排桩支护基坑开挖的稳定性分析

宋 永 忠

(威海建设集团股份有限公司，山东 威海 264200)



排桩支护基坑开挖的稳定性分析

宋 永 忠

(威海建设集团股份有限公司，山东 威海 264200)

依托镇江市高校园区共享区体育馆工程实例，基于ABAQUS平面应变模型，对比研究了无支护和排桩支护结构对该工点基坑开挖稳定性的影响，指出排桩支护可有效控制基坑的变形与沉降，避免基坑失稳现象的发生。

基坑，排桩，ABAQUS，稳定性

0 引言

随着经济发展的需要，目前各种用途的地下空间已在世界各大城市中得到开发利用，其规模和深度不断加大，基坑工程逐渐成了城市建设中岩土工程的主要内容之一[1]。常用的基坑支护结构形式主要有放坡、土钉支护、岩土锚杆、内支撑结构、排桩、深层水泥搅拌桩、钢筋混凝土灌注桩等[2]。

排桩是以某种桩型按队列形式排布组成的基坑支护结构，普遍常用的桩型是钢筋混凝土钻孔桩、挖孔桩、工字钢桩以及H型钢桩等，桩的排列形式主要有单排、双排及连续式等。施工便捷，安全性高，造价低，近年来受到人们的广泛青睐。

1 工程概况

镇江市高校园区共享区体育馆工程，拟建地址位于在建海燕西路西侧的镇江市高校园区共享区地块，包含篮球馆和游泳馆，地上1层，局部地下2层。篮球馆与游泳馆以-1层地下室顶板为嵌固端，在此以上设抗震缝脱开。

镇江市在大地构造位置上属扬子准地台，下扬子台褶带，宁镇褶皱束东段。拟建场区位于宁镇山脉的东段，北临开阔的长江，地形特点是西高东低。依据形态特征，本区地貌类型可划分为低山、丘陵、岗地、谷地及滩地等。

2 工程地质及水文条件

2.1 工程地质条件

拟建场地地质条件复杂,岩土地层构成及特征，自上而下依次为：

⑤-1层：全风化凝灰岩，密实，分布不均匀，工程地质性质一般。仅在场地内南侧有分布，层厚度为0.00 m～9.20 m。

⑤-2层：强风化凝灰岩，密实，场地南侧分布较为稳定，工程地质性质好。仅在场地内南侧有分布，层厚度为0.00 m～17.50 m。

⑥层：石灰岩，中等风化，分布稳定，但岩体中局部有溶洞分布，穿过溶洞后，工程地质性质良好。在场地内主要分布于场地北侧，层厚为0.00 m～8.40 m。

2.2 水文地质条件

场地地下水类型主要为潜水，地下水稳定水位埋深位于自然地面下3.40 m～8.20 m左右，随地形起伏。地下水主要接受大气降水，地下水排泄方式以自然蒸发及渗流为主，水位四季有一定变化，近3年～5年最高地下水位约为2.50 m(场地地势低处)，最低地下水位埋深为9.00 m(场地地势高处)，近3年～5年地下水位变化幅度在0.50 m左右。

3 双排桩支护基坑开挖的稳定性分析

基坑的开挖过程复杂,对支护结构的内力、变形及周边土体位移进行有限元计算变得尤为重要，不仅可提高工程施工的安全性，更能通过模拟计算得出最优方案，指导施工。文章依托镇江市高校园区共享区体育馆工程典型工点，基于ABAQUS的单元生死功能，模拟基坑开挖。

3.1 模型建立

拟建场地四周较为开阔(东侧距在建海燕西路约30 m)，坑底及坑壁主要为④-3-1和④-3-2层土，现场地势为南低北高，若地下车库底板厚度为0.5 m，则拟建基坑开挖深度最北侧大约为9.0 m，基坑支护结构的安全等级为二级。

有限元计算时采用摩尔—库仑模型，简化为平面应变问题，限制其水平和底部两个方向边界位移条件。

土体计算参数如表1所示。

表1 土体计算参数

3.2 无支护条件下基坑稳定性分析

基坑开挖的过程，扰动了原稳定土的应力场，使得土体应力分布发生较大变化，开挖面上初试应力的释放导致坑壁和基地发生水平和垂向的位移，如果变形过大，将导致基坑失稳，产生较大损失。因此需要对基坑开挖的水平位移、竖向位移及塑性变形进行分析。

经ABAQUS数值模拟计算，无支护条件下基坑开挖后土体水平位移、竖向位移及等效塑性应变见图1～图4。

由图1～图4可看出，在无支护条件下开挖，开挖面的水平位移随开挖深度的加大而增大，最大竖向位移发生在基坑底部。在无支护情况下，随开挖深度加大，基坑底部会隆起，在基坑底部侧脚形成塑性区，坑壁土体会发生外鼓，直至基坑侧壁土体外涌，基坑失稳，发生破坏，对工程造成巨大损失。

3.3 排桩支护基坑开挖稳定性分析

采用排桩支护结构支护基坑，采用钢筋混凝土钻孔桩。由于桩长为开挖深度的1.7倍时支护效果较好[3]，故桩长取15 m，桩径1 m，桩间距3 m。数值计算结果如图5～图7所示。

对比无支护条件下的计算图可发现，排桩支护后，开挖面的水平位移明显减小，原塑性区已消失，仅在支护桩位处产生塑性应变，分析可能是由于排桩局部应力集中造成的。观察桩体水平应力发现，在基坑中下部及底部出现较大应力，主要由于土拱效应导致的。排桩支护基坑开挖效果显著，有效控制了基坑变形及沉降，保证了其侧壁的稳定性。

4 结语

通过对镇江市高校园区共享区体育馆工程基坑进行有无支护结构的有限元对比模拟计算，得出：

1)排桩支护可有效控制基坑的变形及沉降，避免基坑侧壁发生土体外涌，基坑失稳。

2)开挖面的水平位移随开挖深度的加大而增大，最大水平位移发生在坑壁上部，而最大竖向位移发生在基坑底部。

3)排桩支护时在基坑底部及中下部产生较大应力，主要是由于土拱效应造成。

[1] 司凤雄.深基坑土钉支护的数值模拟及稳定性分析[D].大连:大连理工大学，2003.

[2] 刘 亮.基于FLAC3D大秦左岸基坑支护稳定性研究[D].阜新：辽宁工程技术大学,2013.

[3] 王星华,谢李钊,章 敏.深基坑开挖中双排桩支护的数值模拟及性状[J].中南大学学报(自然科学版),2014(2):596-602.

The stability analysis on row pile support foundation pit excavation

Song Yongzhong

(WeihaiConstructionGroupLimitedCompanybyShare,Weihai264200,China)

Based on the stadium engineering examples of Zhenjiang university park sharing area, based on ABAQUS plane strain model, this paper compared and researched the influence of non support and row piles retaining structure to the work point foundation pit excavation stability, pointed out that the row pile support could effectively control the deformation and settlement of foundation pit, to avoid the occurrence of foundation pit instability phenomenon.

foundation pit, row pile, ABAQUS, stability

1009-6825(2017)06-0098-02

2016-12-12

宋永忠(1973- )，男，工程师

TU463

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