深基坑施工对邻域钢管桩基础变形影响研究

张剑涛

(1.中国建筑科学研究院地基基础研究所，北京 100013；2.建研地基基础工程有限责任公司，北京 100013)

0 引言

地铁车站大多修建在繁华地带，地铁车站施工邻域内存在大量的商业、住宅、公共、交通等建(构)筑物。地铁车站施工造成建(构)筑物邻域地基土体的卸荷，深基坑土方开挖，改变了邻域土体原有的应力状态，诱发建筑物产生的附加内力和变形，进而造成建筑物的沉降或倾斜[1-3]。

近年来，国内外不少学者对基坑土卸荷作用下，邻域建筑物的变形破坏机理进行了研究，为地铁建设过程中邻域建筑物的保护积累了大量的有益经验。徐代宏等[4]、王成华等[5]应用理论分析、数值模拟的方法，对桩基础建筑物侧方基坑开挖卸荷作用下，桩基础建筑物的变形机理进行了研究；张治国等[6]、程聪[7]、田志强等[8]等应用数值模拟、现场实测等方法，对基坑施工开挖过程中，浅基础建筑物的沉降规律、变形控制方法等进行了分析；韩伟[9]基于实测数据，对基坑施工过程中邻近深基础建筑物的变形特征进行了研究。

钢管桩基础作为新兴的基础形式，在国内外被大量应用，但目前缺乏邻域基坑土方开挖卸荷作用下邻域钢管桩基础变形响应的研究。钢管桩基础建筑物不同于一般混凝土桩基础建筑物，具有承载力较高、自重轻、材质均匀、施工工艺简单、工程质量易保证等优点[10-12]。基于此，本文以厦门市轨道交通1号线某典型地铁车站及其邻域的钢管桩基础建筑物工程为例，应用工程实测与数值模拟相结合的方法，对邻域深基坑土方开挖卸荷作用下，侧方钢管桩基础建筑物的变形响应进行了研究，并将其与混凝土桩基础建筑物的变形差异进行了分析。

1 工程概况

1.1 工程简介

厦门市轨道交通1号线某地铁车站为地下二层双柱三跨钢筋混凝土框架结构，基坑施工邻域内某钢管桩基础建筑物为本工程重要风险源。地铁车站基坑长272.5m，宽度为20.7m，盾构井段宽24.8m，基坑深度20.05m，采用Φ1000mm钻孔灌注桩加内支撑的支护形式。基坑水平支护结构设置三道内支撑，第一道为钢筋混凝土支撑，1200×1000mm(宽×高)，第二、三道支撑为Φ609、t=16钢管支撑。该钢管桩基础建筑物采用框架结构，高度34.03m，其中地下1层层高5.4m；地上4层，首层层高7.63m、2～4层层高7.0m，Φ500钢管桩基础，地下室边线与车站侧壁最近距离11.7m。建筑物现状如图1所示，地铁车站与建筑物相对位置如图2所示。

图1 钢管桩基础建筑物现状Fig.1 Current situation of steel pipe pile foundation building

图2 地铁车站与钢管桩基础建筑物相对位置Fig.2 The relative position of subway station and steel pipe pile foundation building

1.2 工程地质条件

本工程范围内地形稍有起伏，以冲海积阶地为主，局部为坡残积台地，地面高程0～25m。依据勘察报告，按岩土地层层序，地基土层自上而下依次为黏土质素填土、残积砂质黏性土、全风化花岗岩、散体状强风化花岗岩、碎裂状强风化花岗岩等。

2 监测方案

2.1 监测点布置

依据工程现场情况，结合原有的地表沉降点布设，监测点布置以能够准确反应整栋建筑的差异沉降为原则，主要布置在房角、承重墙和立柱上。JGC-01、JGC-03、JGC-04、JGC-05、JGC-10、JGC-11、JGC-19位于房角、承重墙和立柱位置，其余监测点为原有地表沉降监测点位置。监测点布置情况如图3所示。

图3 监测点布置(单位：m)Fig.3 Arrangement of monitoring stations(unit：m)

2.2 变形控制标准

依据工程图纸及相关规范，钢管桩基础建筑物绝对变形量(竖向位移、水平位移小于30mm)，变形速率小于2mm/d。地铁车站深基坑施工过程中要加强监控量测，根据监测结果，必要时采用地面注浆加固。

3 数值分析模型建立

3.1 模型尺寸

为充分考虑建筑物上部结构刚度对模拟结果的影响，采用地基-基础-上部结构共同建模分析。数值计算模型范围的确定须充分考虑边界效应的影响，依据MIDAS/GTS建模手册及相关研究成果[13]，地基土结构外平面尺寸取为3倍以上的结构平面轮廓，厚度取为3倍以上的基坑深度，可满足忽略边界效应的要求，故数值计算模型中长×宽×高为800m×800m×60m。整体模型网格划分如图4(a)所示，地铁车站深基坑及钢管桩基础建筑物部分的网格划分如图4(b)所示。

图4 有限元模型网格划分Fig.4 Meshing of FEM calculation model

3.2 模型材料参数

相比于Mohr Coulomb模型，修正的Mohr Coulomb本构模型可以分别设定土体的加、卸载变形模量，依据MIDAS/GTS帮助文件及相关文献[14]，能有效地控制基坑开挖时由于应力释放引起的回弹隆起现象，故本模型中地基土体选用修正的Mohr Coulomb本构模型，以实体单元建立，土体参数依据对应的工程勘察报告数据选取(表1)。围护桩、混凝土支撑及钢管支撑、建筑物的梁、板、柱和钢管桩基础均采用弹性本构模型，具体参数按照工程实际值确定(表2)。为避免围护桩与土体单元之间由于刚度频繁变化导致的计算不收敛，同时也为了降低计算成本，该模拟采用等刚度代换法将围护桩折算为连续墙后以板单元计入[15-17]；混凝土支撑及钢管支撑、梁、柱及钢管桩基础采用梁单元建模；建筑结构楼板采用板单元建模。

表1 地基土层物理力学计算参数表

表2 结构部分物理力学参数表

3.3 地铁车站深基坑施工过程模拟

参照实际施工流程，数值计算中采用单元网格模型激活—钝化方式模拟地铁车站施工过程按照表3所示工序模拟进行。

表3 施工工序模拟

图5 建筑物沉降云图Fig.5 Cloud image of building settlement

3.4 计算方案

为深入分析基坑侧向卸荷作用下，钢管桩基础建筑物与混凝土桩基础建筑物变形动态响应的不同，本文采用2种方案进行数值计算：

(1)方案1：按照原设计方案，采用Φ500钢管桩基础；

(2)方案2：建筑采用Φ500钢筋混凝土桩基础，布桩位置保持不变。

4 桩基础变形动态响应分析

4.1 桩基础沉降分析

通过数值计算可得基坑施工完成后，方案1与方案2桩基础建筑物沉降云图，如图5所示。提取图5中对应节点位置的沉降计算值，与实测结果进行对比分析，如图6所示。分析图6可知，随着基坑开挖深度的增加，桩基础沉降量逐步增大，方案2沉降量比方案1大约1.5mm；钢管柱基础建筑物的数值计算结果与实测结果变化趋势较为相似，数值计算结果略大于工程实测结果，偏安全，数值计算结果较好地还原了工程实际，计算方法合理。地铁车站深基坑施工完成后，桩基础建筑物沿长轴及短轴方向桩顶沉降曲线如图7所示。在厦门地区土岩复合地层条件下，深基坑施工对邻域钢管桩基础沉降的影响范围为2h(h为基坑深度)，当钢管桩基础建筑物监测点与基坑侧壁距离大于2h时，桩顶沉降量小于3mm，可认为邻域地铁车站深基坑施工对其影响较小；方案1与方案2变形响应规律基本相同，方案2计算结果略大于方案1。综上所述，在建筑物沉降方面，钢管桩基础建筑物与混凝土桩基础建筑物基本无差异，混凝土桩基础建筑物沉降量略大于钢管桩基础建筑物沉降量。

图6 桩顶时程沉降分析Fig.6 Time-history curves of settlement displacement of the steel pipe pile top

图7 桩顶沉降分布Fig.7 Settlement displacement of the steel pipe pile top

4.2 桩身水平位移分析

图8为地铁车站深基坑施工完成后，邻域钢管桩基础建筑物监测点JGC-1和JGC-10桩身水平位移曲线。分析计算结果可知：钢管桩基础桩身水平位移呈线性分布，混凝土桩基础桩身水平位移在基坑底部存在明显拐点，拐点以下，桩身水平位移与钢管桩基础水平位移基本相同；拐点以上，桩身水平位移明显大于钢管桩基础，约为钢管桩基础的2倍。地铁车站深基坑施工完成后，桩基础建筑物沿长轴及短轴方向桩顶水平位移如图9所示。在厦门地区土岩复合地层条件下，深基坑施工对邻域钢管桩基础沉降的影响范围为1.7h，当钢管桩基础建筑物监测点与基坑侧壁距离大于1.7h时，桩顶水平位移小于1mm，可认为邻域地铁车站深基坑施工对其影响较小。方案1与方案2变形响应规律基本相同，但钢管桩基础水平位移明显小于混凝土桩基础，约为混凝土桩基础的一半。

图8 桩身水平位移Fig.8 Horizontal displacement of steel pipe pile foundation

图9 桩顶水平位移分布Fig.9 Horizontal displacement of the steel pipe pile top

5 结论

通过对厦门市轨道交通1号线某典型地铁车站基坑工程及其邻域钢管桩基础建筑物的研究，结合工程实测数据和数值模拟计算结果，研究了深基坑卸荷作用下，邻域钢管桩基础建筑物的变形响应规律。主要结论如下：

(1)在厦门地区土岩复合地层条件下，深基坑施工对邻域钢管桩基础的影响范围为2h(h为基坑深度)，当钢管桩基础监测点与基坑侧壁距离大于2h时，桩顶沉降量小于3mm，桩顶水平位移小于1mm，可认为邻域深基坑施工对其影响较小。

(2)邻域基坑侧方卸荷作用下，钢管桩基础与混凝土桩基础沉降变形响应基本相同，水平位移响应差异较大，钢管桩基础水平位移呈线性分布，混凝土桩基础水平位移存在明显拐点，拐点以下与钢管桩基本相同，拐点以上水平位移约为钢管桩的2倍。