钢板桩支护基坑周围海相软土变形特征分析.pdf

：钢板桩支护基坑周围海相软土变形特征分析收稿日期：基金项目：深圳市自然科学基金可持续发展科技专项项目（）作者简介：谭贵（），男，工程师，从事岩土工程与地下工程等方面的研究谭贵（中山翠亨新区工程项目建设事务中心，广东 中山 ）摘要：由于海相软土的强度、刚度较低，基坑开挖易引起周围地层产生较大变形，进而影响周边建构筑物的安全。钢板桩支护体系由于其施工便捷，适应性好，被广泛应用于浅基坑的支护中。为研究海相软土地层下，采用钢板桩支护的大规模综合管廊基坑的变形特征，为相关工程案例提供借鉴。以中山马鞍岛地下综合管廊工程为研究对象，采用 数值模拟软件对钢板桩支护体系下海相软土地区综合管廊基坑建设各施工步进行模拟计算，并结合实测数据和 经验公式理论，分析了各工况下海相软土地层的水平和竖向位移随着其距基坑距离的变化趋势，并进一步对钢板桩支护体系下海相软土地层变形特征进行了分析。结果表明：钢板桩支护体系的采用，有效限制了海相软土地层的水平变形，进而保障了项目施工和周围环境的安全。关键词：海相软土地层；数值模拟；经验公式；地层变形特征中图分类号：文献标识码：文章编号：（）引言随着国家的高速发展，基础建设推进得十分迅速，与日俱增的工程建筑给空间利用带来了巨大的挑战。为充分利用地下空间，综合管廊在国内逐步得到推广与建设。地下综合管廊的工程建设难度与地层地质条件息息相关。在沿海地区，海相软土地层分布广泛，由于工程性质较差，海相软土是地基处理过程中需要重点处理和研究的对象。软土地基目前存在许多处理方式，海相软土地层在综合管廊基坑工程开展作用下的变形特征分析对相关控制技术的研究具有指导作用，对综合管廊在软土地区的建设发展具有重要意义。近年来，学者们针对软土区基坑建设展开了不少研究。郑刚 分析了基坑施工全过程各阶段的变形特征、机理以及对环境的影响，将基坑变形及其对环境影响的控制划分为“基于基坑支护体系的变形控制”和“基于邻近基坑保护对象的变形控制”两类方法；黄剑等 在工程设计和施工中，采取有效措施解决了深厚淤泥场地中长线形地下工程的沉降控制问题，验证了结构和基础方案的合理性。宋许根 通过对广州南沙某基坑进行理论计算和数值模拟，结合对监测资料的详细分析，探讨了广州南沙某深厚软土区综合管廊基坑破坏发生的成因和变形特征；陈永华 基于工程实例，建立了三维有限元模型，对施工过程中各施工步的基坑沉降与支护结构的内力进行了分析，为海相软土地层综合管廊在钢板桩支护体系下施工提供了参考。吴晨 通过有限元数值分析软件 对跨泗河城市综合管廊深基坑工程进行建模，并分别对该城市综合管廊深基坑支护结构、周边土体的应力场和位移场进行分析，对深基坑的稳定性进行验证；张海松等 采用 软件模拟深基坑开挖支护结构数值，结合该地铁施工区域的实际土质情况，完成深基坑开挖支护结构的数值模拟分析，为实际施工工况提供指导参考；姚丙生 采用 数值软件进行深基坑开挖支护数值模拟，结合地表监测数据与数值模拟结果进行了对比分析，得到了深基坑开挖地表范围内地层的沉降变形特征。目前，在综合管廊深基坑建设工程中钢板桩支护得到了广泛的应用。但在钢板桩支护体系下海相软土地层变形的作用机理、变形特征、理论计算分析仍缺乏系统性的研究。本文结合中山马鞍岛地下综合管廊工程，采用 数值模拟软件对钢板桩支护体系下海相软土地区综合管廊基坑建设各施工步进行模拟计算。对钢板桩支护体系下海相软土地层变形特征进行分析，为相关工程提供经验参考。海相软土地层综合管廊工程概况 工程概况本文所依托中山市马鞍岛地下综合管廊工程位于科学城片区，属市政路网建设工程。该项目处于富含淤泥土的浅海湾地区，位于珠江口西部。分析段取建设线路中宁静路段，该段地下综合管廊总长 ，地下综合管廊尺寸为 。地下综合管廊采取 钢板桩进行支护，在其间施 加 两 道 钢 管 作 为 内 支 撑，钢 管 尺 寸 为：直 径 ，厚度 。三脚架连接腰梁，施作于基坑底部位置作为钢板桩支护体系，以此加固内支撑钢管的 稳 定。分 析 段地 下综 合 管 廊 基 坑 普 遍 开 挖 至 左右，基坑宽度为 。本文基于实第 卷 第 期年 月山西建筑 际情况对基坑结构进行了部分简化，基坑具体布设如图 所示。地质概况涉及工程中地层主要包含素填土、淤泥土和粉质黏土以及相关复合地层，各地层和基坑结构布设对应位置如图 所示。?各地层描述如下：素填土：由碎石、黏土组成，包含少量块石，粒径分布为 。淤泥质土层厚 不等，易压缩，含水率高，呈流塑状态。碎石块主要由混凝土 土 块、花 岗 岩 块 等 组 成，棱 状，厚 度 。淤泥土：呈黑色、灰黑色，工程性质差，高压缩性，含有生物碎屑，厚度 。粉质黏土：呈褐黄色，含水较高，饱和，主要包含长石、石英等矿物，厚度 。全风化花岗岩：呈白色略带灰色，岩石风化程度较高，矿物结构发生破坏，组成矿物中云母几乎完全风化，主要包含长石、石英等矿物，工程性质一般，极易发生破碎，厚度 。理论计算与分析模型 经验公式 分析了大量的实测地表沉降数据后提出地表沉降槽符合正态分布曲线，目前地层沉降预测主要采用 法进行预测，法计算公式见式（）式（）：（）()（）槡（）槡 ()（）其中，（）为地表沉降量，；为地表沉降最大值，；为单位长度地层损失值，；为地表沉降槽的宽度系数值，。模型概况文中采用 有限元分析软件对地下综合管廊基坑开挖施工进行数值计算。模型概况建模过程中考虑到整体实际工程路线较长，故根据实际施工分段截取一段进行数值建模分析，分段两侧支护采取整体综合管廊首尾的支护方法进行模型构建。对实际地层情况进行简化，各地层厚度及物理力学参数如表 所示。表 岩土参数取值土层天然容重（）割线刚度 泊松比黏聚力 摩擦角（）厚度渗透系数静止侧压力系数孔隙比素填土 淤泥 粉质黏土 全风化花岗岩 如图所示，模型尺寸为 。对模型四周水平方向采用单向位移约束，模型底部采用水平、竖向以及旋转约束。模型采用的是摩尔库仑模型，基坑尺寸为 ，在基坑 ，分别设置一道钢管支撑，支护结构的参数取值如表 所示。?表 支护结构基本属性结构名称单元类型本构模型所用材料截面形状截面尺寸 钢板支护桩板单元弹性 板厚度 腰梁 梁单元弹性 型 腰梁 梁单元弹性 型 内支撑 梁单元弹性 圆形 ，内支撑 梁单元弹性 圆形 ，施工步骤根据实际施工工况，该地下综合管廊的具体施工步骤设计如表 所示。表 施工步骤设计施工步施工内容 钢板桩支护施工 第一层基坑开挖 第一道内支撑施作 第二层基坑开挖 第二道内支撑施作 砂垫层混凝土浇筑 结果分析 模型沉降计算该节主要针对两次基坑开挖后软土地层变形特征进行分析，第一次内支撑施作、基坑开挖施工后周边地层 水平横向变形如图 （）所示，周边地层 水平横向变形如图 （）所示，竖向变形见图 （）；第二次内支撑施作、基坑开挖施工后周边地层 水平横向变形如图（）所示，周边地层 水平横向变形如图 （）所示，竖向变形见图 （）。第 卷 第 期年 月山西建筑?由图 ，图 可知，在第一次基坑开挖完成后，基坑四周土体最大水平变形位移为 ，出现在地表，基坑四周土体，竖向最大沉降值为 。坑口两侧土体呈现出向坑内位移的趋势，随着距离坑口越远，沉降值越小，坑底存在卸荷隆起效应。第二次基坑开挖完成后，基坑最大水平位移变形值增加至 ，周 边 地 层 竖 向 最 大 位 移 值 增 加 至 。?数值结果分析图 展示了在不同施工步下基坑周边地层水平位移随着距基坑远近的变化趋势数值计算结果和地层水平位移实际测量值之间的拟合关系。从图 中可以看出，在各个施工步下，随着土层与基坑间的距离逐步增加，地层水平位移发生了显著减小，水平位移减小速率与土层距坑口的距离成反比关系，随着距离的增加，减小速率逐渐减小，最后趋于平缓。在基坑前后两次开挖过程中，实际测量得到第一次基坑开挖引起最大水平位移变形值为 ，第二次基坑开挖完成后最大水平位移达到 ，最大水平位移相对增加了 ，数值计算结果表明：第一次基坑开挖引起最大水平位移变形值为 ，第二次基坑开挖完成后最大水平位移达到 ，最大水平位移相对增加了 ，数值计算结果和实际测量值拟合良好，说明钢板桩支护体系很大程度上限制了海相软土的地层变形，工程安全性良好。图 描绘了不同施工步下基坑周边地层竖向变形随着距基坑距离远近的变化趋势数值计算结果和地层竖向位移实际测量值之间的拟合关系。可以得到，随着地层距基坑距离的逐渐增加，其沉降量逐渐减小，在前后两次基坑开挖施工中，地层沉降量最大值由 增加至 ，数值计算结果显示地层沉降量由 增加至 ，数值计算结果和实际测量值拟合较好。相对于地层的水平位移值变化更明显，变形满足控制要求。从图 可以看出，基坑开挖至 时，基坑周边地层沉降量和坑口距离呈正态分布曲线关系，根据?经验公式计算出最大沉降量出现在坑口附近，值为 ，随着距离坑口越远，地层沉降量越小，距离坑口 处地层沉降量接近为零，数值模拟结果得到了和 法相类似的结果，其最大沉降量为 ，沉降量随距离坑口变化趋势和 法几乎一致。与此类似的，如图 所示，当基坑开挖完成时，基坑周边地层沉降量和坑口距离呈正态分布曲线关系，根据 经验公式计算出最大沉降量为 ，数值模拟结果为 。数值结果和 法拟合较好。第 卷 第 期年 月谭贵：钢板桩支护基坑周围海相软土变形特征分析?结论本文结合中山马鞍岛地下综合管廊工程，采用 数值模拟软件对钢板桩支护体系下海相软土地区综合管廊基坑建设各施工步进行模拟计算，对钢板桩支护体系下海相软土地层变形特征进行了分析，得出以下结论：）在海相软土地区地下综合管廊基坑工程中采用了钢板桩支护体系，通过数值计算，得到每个施工步完成后，地层最大变形值均小于 ，满足规范设计要求，安全性良好，说明了钢板桩支护体系在该工程中起到了重要作用。）分析了不同施工步下基坑周边地层水平和竖向位移随其距基坑距离的变化趋势，在基坑前后两次开挖过程中，第一次基坑开挖引起最大水平位移变形值 ，第二次基坑开挖完成后最大水平位移达到 ，最大水平位移相对增加了 ，在前后两次基坑开挖施工中，地层沉降量最大值由 增加至 ，相对于地层的水平位移值变化更明显，说明钢板桩支护体系很大程度上限制了海相软土地层的水平变形，工程安全性良好。）通过 数值软件计算得到基坑先后两次开挖工况下地层水平位移和竖向位移，将计算结果和实际测量结果进行了对比，计算结果和实测结果拟合较好，证明了数值计算结果的可靠性。）基坑先后两次开挖后，通过将 软件模拟的数值结果与 法所得结果进行拟合对比，计算结果拟合度高，得到了基坑周边地层沉降量和坑口距离之间的正态分布关系曲线，为相关工程提供了可靠经验。参考文献：郑刚 软土地区基坑工程变形控制方法及工程应用 岩土工程学报，（）：，黄剑，王恒栋，王建 软土地基综合管廊沉降控制、监测与分析 地下空间与工程学报，（增刊 ）：宋许根 广州南沙某深厚软土区综合管廊基坑变形破坏分析 岩石力学与工程学报，（增刊 ）：陈永华 海相软土地层综合管廊钢板桩支护体系沉降和内力分析 建筑机械，（）：，吴晨 城市综合管廊深基坑支护结构体系研究 哈尔滨：哈尔滨工业大学，张海松，徐刘勇 软土地层深基坑开挖支护结构稳定性数值模拟分析 建筑机械，（）：，姚丙生 深基坑开挖支护后数值模拟及地表监测分析 建筑机械，（）：（，）：，：；第 卷 第 期年 月山西建筑