广州南沙大港填海造陆深厚淤泥地质区域基坑支护研究.pdf

第37 卷第3期2023 年 6 月Journal of Jiangsu University of Science and Technology(Natural Science Edition)D0I:10.20061/j.issn.1673-4807.2023.03.018江苏科技大学学报（自然科学版）Vol.37No.3Jun.2023广州南沙大港填海造陆深厚淤泥地质区域基坑支护研究刘康2,刘琦12,裴超12,孙喜朋12,王炳辉3（1.中国中铁隧道局集团有限公司，广州5 1145 8）（2.中铁隧道集团三处有限公司，深圳5 18 0 5 1）（3.江苏科技大学土木工程与建筑学院，镇江2 12 10 0)摘要：广州南沙大岗先进制造业基地是填海造陆区域，在该区域采用明挖法施工建造一条综合管廊，由于下穿5 条河涌，形成深度大于7 m、小于10 m的基坑.过河涌段由于存在富水深厚淤泥土，拟采用钢管桩支护，为确定钢管桩桩径与桩长，采用MidasGTSNXr软件进行分析，动态模拟基坑开挖，研究基坑土体水平位移变化规律，确定钢管桩桩径与桩长最优值，在此基础上确定支护方案,并对施工过程中基坑土体进行监测,将实测数据与模拟数据对比,两者有较好的适应性.研究表明：改变钢管桩直径及桩长，发现直径增大使得深层水平位移减少；增大桩长能减小水平位移.通过寻求钢管桩直径、桩长的合理值，优化施工方案，提高钢材利用率，达到节能降耗绿色施工的目的，为后续在填海造陆深厚淤泥区域采用钢管桩做深基坑支护提供有效实践依据.关键词：填海造陆；深厚淤泥土；基坑支护；钢管桩；数值模拟中图分类号：TU470*.3LIU Kang2,LIU Qi-2,PEI Chao2,SUN Xipeng2,WANG Binhui?(1.China Railway Tunnel Bureau Group Co.Ltd.,Guangzhou 511458,China)(2.China Railway Tunnel Group No.3 Co.Ltd.Shenzhen 518051,China)(3.School of Civil Engineering and Architecture,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212100,China)Abstract:Guangzhou Nansha Dagang advanced manufacturing base is a land reclamation area.In this area,anintegrated pipe gallery is constructed by open excavation method.Due to the undercrossing of five rivers,a foun-dation pit with a depth of more than 7 m and less than 10 m is formed.Due to the rich water and deep silt in theriver section,it is proposed to use steel pipe piles for support.In order to determine the diameter and length ofsteel pipe piles,Midas GTS nxr software is used for analysis,to dynamically simulate the excavation of founda-tion pit,study the horizontal displacement change law of foundation pit soil,and determine the optimal value ofsteel pipe pile diameter and pile length.On this basis,the support scheme is determined,the foundation pit soilmonitored during construction,and the measured data are compared with the simulated data.Both have good a-daptability.The research shows that when changing the diameter and length of the steel pipe pile,the increase ofdiameter reduces the deep horizontal displacement;increasing the pile length can reduce the horizontal displace-ment.By seeking the reasonable values of the diameter and length of steel pipe piles,optimizing the constructionscheme,improving the utilization rate of steel,achieving the purpose of energy conservation and consumption reduction and green construction,it can provide an effective practical basis for the subsequent use of steel pipe收稿日期：2 0 2 2-0 4-2 2基金项目：国家自然科学基金资助项目（5 19 7 8 317)作者简介：刘康（19 7 2 一），男，高级工程师，研究方向为市政道路、深基坑及隧道工程等建设施工项目管理.E-mail:引文格式：刘康，刘琦，裴超，等.广州南沙大港填海造陆深厚淤泥地质区域基坑支护研究 J.江苏科技大学学报（自然科学版），2 0 2 3,37(3):114-118.D0I:10.20061/j.issn.1673-4807.2023.03.018.文献标志码：AStudy on foundation pit support in deep silt geologicalarea of Nansha Dagang reclamation in Guangzhou文章编号：16 7 3-48 0 7(2 0 2 3)0 3-114-0 5第3期piles as deep foundation pit support in the deep silt area of land reclamation.Key words:land reclamation,deep silt,foundation pit support,steel pipe pile,numerical simulation填海造陆是当前沿海城市扩大其发展空间的主要手段 .由于填海造陆下覆深厚淤泥土，受其抗剪强度低、压缩性高、渗透性小、天然含水量大等特点 2 的影响,在此土层下进行基坑开挖，采用合理的基坑支护方法，对基坑的可靠性、安全性、工程造价等 3影响很大.钢管桩支护常用于海上围堰施工，但在填海造陆地区应用不广 4.文中以广州南沙大岗先进制造业基地某基坑支护工程为研究对象,拟采用钢管桩支护，为确定钢管桩的相关参数，利用MidasGTS NXr对其进行数值分析,模拟基坑开挖进程不同工况下基坑周边土体的水平位移与沉降变化情况,分析其变化规律,并对桩长、桩径等影响因素进行分析，得到最优的桩径以及桩长，为同类工程提供参考。1工程地质与水文概况1.1 工程概况广州南沙新区大岗先进制造业基地基坑开挖工程在河涌段,是填海造陆地区，土质松软,基坑处于淤泥质内，给工程实施带来了较大的难度.工程基坑施工位置如图1.编号名称1素填土2淤泥3细砂4淤泥质土5细砂6粘性土7中砂2数值几何模型建立2.1土体本构模型的选取结合本工程的实际情况，假设基坑周围土体是连续且各向同性的弹性材料 5，在Midas GTSNXr软件中选取MooreCullenmodel（莫尔-库伦模型）进行计算。2.2模型的建立本次研究中的模拟在计算中采用的是实体单元，网格的单元类型采用CPE4P，不考虑土体渗流作用；钢管桩的网格选用的是四节点的平面应变单刘康，等：广州南沙大港填海造陆深厚淤泥地质区域基坑支护研究中铁施工区城项目驻图1基坑施工位置Fig.1Construction location of foundation pit1.2工程地质及水文条件(1)工程地质拟建综合管廊基坑工程过河涌段地层从上至下依次为填素土、淤泥、粉细砂、淤泥-淤泥质土、粉质黏土、粉细砂、粉质黏土、粉细砂、中粗砂土.其中淤泥、粉细砂、淤泥质土累计深度2 0 余米.场地土体分层及设计采用参数自上而下分述如表1.(2)水文条件本场地环境类型类，场地地下水的类型为上部第四系孔隙潜水，局部略具承压性，下部基岩含裂隙水.第四系孔隙潜水地下水埋深1.6 2.3m.地表水主要来源于大气降雨,以地表滞水的形式汇集于低洼处，蒸发、渗入地下成为地下水或沿河涌流入珠江水系，该部分地表水为淡水.表1土体参数Table 1Soil Parameters重度/厚度/m(kN m3)3.4818.53.5218.46.418.9916.93.318.95.6195.218115孔隙比E/MPa1.0433.81.1853.110.72913.81.437.420.72913.81.143.950.68420元CPE4,混凝土支撑和内支撑采用的网格是线性梁单元B21.本次研究中土体的主要参数有：粘聚力c、弹性模量E、内摩擦角,研究的断面土体各参数如表1.钢管桩采用弹性材料模拟，钢管桩内无混凝土填充，混凝土支撑采用C40混凝土.本次研究的支撑为一道钢筋混凝土支撑（截面1m1m,C40混凝土）与三道钢支撑（截面直径0.8 m,管壁0.0 1m），钢管桩平面布置间距为1.15 m，支护剖面第1支撑间距为4m,第2 支撑间距为3m，第3支撑间距为2 m，第4支撑间距为1m,具体参数如表2，支护结构剖面如图2.c/kPa1123.96.5146.51629.27$/()9.91421.91121.9123.47泊松比0.340.360.280.320.280.350.26116Table 2FPhysical and mechanical parameters of model材料p/(g cm)钢管桩7.85混凝土支撑2.5钢支撑7.85排水沟混凝土冠望预开挖步底面混凝土支撑第一步开挖底面钢支撑第二步开挖底面第三步开挖底面第四步开挖底面支护柱图2 钢管桩支护剖面Fig.2Steel pipe pile support section基坑的变形控制是软土地区基坑工程的核心内容,基坑土体的水平位移不仅与自身工程安全密切相关,更涉及到对周边环境的影响，并且其愈加成为基坑工程的焦点问题 6.研究证明，当基坑的长宽比大于4时，二维平面模型计算得到的位移、应力等结果,在基坑转角处会比三维模型模拟结果大15%左右，模拟基坑开挖偏于安全，其他部位模拟结果的分布形态和数值与三维模型基本一致 5.因此研究的过河涌段的长度远大于基坑宽度，拟对明挖段区间选取软弱土层厚度最大、开挖宽度最大的断面12.5 5 m作为控制断面，建立二维有限元模型.本次研究的二维建模分析区域为基坑开挖边界向外延伸3倍开挖深度，基坑底部向下2 倍的开挖深度，土体采用四节点的参单元模拟，钢管桩采用网格析取的方式进行选取，可更好地模拟钢管桩的弯曲 7.支撑体系模拟采用梁单元，在数值模拟分析时考虑了钢管桩与土体之间的相互接触作用 8,假定每个土层界面水平,取其平均厚度，且不考虑实际土层的不均匀性，以及实际工程中逐渐开挖施工对基坑的影响 9.典型断面尺寸为12.5 5m10m,此次研究将基坑模型开挖尺寸取为9 2.6mx36.5m.断面计算模型示意如图3,开挖及支撑参数如表2.2.3施工工况结合地质勘察报告、水文条件等资料，对基坑江苏科技大学学报（自然科学版）表2 模型物理力学参数开挖实际施工进行动态模拟，研究钢管桩水平位移及沉降变化规律.施工按全断面分层开挖考虑，每E/10*MPa泊松比210.330.18210.3.0074.00-7.00-9.00-10.00素混凝土垫层2023年次开挖前设置上一道支撑，基坑开挖模拟主要过程如下：图3网格划分图Fig.3Grid division diagram（1）初始地应力分析.基坑尚未开挖时，激活原有土层、边界约束和自重,并且,在开挖之前要将位移清零,平衡初始地应力，模拟土体开挖前的稳定状态（2）进行钢管桩的施工,将钢管桩激活,在桩的周围添加边界约束和静力荷载，避免出现约束不足，导致计算失败，（3）基坑开挖至第一道支撑下5 0 cm处,并将开挖一进行钝化.（4）模拟支撑架设，支撑施加预加轴力.（5）重复上述步骤3 步骤4,直至开挖至基坑底部.3基坑支护影响因素分析通过在模拟中改变钢管桩的桩径、桩长,研究其对基坑水平位移的影响,达到优化施工方案,降低基坑支护成本的目的.3.1桩长的影响为研究桩长对基坑土体水平位移的影响,本工程基坑开挖深度H=10m,钢管桩直径取1.0 m,桩长分别取2.0 H,2.5H,3.0H,其他参数保持不变.不同桩长方案下基坑水平位移如图4.水平位移变化量/mm2040608010012014002-4-6-8-10L图4桩长变化水平位移对比曲线Fig.4 Comparison curve of pile length changeand horizontal displacement从图4可以看出，当钢管桩桩长分别为3.0 H、2.5H、2.0 H 时,1.0 m桩径下水平位移最大值分别为6 8.7 6 8 8.0 0、113.9 1mm.钢管桩桩长的增大增加了桩顶水平位移，随着桩长的逐渐增加，桩顶水桂长30 m：桂长2 5 m稚长2 0 m第3 期平位移增加的趋势逐渐平缓，由图5 可知,随着桩长的增加,选取桩长为2.5 H的水平位移量为中间量，在基坑深度为2 m处，将其分别与桩长2.0 H、3.0H下的水平位移量差与位移量相比,结果发现：桩长从2 0 m增加到2 5 m,基坑深度2 m处的土体水平位移从9 8.9 0 mm减少到7 3.3 2 mm，变化率为34.89%,桩长从2 5 m增加到3 0 m，基坑深度2 m处的土体水平位移从7 3.3 2 mm减少到6 4.7 0 mm，变化率为1 3.3 2%，由此可知，随着桩径的增大,基坑土体水平位移逐渐减少，但随着桩长的继续增加，土体水平位移减少的趋势逐渐降低，从基坑开挖过程中的安全性与经济性出发,2 5 m桩长更加合适.1.051.000.950.900.850.800.750.700.651.0图5 桩长变化归一化分析折线Fig.5Broken line of normalization analysisof pile length change3.2钢管桩桩径d的影响为研究桩径对基坑水平位移的影响,并结合上节研究结果，桩长取2.5 H,直径分别取0.8、1.0、1.2m,其他参数保持不变.不同钢管桩直径方案下的水平位移如图6.水平位移变化量/mm.103050700-2-46-8-10L图6 直径变化水平位移对比曲线Fig.6Comparison curve of diameter changeand horizontal displacement从图6 可以看出，当钢管桩直径分别为1.2、1.0.0.8m时对应的钢管桩最大的水平位移量分别为5 6.5 2、8 0.8 3、1 2 0.0 2 mm.增加钢管桩桩径，桩顶水平位移增加,但随着桩径的逐渐增加,桩顶水平位移减少的趋势逐渐增大，由图7 可知,随着桩径的增加,选取桩径为1.0 m的水平位移量为中间量,在基坑深度为2 m情况下，将其分别与桩径刘康，等：广州南沙大港填海造陆深厚淤泥地质区域基坑支护研究12131.4桩径归一比值1.11.21.31.4桩长归一比值90110130-1.2 m桩径+1.0m桩径-0.8 m径1170.8m、桩径1.2 m下的水平位移量差与位移量相比,结果发现：桩径从0.8 m增加到1.0 m,基坑深度2 m处的土体水平位移从1 0 1.8 4 mm减少到66.86mm，变化率为5 2.3 1%,桩径从1.0 m增加到1.2 m,基坑深度2 m处的土体水平位移从6 6.86mm减少到5 7.7 4 mm，变化率为1 5.7 9%，由此可知,随着桩径的增大,基坑土体水平位移逐渐减少，但随着桩长的继续增加，土体水平位移减少的趋势逐渐降低，考虑到工程常用的钢管桩直径为800、1 0 0 0、1 2 0 0 m m，从工程的综合经济性与安全性出发,选择1 0 0 0 mm的钢管桩直径较为合适.1.00.90.80.70.60.51.01.5图7 桩径变化归一化分析折线Fig.7Broken line of normalization analysisof pile diameter change4实际工程监测数据与模拟数据对比通过第三节的模拟分析得到本次工程中的最优桩长为2.5 H,即2 5 m桩长下最优桩直径为1.0m，在得到最优参数后进行了基坑支护设计施工，实际工程中采用了2 5 m桩长与1.0 m桩径方案，基坑顶部水平位移量工程监测数据与模拟数据对比见表3.由表3 可知，数值模拟结果与实际工程监测数据趋势基本一致，深层水平位移最大值及深度与实际监测数据有较好的一致性.此次研究中得出的数值模拟结果方法合理，结果较为准确.表3 基坑顶部水平位移量工程监测数据与模拟数据对比Table 3 Comparison of engineering monitoring dataand simulation data of horizontal displacementat the top of foundation pit开挖工况工程监测数据/mm模拟数据/mm预开挖36.89第1 次开挖51.21第2 次开挖58.56第3 次开挖70.12第4 次开挖103.651.11.533.4542.5550.5365.0897.521185结论文中对基坑工程过河涌段进行了数值模拟,根据模拟结果,对基坑开挖施工过程中水平位移情况进行分析,并且通过改变钢管桩支护结果的影响因素,即桩径和桩埋深，在原有模型基础上改变条件进行数值模拟，数值模拟结果与实际监测趋势基本一致，深层水平位移最大值与实际监测基本吻合，符合钢管桩支护变化规律，在开挖后期及开挖完成后出现的少许误差,均在合理范围内，验证了数值模拟准确性，证明参数选择及数值模型合理性.对其结果进行对比分析,所得结论如下：（1）增大桩长引起水平位移减小，桩顶水平位移变化率随着桩长增加而减小.（2）增大钢管桩直径能减小桩顶水平位移变化量,同时桩顶水平位移变化率增大，因此不可盲目增大钢管桩以控制水平位移.（3）通过改变钢管桩支护各参数，优化施工方案,得到最优桩长为2 5 m,最优桩径为1.0 m,与基坑开挖实测值相比较基本吻合，能为类似填海造陆深厚淤泥区域深基坑支护方式提供参考.参考文献(References)1子孙超，郭浩天深基坑支护新技术现状及展望J.建筑科学与工程学报，2 0 1 8，3 5（3）：1 0 4-1 1 7.SUN Chao,GUO Haotian.Present situation and pros-pect of new technology for deep foundation pit supportJ.Journal of Architecture and Civil Engineering,2018,35(3):104-117.(in Chinese)【2 金晓明，王炳基于深厚淤泥地质条件下多种基坑支护及开挖工艺对比分析和研究【J中国水运（下半月），2 0 1 8,1 8(6)：2 3 3-4.【3 严佳捷，樊秀峰，吴振祥淤泥深基坑开挖下土体的变形特征J水利与建筑工程学报，2 0 2 1，1 9(2):61-5.江苏科技大学学报（自然科学版）4楼杨本健，朱崇辉基于钢管桩支护体系的基坑数值模拟研究J.水利科技与经济，2 0 2 0，2 6（1 1)：65-69.【5 丰土根，乔广轩，刘江涛，等悬挂式深基坑地下连续墙支护数值模拟及工程优化J科学技术与工程，2 0 2 1,2 1(2 9)：1 2 6 7 9-1 2 6 8 7.FENG 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