安全防护下沿海地区淤泥质软土深基坑开挖施工方法

杨仲洪，田巧玲

(中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 郑州 450000)

随着城市化进程的快速发展，城市用地越来越紧张，这导致城市建筑愈加密集、建筑愈来愈高，从而越来越多的深基坑工程不断涌现。基坑呈现出面积增大、深度加深的趋势，导致基坑工程的难度越来越大。由于建筑物数量不断增多，规模越来越大，因此，只有在保证基坑工程安全的前提下对高层建筑的地下建筑物车库、人防，以及地铁交通工程进行施工。

沿海地区地层往往有被称为开挖禁区的淤泥质软土，其强度低、含水量大的特点给深基坑工程的难度更加一层。因此越来越多的支护结构出现，双排桩便是其一。双排桩支护是沿基坑侧壁排列设置的由前、后两排支护桩和梁连接成的刚架及冠梁组成的支挡结构。双排桩支护施工速度较快、施工方便、自身刚度大，因此对沿海地区淤泥质软土深基坑起到很好的支护效果。李立军[1]用三维有限元软件对双排桩支护结构的深基坑工程进行数值模拟，通过建立精确的三维数值模型对整个施工过程进行模拟，研究了双排桩的作用机制和基坑的变形规律，着重研究了双排桩支护结构中圈梁空间效应。杨德健等[2]通过有限元软件建立三维数值模型对深基坑过程进行全过程模拟。以双排桩的桩身变形和桩身弯矩为指标，对双排桩的桩身直径、双排桩的桩身长度和双排桩的排距进行影响因素分析，从而对双排桩支护结构优化设计。杨建斌等[3]利用数值模拟手段，对某深基坑工程的施工过程进行模拟。通过对基坑的变形分析，研究了双排桩支护结构的机理。并以桩身位移和桩身内力为指标，对双排桩的重要影响参数进行分析，着重对深基坑开挖双排桩支护系统性状进行分析。申永江等[4]同样依托某深基坑工程，建立深基坑施工三维数值模型，对节点进行精确化模拟，研究了双排桩桩顶连接方式的优化设计，为类似的深基坑工程提供了宝贵的经验。国外众多学者也对双排桩支护的深基坑工程进行了一系列的研究，并取得了很好的成果。但由于淤泥质土的复杂性，关于沿海地区淤泥质软土深基坑工程的研究相对较少。因此，本文基于沿海地区淤泥质软土深基坑工程，通过数值模拟进行研究，能为之后相关工程提供参照。

1 工程概况

拟建的某商业用房包括办公用房、酒店、会展中心、汽车博物馆、地下室及室外配套工程等，总用地面积约为14 400 m2，基坑面积为10 899 m2，基坑的开挖深度约12.2 m，采用双排桩支护。桩距d=700 mm，桩长16 m。该沿海地区的土层信息如表 1 所示，从表中可以观察到该地区土质状况不佳。场地土地下水：潜水位为地表以下2 m。

表1 土层参数

2 三维数值模型

2.1 PLAXIS 3D软件简介

Plaxis3D是由荷兰PLAXIS B.V.公司开发的一款专门用于岩土及结构作用分析的数值分析软件。相比于ANSYS、ABAQUS等大型通用软件，其优点是Plaxis3D仅针对岩土领域进行数值计算分析，具有更强的专业性，具有丰富的土体本构模块和实操性。其缺点是软件过于单一，不能解决不同领域的综合数值分析求解，如该软件无法进行如热学、力学、电磁学、流体及动力学等多场耦合分析。软件诞生的初衷是为了开发一款便于工程实操、简单易上手的数值分析程序，来解决本地特殊软土给工程开展带来的相关问题，依此来减少人工计算的繁琐工序和人为简化得到的结果误差。该程序在岩土相关细分领域，如：建筑地基与基础工程、基坑及边坡工程、地下管隧工程、矿山工程、公路路基、水利水电工程、地质与水文工程等岩土领域有所涉及。

相比于金属、混凝土等相对均质材料，土的力学行为要复杂更多，这是由于土体是固、液、气组成的复杂三相材料。反应土体力学行为的本构模型繁多，不同的本构模型有着不同的适用范围和适用条件。例如在压缩弹性阶段的土体力学行为可以通过简单的胡克定律得以表现；摩尔库伦模型作为极限平衡状态强度判别准则，对土体应力路径无法得以表达；修正剑桥模型可以反映正常固结土的体积剪缩特性和超固结土的体积剪胀特性。诸如修正剑桥模型等高阶本构模型固然能够将相应类型的土体力学行为得以更为精确的表述，但复杂高阶本构模型所需测试参数繁多。对于一般工程应用领域来说，更为看重项目时间成本、经济性，对于大多岩土工程项目一般以安全系数法作为项目安全性评判依据。

2.2 几何模型

根据研究区勘察资料，以勘察钻孔ZL01～ZL08的8口钻孔揭露地层为依托建立计算模型，该模型的宽100 m(Y)、长200 m(X)、高度50 m(Z)。对X、Y方向设置水平向的约束，对z方向的底部设置固定约束。图1为模型整体网格划分图。模型整体尺寸为基坑支护采用双排桩支护。

图1 模型整体网格划分图

2.3 HSS模型

在HS模型的基础上，Benz考虑应变历史的同时修正了Hardin-Drnevich模型，提出了一种能反应土体在小应变范围内应变与剪切刚度的非线性弹性关系的本构模型，即HSS模型。HSS模型不仅包含所有HS模型的特性，还能更好的反应土体在小应变范围内的特性，土体在小应变状态下剪切模量随应变增大而衰减的特点，同时还能考虑应力路径相关性，非常适合于软土地基中隧道分部开挖的变形特性。PLAXIS 3D AE中，HS模型有11参数：有效黏聚力c′、有效内摩擦角φ′、剪胀角ψ′、三轴固结排水剪切试验的参考割线模量Eref 50、固结试验的参考割线模量Eref oed、与模量应水平相关的幂指数m(统一取0.8)、三轴固结卸载再加载试验的参考卸载再加载模量Eref ur、泊松比vur(统一取0.2)、参考应力pref(统一取100 kPa)、破坏比Rf、正常固结条件下静止侧压力系数K0。HSS模型在HS模型基础上多了两个小应变参数Gref 0和γ0.7。Gref 0为初始小应变模量，γ0.7为剪切应变水平。参考王卫东等[6]对上海地区HSS模型参数的取值方法，本文确定了适合于沿海地区HSS模型参数。具体取值见表2。

表2 HHS模型中土层参数

支护结构取值参数取值如表3。

表3 支护结构参数

3 数值结果分析

本部分首先研究前排桩桩长对深基坑支护效果的影响。控制双排桩桩径和双排桩桩距不变，改变前排桩桩长，桩长范围7.5～19.5 m，每隔1.5 m模拟一次，共9种工况。双排桩前后排桩身变形随着双排桩前桩桩身长度的变化规律如图2所示。图中可以看出，当双排桩前桩长度为7.5 m时，双排桩前后排桩变形一样为17.8 mm。双排桩整体变形随着前排桩桩身长度的增长先减小后增大。可以明显看出，前排桩桩身变形始终大于后排桩桩身变形。图中还能看出，前排桩桩长控制在15 m内，增大桩长可以很好的控制基坑变形。

图2 桩身位移随前排桩桩长变化曲线

本部分首先研究后排桩桩长对深基坑支护效果的影响。控制双排桩桩径和双排桩桩距不变，改变后排桩桩长，桩长范围同样为7.5～19.5 m，每隔1.5 m模拟一次，共9种工况。双排桩前后排桩身变形随着双排桩后桩桩身长度的变化规律如图3所示。图中可以看出，当双排桩后桩长度为7.5 m时，双排桩前后排桩变形一样为17.6 mm。双排桩整体变形随着后排桩桩身长度的先迅速减小随后缓慢较小。如图3所示，前排桩桩身变形同样始终大于后排桩桩身变形。

图3 桩身位移随后排桩桩长变化曲线

为了研究双排桩排距对基坑变形的控制效果。本部分模型控制双排桩桩径和双排桩桩长不变，改变双排桩排距，排距范围为2～12 d，每隔2 d模拟一次，共6种工况(d为双排桩桩径)。双排桩桩身位移随排距变化规律如图4所示。如图4所示，前排桩桩身变形同样始终大于后排桩桩身变形，这是因为后排桩起到了足够的拉锚作用。深基坑变形随着双排桩排距增大首先快速减小随后缓慢减小。当双排桩排距超过6 d时，这种控制变形的效果愈来愈小。综上所示，本工程最合适的排距为4～6 d。

图4 双排桩桩身位移随排距变化曲线

4 结语

本文结合沿海地区淤泥质软土深基坑开挖工程，通过有限元软件Plaxis 3D对整个深基坑的施工过程进行模拟。以基坑变形为指标，研究了支护结构的影响。主要结论如下：

(1)当双排桩前桩长度为7.5 m时，双排桩前后排桩变形一样为17.8 mm。双排桩整体变形随着前排桩桩身长度的增长先减小后增大。可以明显看出，前排桩桩身变形始终大于后排桩桩身变形。图中还能看出，前排桩桩长控制在15 m内，增大桩长可以很好的控制基坑变形。

(2)当双排桩前桩长度为7.5 m时，双排桩前后排桩变形一样为17.6 mm。双排桩整体变形随着后排桩桩身长度的先迅速减小随后缓慢较小。如图3所示，前排桩桩身变形同样始终大于后排桩桩身变形。

(3)前排桩桩身变形同样始终大于后排桩桩身变形，这是因为后排桩起到了足够的拉锚作用。深基坑变形随着双排桩排距增大首先快速减小随后缓慢减小。当双排桩排距超过6 d时，这种控制变形的效果愈来愈小。综上所示，本工程最合适的排距为4～6 d。