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摘 要：

针对临河软弱地层桥梁微型桩力学特性与优化设计问题，以“一带一路”重点贡献项目格鲁吉亚E60高速公路Ubisa-Shorapani(F3)标段工程为主要依托，利用数值模拟分析桩体重要参数对力学性能及变形影响，并将模拟结果与现场监测数据对比分析。结果表明：桩径从180 mm变化至260 mm,桩体最大水平位移减小5.52 mm,降幅为31.1%,据此在工程实际中可通过增大桩径有效控制桩体位移；桩间距由280 mm增加至360 mm,桩身最大水平位移仅增加2.5 mm,同时桩数量减少，可见桩间距的调整对经济性起到关键作用；钢管壁厚与钢管直径等差变化时，钢管壁厚对桩体水平位移影响效果较为显著；调整环梁竖向间距能改变不同深度处桩体水平位移，其中在桩顶0～2 m深度范围内的水平位移随间距改变变化最为明显。根据上述结果确定的微型桩优化方案在工程中运用显示，理想效果。

关键词：

临河软弱地层;微型桩支护体系;刚性环梁支撑;支护机理;优化设计;

作者简介：

谢鑫(1980—),男，高级工程师，学士，研究方向为隧道与地下工程。

*梁斌(1963—),男，教授，博士研究生导师，博士，研究方向为桥梁与隧道工程。

基金：

国家自然科学基金项目(U1604135);

中交集团第二公路工程局重点科研项目(2020-2-15);

河南省科技厅产学研合作项目(2015HNCXY011);

引用：

谢鑫, 卜一鸣, 晁晓辉, 等. 临河软弱地层桥梁微型桩力学特性与优化设计[ J]. 水利水电技术(中英文), 2022, 53(9): 132- 141.

XIE Xin, BU Yiming, ZHAO Xiaohui, et al. Mechanical characteristics and optimization design of bridge micro-pile in soft stratum adjacent to river[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2022, 53(9): 132- 141.

0 引 言

随着“一带一路”倡议的提出，我国社会与经济得到了高速发展，其中以中欧班列为代表的国际运输通道建设成果较为丰硕。在取得成就的同时，道路工程建设进入高潮时期，将面临更加复杂、困难、刁钻的工程技术问题。微型桩的出现，成功帮助工程师在众多复杂、困难施工环境中解决较多工程技术难题,尤其是在大型机械难以进入的场地、边坡易发生危险滑动破坏、基坑工程安全性要求较高、施工成本高等苛刻情况下发挥了较好的作用。因此研究微型桩力学特性及其优化设计对今后工程建设发展有着重要价值。

随着工程经验积累及理论研究深入，微型桩力学性能、治理效果及破坏模式得到全面研究。在工程中的应用也得到了多元化发展，常与其他较为成熟的治理技术相结合，被广泛应用于边坡治理、滑坡修复、路基加固等方面。海外学者通过理论分析与现场试验相结合的方法，研究了滑坡治理中微型桩处治效果，指出采用微型桩与锚索联合支护后边坡安全系数显著提高，为加固工程设计提供了较好依据。任光明等将ABAQUS模拟出的微型桩群桩效应系数与理论计算结果进行对比，研究不同桩间距下微型桩力学特性，得出桩间距取4D～5D(D=300 mm)时群桩竖向承载性能较好，极限抗压承载力可达2 700 kN。王祥采用现场监测方法，对边坡整体稳定性、微型桩桩长、桩间距、配筋量等进行研究，指出滑坡工程中采用微型桩加固是合理的，最终滑坡变形得到有效控制、路基工程安全得到保障。马华等基于弹塑性计算理论，利用数值模拟软件分析滑移作用下微型桩变形，研究桩体倾角、桩顶约束、嵌固长度、桩间距等因素下微型桩处治滑移效果，为优化设计提供理论和技术支撑。但关于微型桩支护基坑工程实例较少，施工可借鉴经验不多，不能满足今后开展微型桩力学特性及优化方面需求。

近年来关于桩体力学性能及支护结构优化研究的不断深入使微型桩广泛应用于基坑工程中，并取得了理想的支护效果。高森亚利用理论与实践相结合的方法，分析归纳了基坑支护中桩体受力机理，并针对其受力性能做出详尽分析，证明微型桩具有较高应用价值。陈政旭通过PLAXIS 3D软件对基坑开挖全过程进行三维数值模拟，分析后指出相同条件下微型桩的支护效果远好于普通灌注排桩，而且能降低成本、缩短工期。王鹏等通过深基坑微型桩支护模型实验探究桩体力学特性，研究表明开挖面以上桩身弯矩变化幅度较大，弯矩过渡点处于开挖面处并随着开挖深度增加逐渐下移。YANG等通过建立数学结构模型，运用改进粒子群算法对微型桩进行优化设计，优化后表明桩体力学性能得到大大提升。李鑫等利用FLAC3D有限差分软件建立独立式、连系梁式及承台式支护体系模型，对比讨论后指出当桩间距大于1.5 m时连系梁式微型桩抗土体滑动效果最佳，受力最为协调。董贵平结合实际工程，利用数值模拟软件研究桩间距、桩长、横向支撑间距等主要参数对基坑稳定性影响，结果表明支撑水平间距为4 m时，其依托工程稳定性及经济性较好。么梦阳利用MIDAS GTS有限元软件对基坑建立三维模型，通过优化桩径、桩间距、锚索锚固段长度来提升结构支护效果，最终达到预期效果。徐云飞建立Interface模型，分析力学特性对锚杆预应力、桩体参数及材质的敏感性，最终指出钢管作为芯材支护效果最好，对微型桩支护优化设计具有重要指导作用。

目前，基于圆形基坑支护结构力学性能、荷载传递效应及组合模式下的微型桩优化研究较少，仍需进一步对比寻找特定工况下参数最佳取值及支护方案，以便将其更好地应用于工程实际。本文以格鲁吉亚E60高速公路Ubisa-Shorapani(F3)标段工程为研究对象，基于微型桩复合结构支护机理，采用有限元模拟软件建立三维基坑力学模型，分析桩径、桩间距、钢管尺寸、横向支撑竖向间距等参数下桩体变形及力学特性，通过对比研究不同组合形式下支护结构性状提出最优设计方案，并成功应用于后续施工中，为同类型工程提供参考。

1 工程概况

项目起止桩号为K6+282—K13+050,全长6.768 km, 位于格鲁吉亚中部，是连接首都第比利斯和库塔伊西(格鲁吉亚第一大城市和第三大城市)的主要建设项目。因当地坡度陡峻、植被较多、河流较多且幽深，微型桩常运用于富水软弱地层上构筑桥梁承台或扩大基础开挖时基坑防护，现场施工环境如图1所示。每座桥墩基坑横截面为标准圆形，是基坑工程中重要类型之一，采用微型桩与横向支撑相互结合支护方法，混凝土强度等级为C35,重要性等级为一级，首道设置混凝土支撑，其余设置刚性环梁。采取多功能钻机跳孔钻进，钻孔与钢管安装以及注浆形成流水作业。

图1 格鲁吉亚现场临河基坑

2 复合结构支护机理及变形

2.1 支护机理

微型桩-圈梁复合支护结构力学传递如图2所示，图2中桩体因土体作用不同而被分为“被动”与“主动”段。“被动”段桩体与不稳定土层中土体共同承担水平荷载，位移转折点位置受变形系数约束，而“主动”段桩体在荷载作用下发生挠曲变形及应力改变，且平衡位置受荷载大小影响。当基坑施作圈梁后，圈梁与桩组成复合支护结构体系，既能竖向抗弯又能环向受压，能较大程度抵抗水平推力，其受力特性及力学传递路径均得到提升。相对于长、方形基坑的支护形式，圆形基坑复合支护结构受力较为均匀、合理，可将不稳定土层中土压力通过桩体传递给横向环梁，转化为轴向压力，既能较大程度地发挥混凝土抗压能力，减小桩体侧向位移，又可节省施工空间，发挥圆形基坑空间效应。

图2 复合支护结构简化示意

2.2 变形分析

本文运用广义Heaviside和Delta函数并结合图2综合分析复合支护结构变形：首先假设基坑半径为R1,开挖土层深度为L1,微型桩等效深度为L、厚度为T、弹性模量为E、泊松比为ν的圆柱壳,横向环梁设置深度为z=zi(i=1,2,3,…,N),同时根据轴线oz与地表建立柱坐标系oρθz。即

式中，k0为静止土压力系数；γ0和γ1分别为坑外土体和坑内L2层土体的加权平均重度；q为基坑周边堆载，一般取20 kPa; q1(z)和q2(z)分别为基坑外土体和开挖面以下土体对圆柱壳的压力；H(z)为Heaviside函数。

记等效支护结构圆柱壳的径向位移、环向位移以及轴向位移分别为w(θ,z)、v(θ,z)和u(θ,z),则其位移变形控制方程为

其中 R=R1+t/2

式中，∇4为重调算子。

假定圆柱壳底部固定，并将不同深度处刚性环梁约束解除，引入如下无量纲量和参数，有

式中，fi为横向环梁约束反力；Fi为圆柱壳约束反力；q3为法向荷载。

柱壳弯曲刚度D=Et3/12(1-v2),Q(ξ)为无量纲法向分布载荷，则最终上述边值问题方程式(3)、式(1)和式(2)的无量纲形式为

最终，δ(ξ)=H′(ξ)为Delta函数，同时利用Laplace变化及逆变换求解上述微分方程，并联立边值问题方程式(5),求出一系列相关系数，最终可得圆形深基坑复合支护结构位移W(ξ)。

3 数值模拟

3.1 参数选取

根据实地勘探，地层从上到下分别为素填土、砾质黏性土、强风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩，且为更贴近实际富水环境下土体孔压，岩体本构采用Hardening Soil Model with small-strain Stiffness(HSS)模型，土体采用摩尔库伦模型。微型桩采用无破坏极限的线弹性beam单元，冠梁及圈梁采用具有良好剪切屈服能力pile单元，注浆加固区为实体单元。现场岩土体物理参数勘探值和各结构材料力学性能参数值如表1和表2所列。

3.2 力学模型建立

利用MIDAS-GTS NX有限元软件对桩号K6+282—K13+050标段CX-C-5监测点所在基坑建立有限元模型，基坑开挖半径为4.0 m, 开挖深度为11.8 m。考虑基坑开挖影响深度为开挖深度的2～4倍，影响宽度为开挖深度的3～4倍,模型长、宽均取到影响范围临界处，以此消除模型尺寸效应影响，因此长×宽×高为48 m×48 m×30 m。基坑开挖施工模拟共8步：首步开挖1 m, 设置混凝土冠梁；第2～7步每步向下开挖1.5 m, 同时设置一道I14工字钢圈梁；第8步开挖1.8 m, 设置注浆加固区。基坑截面均匀，周围没有重物堆载，无需考虑侧旁堆载所造成的偏压影响，同时约束模型底部竖向位移及四周侧壁水平位移。在土体附加孔隙水压力基础之上模拟水平加载过程，并将地层压力定为永久荷载进行计算分析，临河三维基坑开挖模型剖面如图3所示。

图3 临河三维基坑开挖模型剖面

3.3 模型验证

不同开挖分布下桩身位移云图如图4所示，由图4可知，第2步开挖结束时，桩身最大位移位置较靠近桩体上端，直至第8步开挖结束，桩身最大位移位置随开挖深度增加而下移，逐渐靠近桩体中端。

图4 不同开挖下桩位移云图

基于前述机理及变形理论对CX-C-5监测点所处K5+195桩进行位移计算，将解析值与有限元模拟值进行对比如图5所示。由图5可知，两曲线数值和变化趋势具有较好拟合度，表明本文桩体位移变形规律分析准确，模拟方法具有可行性及精确性。

图5 模拟值与解析值对比

4 模拟结果优化分析

4.1 桩体优化设计

综上，支护结构位移对基坑整体稳定性较为关键，能较好地体现复合结构的支护能力，为此本文主要通过改变监测点CX-C-5处桩体重要参数来对比分析变形规律及力学性能，提出桩号K6+282—K13+050标段微型桩最优设计。

4.2 桩径优化设计

在初步建立的力学模型基础之上，桩径按照20 mm间隔大小，从180 mm变化至260 mm, 分析不同桩径下桩体力学性能及变形，结果如图6所示。由图6可知，桩身水平位移与桩径变化呈现相反趋势，当桩径等差增大时，最大水平位移从17.73 mm减小至12.21 mm。由此可知，桩径增大使桩体刚性增大，柔性减小，抗弯及抗环向压力能力增强，工程中可通过合理控制桩径使桩位移减小。

图6 不同桩径下桩体位移

为了充分优化桩体，选择最优参数，满足更高支护及经济性要求，现采用“百分率”优化方法,将不同桩径下最大位移及弯矩变化量换算为百分率，同时将其绘制成在同一坐标系中的两条曲线如图7所示，交点横坐标即为最优桩径值。曲线交点横坐标最为接近220 mm, 同时对桩径为220 mm微型桩进行支护内力变形计算、抗倾覆及基坑整体滑动验算，结果均满足安全要求，因此220 mm为本标段桩径最优值。

图7 百分率优化结果

4.3 桩间距优化设计

图8为桩间距7D～10D(D为40 mm)变化范围内桩体水平位移曲线。从图8可知，各间距下曲线变形规律基本一致，均为“弓形”。当桩间距为10D时，桩最大位移突然增大至18 mm, 这会对施工及安全造成影响。桩间距为7D、8D、9D时，桩最大位移分别为12.2 mm、13.8 mm、14.7 mm, 位移值相差较小，且均在安全范围内。在满足安全稳定前提下，合理增大桩间距，可减小桩体数量，节约时间及成本，减小施工难度，因此桩间距为360 mm最为合理。

图8 不同桩间距下桩体位移

4.4 加固钢管优化设计

在优化过程中，同样保证其他参数不变，分别讨论加固钢管直径从160～250 mm以及壁厚从9.0～12.0 mm等差变化下桩体位移大小，研究钢管几何参数对桩体力学性能的改变，计算结果如图9所示。

图9 不同钢管尺寸下桩体位移

由图9可知，钢管几何参数对不同深度处桩位移影响效果相似，随着直径及壁厚的增大，位移都相应减小，且最大水平位移出现位置几乎不变。同时对比两图曲线，当直径与壁厚都以相等频次增加时，壁厚的改变对位移影响效果显著，位移变化幅度相对较大。

根据有限元模拟对比分析市场上最为常用且与本文施工机械规格最为接近的4种钢管尺寸(见表3)。由于上述选定最优桩径为220 mm, 而实际施工中钢管直径需完全小于桩径，所以直径规格为219 mm、245 mm钢管不适用，同时壁厚增大将直接加强钢管刚度，减小桩体最大水平位移，因此直径为168 mm, 壁厚为5.0 mm尺寸为钢管最优规格。

4.5 复合结构优化设计

在具体实际工程中，刚性环梁竖向支撑间距一般都是根据施工经验，不一定具有最优性，而恰当的间距能使结构内力分配均匀，提高协同受力效果，有效保证基坑变形及安全。在以上设计基础之上，将不同间距环梁支护方案进行数值模拟，桩体位移随间距变化曲线如图10所示。结果显示：竖向间距的增大使环梁对桩体侧向变形约束作用减弱，桩位移增加，其中桩顶处位移变化最为明显。L=2.0 m时桩顶位移达到了8.1 mm, 累计超过安全控制值15.8%,势必会给施工带来巨大风险。当L<2.0 m时，桩体位移均在安全范围内，但L=1.5 m时，桩顶位移为6.8 mm, 较接近安全临界值7 mm。在达到可靠性要求的同时，为提高施工效率，减少钢材消耗，避免支撑架设滞后，最终选择L=1.0 m为最优间距。

图10 不同竖向间距下桩体位移

4.6 最优方案

根据上述分析结果，桩径取220 mm、桩间距取360 mm、环梁竖向间距取1 m较为合理。由于钢管直径对桩位移影响效果并不如壁厚显著，在常用规格之上无需再精化，而壁厚过大会导致桩体弯矩过大，且发生桩位后移，综上考虑加固钢管尺寸最优为ϕ168 mm×5 mm, 微型桩优化设计如图11所示。

图11 复合支护结构设计示意

5 实施效果与结果讨论

5.1 实施效果

依据前述优化设计研究，采用最优方案在桩号K6+282—K13+050标段进行基坑支护，同时选取监测点CX-C-10所在桩号K6+213剖面监测数据如图12所示。由图12可知，最大水平位移位置随开挖深度增加逐渐下移，最终保持在桩体中段，且其值为12.3 mm, 处于安全范围内。因此综合现场施工，优选出的微型桩设计方案在格鲁吉亚E60高速公路施工中取得了理想效果，对今后优化设计微型桩做出重要指引，施工效果图如图13所示。

图12 实测值

图13 微型桩施工现场

5.2 结果讨论

通过有限元建立实际开挖模型，以相关规范及设计标准控制桩体变形及内力，合理选取优化对象参数(桩径、桩间距、钢管尺寸、横向支撑竖向间距)大小，将最终取得的微型桩优化设计方案应用于工程实际中，取得既安全又经济的效果。本文优化对象广泛，参数选取定性又定量，对依托工程有较好的适用性。但同时工程位于格鲁吉亚中部，当地降雨量丰富且地层复杂，与其他常规方法相比较，上述分析所得规律因受地质条件影响，推广应用至其他复杂环境下有些许局限性，应结合具体工程环境具体分析。该结果与基于有限元数值模拟的正交试验法优化结果较为一致，优化后的桩体水平位移变化规律与最大位移位置相对吻合，但之间仍存在误差，可能原因是模拟时接触单元属性设置的不同，因此本文方法可行且正确，但其精确性还有待于进一步提升。

本文方法与目前常规方法对比后发现，影响微型桩优化设计取值的因素有很多，在以桩体变形、桩身内力大小为判据基础之上还可进一步添加更多指标，如：施工技术、施工组织、难易程度等。在今后研究中将构建更为全面的参数选取模型，实现多目标、多方法优化设计，更大限度地发挥桩体作用，满足工程需求。

6 结 论

以格鲁吉亚临河软弱地层桥梁微型桩基坑工程实例为研究对象，通过改变结构参数，分析其力学特性及变形敏感性，从而对微型桩进行优化设计，并以现场实际监测结果加以辅助验证，得出如下结论：

(1)桩径从180 mm变化至260 mm时，桩体最大水平位移减小5.52 mm, 降幅为31.1%,桩径增大桩身水平位移减小，抗环向压力及抗弯能力增强，工程中可通过合理增大桩径来有效控制桩体位移。

(2)桩间距的调整对支护结构优化设计的安全性、经济性起到关键作用，且间距变化范围不同对位移改善程度也不同，同时桩间距为360 mm时，基坑稳定性较好，满足支护要求。

(3)钢管壁厚与钢管直径等差变化时，钢管壁厚对桩体水平位移影响效果显著，且最大水平位移改变量分别约为1.2 mm、0.8 mm。合理调整环梁竖向间距能协同各结构发挥更大支护效果，使内力分配更为均匀，且桩顶0～2 m深度范围内的水平位移随间距改变变化最为明显。

(4)分析不同桩径、桩间距、加固钢管尺寸、环梁竖向间距对微型桩水平位移控制效果，确定最优方案为桩体直径220 mm, 桩间距200 mm, 内插ϕ168 mm×10 mm加固钢管，环梁竖向间距为1 m。

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