岩溶区基坑支护桩的稳定性分析

梅博轩

身份证号： 64010219920408****

摘要：随着我国城市地铁建设的快速发展，大量基坑工程如火如荼进行，但同时基坑工程在不同地区面临着各种复杂风险。对溶洞的垂直稳定性影响研究已开展较多研究工作，而对岩溶地区的基坑支护桩稳定性影响研究还比较少。本文以广州市轨道交通九号线工程广州北站地下2层明挖车站工程为依托，针对周边有溶洞存在的基坑支护桩为研究对象，采用三维有限元数值模拟分析、现场实测数据分析两种分析手段对岩溶区基坑水平承载支护桩的稳定性影响进行研究。

关键词：岩溶地区；溶洞；支护桩；稳定性

Stability analysis of foundation pit supporting pile in Karst Area

Xu Lei,Yang Xue-Qiang,Liu,Ya-Dong

(School of Civil and Transportation Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China)

Abstract: With the rapid development of urban subway construction in China, a large number of foundation pit projects are in full swing, but at the same time the foundation pit projects face various complicated risks in different regions. Many researches have been carried out on the vertical stability of caverns, while the study on the effect of caverns on the stability of the foundation pit support piles is still relatively small. In this paper, based on the excavation of the underground station of the Guangzhou North Station of the No. 9 line project of Guangzhou Rail Transit, the foundation pit support piles with surrounding caves are taken as the research object, and the three-dimensional finite element numerical simulation analysis and field measurement data analysis are used. Two kinds of analytical methods have studied the influence of the stability of the horizontal bearing piles in the karst area.

Key word: Karst area; Karst cave;Supporting pile; Stability.

1引言

随着我国城市地铁建设的快速发展，大量基坑工程如火如荼进行^[1]，但同时基坑工程在不同地区面临着各种复杂风险^[2]。

岩溶地区的桩需要考虑溶洞对桩稳定性的影响^[3]。溶洞对垂直承载桩的稳定性影响研究己开展过较多的研究工作，而溶洞对基坑支护桩的稳定性影响研究还比较少。本文以广州市轨道交通九号线工程广州北站地下2层明挖车站工程为依托，针对周边有溶洞存在的基坑支护桩为研究对象，采用三维有限元数值模拟分析(MIDAS GTS)、现场实测数据分析两种方法对溶洞，对基坑水平承载支护桩的稳定性影响进行研究（为方便数值建模，模型中等刚度简化为墙），以期对实际工程起到一定的借鉴作用。

2基坑支护桩稳定性影响因素

岩溶地区支护桩稳定性的影响因素有很多，包括：岩土体的物理力学性质、上覆土层厚度、基坑开挖深度、支护桩的力学参数、溶洞的大小形态、溶洞与桩的相对位置等^[4-7]。参考广东地区岩溶地区的岩土工程勘察资料，针对本研究选取的广州北站工程实例，分析溶洞对支护桩稳定性的影响因素，并确定各影响因素的取值范围，为力学模型分析提供基础数据^[4-7]。

2.1岩土的物理力学参数

本研究主要考虑的上覆土层为砂土层、粉质粘土层，参考广东地区砂土层、粉质粘土层的参数统计，计算分析时取本次研究对象工程勘查结果，其中砂土层天然重度为20.9kN/m

³，粘聚力c=0.0kPa，内摩擦角 =33.0°，弹性模量E=30MPa，泊松比v =0.3；粘性土层天然重度为20.0kN/m³，粘聚力c=21.6kPa，内摩擦角 =22.0°，弹性模量E=17.7MPa，泊松比v=0.3。基岩为灰岩，灰岩岩体的物理力学参数取值为：重度26kN/m³，c=1.6MPa， =40°，E=4.5GPa，v=0.22。

2.2基坑支护桩的特性参数

基坑支护桩的形式、桩长、桩径及嵌固端深度都是影响基坑稳定性的因素。根据本研究选取的广州北站工程及较多的基坑工程资料，不同工程背景、岩石特性的嵌岩桩桩径范围在0.5m~3.0m，主要为0.8~2.0m，桩在灰岩的嵌固端深度在0.5~5.0m，大部分在0.5m~3.0m；嵌固端深度在1.5~3.0m，取该变化范围计算其影响规律。

基坑支护数值计算中支护桩的混凝土弹性模量在不同水泥标号、不同配筋率下，混凝土结构弹性模量稍有变化，取值范围一般为2.85~3.2×10¹⁰Pa。为了进一步了解桩的弹性模量对支护桩稳定性的影响，本文前期先通过数值模型分析了弹性模量变化的影响，结果显示影响很小。因此不再将其作为主要影响因素，取定值为E=3.0×10¹⁰Pa，桩的其他参数取值为，泊松比v =0.2，天然重度为24kN·m^-3。

2.3溶洞与支护桩相对位置关系

本文研究岩溶地区溶洞对支护桩的稳定性影响规律，其中溶洞的大小尺寸及相对位置关系作为重要考察对象。岩溶地区溶洞的形态是多种多样的。据收集的资料显示，基坑工程中的溶洞大多分布在地表下5~23米深度范围内，常见溶洞高度2~8m，部分高度为11~17m，典型高度为1~5m，溶洞多半处于连通状况，洞内基本都有充填物，充填物主要为水、黄色流塑状粘土，泥砂亚粘土等低承载力材料，因此本研究忽略考虑其填充物的影响。大部分溶洞的跨度约在2.0~12.0m。本文针对高度在1~4m，跨度在2.0~8.0m的溶洞进行分析，根据溶洞存在位置，选择广州北站基坑其中某溶洞范围内标准段作为研究对象，根据地勘资料该溶洞为截面直径约1~2m的长柱状空腔，长轴方向约与基坑走向平行，内填充物主要为水、流塑状粘土等，该标准段前后约20m范围内其余存在的微小溶洞尺寸较小且不连通，忽略其影响。为了使研究具有一定的代表性，同时能使模型尽量简化，本文将溶洞椭球化进行研究^[10-13]。

3. 岩溶区基坑支护桩三维有限元分析

3.1几何模拟

广州北站为九号线第三座车站，基本沿现状道路秀全西路敷设，呈西北—东南走向，且西端横跨新街大道，为地下二层岛式站台车站 站台宽度16m，站前设停车线，全长539m，标准段宽24.9m，现状地面高程9.16~10.45m，有效站台中心里程为YDK5+390.000，中心里程基坑底面高程为-7.020m，车站主体基坑开挖深度为16.09m～18.53m。车站周边分布有大量厂房和民房，多为条形基础或者扩大基础，车站施工期间两倍基坑深度范围内建筑物均需拆迁。基坑围护结构采用∅850@600桩间搭接250mm钻孔灌注桩，为方便数值建模，模型中根据公式 等刚度简化为800mm厚的墙。桩顶设一道1.2m×1.0m冠梁，在开挖期间共设置三道支撑，在桩顶冠梁位置设一道钢筋混凝土支撑，支撑截面为0.8m×1.0m，支撑纵向间距为9.0m，在支撑端部设置八字撑，截面为0.6m×1.0m；第二道支撑也采用钢筋混凝土支撑，支撑截面为0.8m×1.0m，支撑纵向间距为9.0m，在支撑端部设置八字撑，截面为0.6m×1.0m，围檩采用钢筋砼腰梁，其余为1.2 m×1.0 m；第三道采用钢管撑，管径600mm，管壁厚t＝16mm。

基坑开挖数值模型的边界条件是建模时必须考虑的重要因素之一^[14]。根据经验，认为建模时边界条件为3-5倍的开挖深度最合适。因此，考虑到模型的计算量^[15]，本章模型中基坑边缘到边界的距离取3倍的开挖深度（选取标准段开挖深度约17m），即两侧各3倍距离及3×17×2+17=119，取值120m；模型的坑底以下深度方向同样取开挖深度的3倍，即70m。由于溶洞的不均匀分布导致基坑在纵向不具有一致性，溶洞的空间位置对基坑开挖也有一定的影响，而三维有限元分析可以更加真实的反应整个过程。在建立模型时，同时考虑溶洞分布的不均匀性和复杂性，在最贴近工程实际的情况下对溶洞做出必要简化，考虑单一不连通溶洞，因此在基坑纵向方向不必取过大，体现出溶洞在基坑纵向方向上的空间性即可，即取标准段6倍。整个模型的尺寸为120m×54 m×70m。对于溶洞的设置，结合现场地质情况对溶洞作出合理几何简化，在坑底以下2.5m深度即支护桩底下1m深度处设置一个沿基坑纵向方向分布的椭圆地质空腔，空腔为短轴长度为1m，长轴高度为2m，纵向长度为9m的椭圆柱体。

3.2基坑开挖支护桩稳定性分析

3.2.1支护桩变形

图3-1分别为溶洞存在下的基坑开挖至坑底时支护桩水平侧向变形和竖向位移的云图，同时给出了在不同开挖阶段下的支护桩水平侧向变形曲线。为了更好体现出溶洞存在的影响规律，对比溶洞填充处理前后的整体水平及竖向位移，可以有效得出溶洞存在却未处理时对基坑稳定性的影响^[16]。

图 3-1溶洞填充后围护结构变形云图对比

Fig.3-2 Comparison of deformation nephogram of retaining structure after filling karst cave

观察以上云图可以看出，溶洞填充后围护结构主动侧的土体向基坑内水平变形最大约14.4mm，而竖向沉降约2.7mm。

图 3-2溶洞填充前围护结构变形云图

Fig.3-3 Deformation nephogram of retaining structure before filling karst cave

从上云图中可以看到，基坑在未填充溶洞的情况下，围护结构的水平变形最大达到15.3mm，竖向沉降最大达到5.1mm。

通过从溶洞填充处理后基坑变形云图及变化曲线可以看出，溶洞填充前后围护结构的变形及沉降呈现相同规律。其中围护结构的水平变形在溶洞填充后由15.3mm减少至14.4mm，减小了0.9mm（5.8%）；竖向沉降值由5.1减少至2.7mm，减小了2.4mm（42.9％）；坑底的竖向隆起最大值由13.7mm增加至14.1mm（0.28%）。

总的来说，基坑整体变形规律在有无溶洞的情况下基本相同。溶洞未填充时，围护结构在水平变形上较溶洞填充后有所增加，在本研究工况下增加了5.8％；溶洞使得支护桩竖向回弹隆起量减小了11.9％。

5.结论

本文针对广州地铁九号线广州北站基坑工程进行了现场实测数据的分析，分别进行了围护结构顶水平位移WY、围护结构侧向位移CX、地面沉降DM三个参数的现场变化规律的分析，同时进行了实测监测数据与数值模型结果的对比验证，主要得到了以下几个方面结论：

（1）从围护结构顶水平位移WY实测数据变化曲线可知，随着施工开挖时间的变化，支护桩顶水平位移WY呈不断增加的趋势，整体上前期水平位移增加较快，快要开挖至坑底时桩顶的水平位移趋于稳定。

（2）从围护结构侧向位移CX实测数据变化曲线可知，随着开挖施工阶段的进行，围护结构的水平位移CX最大点位置在不断向下移动，且水平变形最大值不断增大。

（3）从地面沉降DM实测数据变化曲线可知，随着与支护桩的距离不断增大，地面沉降先是不断增大，然后沉降又反而减小的规律变化。

（4）通过现场实测资料与数值模型结果的对比可知，在测量误差允许范围内，数值分析模型所得规律与现场实测结果基本一致，两者数据数值上的差异可以找到合理的原因。因此本研究建立的数值模型针对本研究工程项目具有可靠性，数值模型参数取值合理，说明该数值模拟施工过程可以为岩溶区基坑的支护桩稳定性分析提供一定的参考。

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作者简介：梅博轩(1992-)，男，硕士，主要研究方向为岩溶区支护桩的稳定性.

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