底的泥岩很好的限制了桩底的变形。前后排桩在施工期间变形趋势大体保持一致,说明前后排桩在整个基坑施工过程中,发挥了很好的协同作用。前排桩变形相对后排桩变形较大,说明前排桩相对于后排桩在整个基坑支护结构中更大程度的分担了基坑的变形,后排桩发挥了很好的限制协调作用。
  图13  桩身位移对比
  
  3.4桩顶位移
  从图14可以得出:整体而言,桩位移随开挖深度变大而逐渐增大;开挖初期整体位移变化速率较大,但整体仍在控制范围内,随着开挖的进行,位移增速减缓;后期趋于稳定,最大达14.12mm。对比现场实际监测结果,数值模拟与现场结果在趋势曲线基本保持大致相同,但在实际工程中受天气及施工各节点的调整,使得实测结果与模拟结果出现不同,整体模拟值小于实测值。但整体趋势大致相同,证明该基坑开挖期间参数、结构、计算方法选取是合理的,数值模拟在一定程度上体现了支护结构变形规律。
  图14  桩顶水平位移变化曲线
  
  4.结论
  综上所述,本文以某深基坑支护项目为依托,通过应用现场量测与数值模拟方法对双排桩-锚索支护结构进行分析研究,研究结果表明:随基坑深度的增加桩身位移随之增大,前排桩身最大偏移位置位于桩体裸露部分的2/3处,后排桩最大偏移位置位于桩身裸露部分的中部附近,前后排桩变形趋势大体保持一致;前排桩整体变形要先于后排桩;锚索轴力整体呈现先减小后增大至某一范围波动,桩身变形较大处锚索轴力值较大;桩顶位移在开挖初期速率增长较快,随后曲线减缓,后趋于稳定。实践证明,该深基坑工程采用以上支护方案取得了不错的效果,该方案具有可行性、安全性、经济性,可为类似工程提供参考。
  参考文献:
  [1] 魏科丰. 某深基坑双排桩支护结构的数值模拟研究[J]. 河南科技,2013(17):46-47.
  [2] 沈樱涛. 深基坑双排桩支护数值模拟研究[J]. 山西建筑,2014(23):81-82.
  [3] 韦巍. 深基坑双排桩的支护效果和数值模拟研究[J]. 四川建筑,2015,35(6):109-111.

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