基坑围护桩侵限对桩体侧向位移的影响.doc

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摘　要：针对明挖基坑施工中经常出现围护桩侵限进而引起的凿桩现象，采用ＦＬＡＣ３Ｄ有限差分法分析软件模拟北京地铁八号线西三旗站围护桩侵限状况，计算在围护桩未侵限和已侵限两种状态下桩体的侧向位移值，进而分析围护桩侵限对其侧向位移的影响，并与实际监测结果进行了对比分析。
关键词：ＦＬＡＣ３Ｄ；围护桩；侵限；数值分析

０　引　言
在地铁车站施工中，明挖基坑支护一般采用排桩加内支撑的方式，为了节省施工用地，在设计方案中车站的侧墙结构一般紧贴围护桩［１］。现在的地铁基坑围护桩多采用钻孔灌注桩，根据ＪＧＪ　９４—２００８《建筑桩基技术规范》灌注桩的垂直度允许偏差为１％［２］，而地铁车站基坑的深度一般超过１５ｍ，则规范允许垂直度偏差达到１５０ｍｍ。施工方在车站建设过程中考虑到后期桩间回填成本以及围护桩侵限后的凿除成本，一般会将灌注桩的桩位外放５～１０ｃｍ。但是由于施工机械的垂直度以及岩层倾斜等因素影响，在基坑开挖后会存在围护桩侵入车站侧墙结构边线的现象。需对超限桩体部分进行剔除，剔除过程中经常出现切断桩内受力钢筋的问题，部分受力钢筋被切断后将使该桩的承载能力降低甚至导致桩的破坏特性改变［３－５］。
本文结合北京八号线地铁西三旗站工程实例，使用ＦＬＡＣ３Ｄ有限差分法分析软件，模拟分析基坑开挖过程中围护桩被凿除前后的侧向位移的变化状况，并与实际监测数据对比，分析围护桩侵限对其侧向位移的影响。

１　工程概况
１．１　地理位置及工程规模
西三旗站是北京地铁８号线二期工程的第三座车站，位于西三旗路和西三旗东路十字路口处，在西三旗东路下南北向布置，为明挖施工地下两层岛式车站，车站结构覆土厚度约４．２ｍ。基坑长２１１．７ｍ，宽２０．７ ｍ，深度约１８．１ ｍ。车站主体结构采用Ф８００＠１４００的钻孔灌注桩，盾构扩大端采用Ф８００＠１２００的钻孔灌注桩，桩 长２４．５ ｍ。桩间采用挂Ф８＠２００×２００ｍｍ的钢筋网并喷射１５０ｍｍ厚的Ｃ２０混凝土，以保持桩间土体稳定。内支撑采用Ф６０９的钢管支撑，沿竖向设４道横向支撑，具体围护结构如图１所示。

１．２　围护桩侵限情况
在基坑开挖过程中，发现基坑北部扩大端ＫＺ－１４５～ＫＺ－１６０号围护桩桩体侵限严重，数量较多的桩体混凝土被凿除，且部分桩体主筋被割除。其中ＫＺ－１５４号围护桩下部桩体８０％侵限。其余围护桩桩体最大侵限值均超过２０ｃｍ。

２　ＦＬＡＣ３Ｄ建模说明
ＦＬＡＣ３Ｄ采用显式拉格朗日算法和混合－离散分区技术，能够进行土质、岩石和其他材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。其自带本构模型 有：线弹性模型、Ｄｒｕｃｋｅｒ－Ｐｒａｇｅｒ模 型、Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ模型、Ｄ－Ｙ模型、应变硬化／软化 模型等［６－７］。
２．１　建模及参数选择
根据勘察报告，基坑开挖及灌注桩施工涉及的由上而下２５ｍ覆盖土层为：①粉土素填土层，以粉土为主，含少量碎砖屑，植物根等，结构松散，无层理；②粉土层，稍密～中密，含氧化铁、云母等；③１粉质黏土层，可塑，含氧化铁，少量有机质等；③２粉质黏土层，可塑；④细砂层，主要矿物成分为石英、长石、云母；③３粉质黏土层，可塑。具体土层参数见表１。

ＦＬＡＣ３Ｄ中摩尔－库伦本构模型采用体积模量ｂｕ以及剪切模量ｓｈ定义单元属性。其转化式分别为：

式中：Ｅ为弹性模量，μ为泊松比。为保证桩体与土体之间的相互作用力传递，需创建接触面。接触面的主要计算参数为法向刚度Ｋｎ、切向刚度Ｋｓ、摩擦角φ以及粘聚力ｃ。根据工程实例，灌注桩与土体接触面上的摩擦角φ以及粘聚力ｃ可取与桩相邻土层的０．８倍。其中法向刚度Ｋｎ和切向刚度Ｋｓ可取周围“最硬”相邻区域的等效刚度的１０倍，即：

式中：Ｂ为体积模量，Ｓ为剪切模量，Δｚｍｉｎ接触面法向方向上连接区域上的最小尺寸。由于需对桩体进行凿除，故选择实体单元来创建桩体模型。整体计算模型如图２所示。

２．２　数值模拟结果分析
在实际工程中，ＫＺ－１５４号围护桩侵限情况最为严重，因此选其作为分析对象。图３ａ为桩体未侵限示意，图３ｂ为实际桩体的侵限状态示意。分别对此两种情况进行模拟分析。

图４所示的两条曲线分别为基坑开挖完成后ＫＺ－１５４号桩在侵限和不侵限两种情况下的模拟桩体位移。可以看出：１）无论是否侵限，围护桩的侧向位移曲线沿桩深均呈弓形分布，桩顶部和底部位移较小，桩体中部侧向位移较大；２）桩体在不侵限状态下开挖完成后的最大侧向位移为１０．２３ｍｍ，位于－１４ｍ处；３）在桩体下部实际侵限最大达８０％的情况下，桩体侧向位移自－７．５ｍ处开始明显增大，随着基坑的进一步开挖，最 大侧向位移发生于－１４．５ｍ处，其值达１６．２ｍｍ，比未侵限时增大了５８．３％；由于－１４～－１８ｍ部位大部分侵限桩体被凿除，造成侧向位移普遍比未侵限状态下增大约４０％４）由于基坑深－１８．１ｍ，开挖完成后桩体下部尚有６．４ｍ埋深，土体应力未曾释放，侧向位移自－１８ｍ开始急剧减小。

３　实际监测数据分析
３．１　监测原理
桩体位移采用ＨＣＸ－２Ｂ型滑动式测斜仪和读数仪配测斜管进行监测。在施作钻孔桩的过程中，将测斜管绑于钢筋笼侧边下放至桩身混凝土内。数据采集根据滑动式测斜仪原理，先后在与基坑垂直的方向９０°和２７０°间隔１ｍ读取１组数据并累计，两组数据相减即为桩身的侧向位移值。
３．２　监测数据分析
ＫＺ－１５４号围护桩侧向位移现场监测曲线如图５所 示。选取桩体开挖至－４，－８，－１１，－１４，－１８ｍ时的监测数据进行分析。

从图５中可以看出，在未施加内支撑开挖至－４ｍ时，桩体呈悬臂状态，最大侧向位移发生在桩顶，侧向位移值随测点深度的加深而递减；随着内支撑的架设，桩顶位移增加速率明显减缓，桩体最大位移发生部位也逐渐下移，最终稳定于－１４ｍ左右的部位；桩体侧向最大位移值随着基坑开挖深度的增加不断增大。开挖完成后桩体的侧向位移曲线与数值模拟结果吻合良好。
由于开挖至－８ｍ时出现局部凿桩现象，桩体上部位移随之出现了不同程度的回弹；开挖至－１４～－１８ｍ处时由于凿桩严重，桩体位移增大速率较快，最大侧向位移发生于－１４．５ ｍ处，值为１５．８ｍｍ，其位移比开挖至－１４ｍ时增大约６０％，与模拟计算结果接近。

４　结论及侵限处理措施
１）ＦＬＡＣ　３Ｄ有限差分法软件能够有效模拟基坑开挖及桩体凿除情况，其桩体侧向位移曲线与实际监测数据的吻合情况较好，但由于模拟计算参数的选取与实际参数之间存在误差，所以位移曲线存在一定偏差。
２）基坑开挖初始阶段最大侧向位移发生在桩顶部位，位移值随测点深度的加深而递减；基坑开挖至后期，桩体侧向位移曲线沿深度呈弓形分部，顶、底部位移较小，中间桩体位移较大；且最大侧向位移的发生位置随着开挖的进行而不断下移。
３）由于桩体侵限而造成的凿桩现象对桩体的侧向位移影响较大，其最大侧向位移比无侵限情况时要增大约５０％，达到１６ｍｍ。侧向位移最大值一般出现在有凿桩现象的桩体部位。
４）在明挖地铁施工中出现因桩体侵限而导致凿桩的工点可采用如下一种或几种处理措施：ａ．在桩间增设土钉，增加桩体和桩后地层的共同工作，用以分散主动土压力；ｂ．在桩体被凿区域增加一定厚度的格栅，使格栅承担部分土压力并能将部分压力向周边传递；ｃ．在桩体被凿区域内增加一定数量的锚杆，锚头后设置一定强度和刚度的承压板，该承压板与桩体有效连接。

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