基坑围护桩侵限对桩体侧向位移的影响

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1、专业知识分享版摘　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

2、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］。使命：加速中国职业化进程专业知识分享版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

3、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２０．７ｍ，深度约１８．１ｍ。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２４．５ｍ。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

4、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。使命：加速中国职业化进程专业知识分享版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－Ｐ

5、ｒａｇｅｒ模型、Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ模型、Ｄ－Ｙ模型、应变硬化／软化模型等［６－７］。２．１　建模及参数选择使命：加速中国职业化进程专业知识分享版根据勘察报告，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

6、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使命：加速中国职业化进程专业知识分享版以及粘聚力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

7、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。使命：加速中国职业化进程专业知识分享版图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

8、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