排樁內(nèi)支撐支護(hù)體系在軟土深基坑中的應(yīng)用與研究

鄭素蘋

（福建江夏學(xué)院 工程學(xué)院，福建 福州 350108)

排樁內(nèi)支撐支護(hù)體系在軟土深基坑中的應(yīng)用與研究

鄭素蘋

（福建江夏學(xué)院 工程學(xué)院，福建 福州 350108)

以實(shí)際工程為依托，運(yùn)用理正基坑算法對排樁支護(hù)下的軟土深基坑開挖過程中產(chǎn)生的樁身彎矩變化、樁身側(cè)向變形以及由于開挖引起的基坑周圍地表沉降規(guī)律進(jìn)行了分析，得出排樁內(nèi)支撐支護(hù)體系在軟土地區(qū)的深基坑工程中能有效控制基坑位移以及周邊地表沉降，支護(hù)效果穩(wěn)定、安全的相關(guān)結(jié)論，可以為類似工程實(shí)踐提供了參考。

深基坑；排樁內(nèi)支撐體系；彎矩；變形

隨著城市建設(shè)的高速發(fā)展，各大中小城市的建設(shè)用地越來越緊張，導(dǎo)致建筑物樓層越來越高，地下室越來越深。基坑開挖深度越來越大，基坑支護(hù)是保證基坑開挖過程中的施工安全的關(guān)鍵，這就對基坑支護(hù)技術(shù)提出了新的要求和挑戰(zhàn)。

當(dāng)基坑開挖深度比較大時(shí)，如果懸臂式支擋結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度和變形上無法滿足要求時(shí)，則可在坑內(nèi)配合采用內(nèi)撐支護(hù)。排樁內(nèi)支撐支護(hù)體系由于可靠性高、不侵越紅線且便于與逆作法相結(jié)合，在工程中得到越來越廣泛的應(yīng)用[1-3]。它適用于各種類型的土層，缺點(diǎn)是內(nèi)支撐在施工中會占用一定的施工空間，常用的有鋼管內(nèi)撐支護(hù)和鋼筋砼構(gòu)架內(nèi)撐支護(hù)。為了使排樁支護(hù)支護(hù)體系更好的應(yīng)用到工程中，工程師以及學(xué)者們對其工作性能進(jìn)行了深入的研究。吳銘炳[4]以應(yīng)用排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的福州某基坑原位測試結(jié)果為基礎(chǔ)，分析了排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力變形特征，并將不同理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行了對比，得出了控制排樁位移的措施；許錫昌等[5]對以懸臂排樁支護(hù)的矩形基坑進(jìn)行研究，通過數(shù)值模擬與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，歸納出了排樁的空間變形模式，以此建立了整個(gè)支護(hù)體系的能量表達(dá)式；林雪梅[6]以實(shí)際工程為依托，對軟土基坑排樁支護(hù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)支撐梁剛度和強(qiáng)度是支撐基坑變形的關(guān)鍵。

排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)都可用彈性梁和彈性支點(diǎn)法計(jì)算模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。排樁支護(hù)體系受力明確，計(jì)算方法和工程實(shí)踐相對成熟，是目前國內(nèi)基坑工程中應(yīng)用最多的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式之一，特別是被廣泛應(yīng)用于深厚軟土層的深基坑工程中。本文在前人研究工作的基礎(chǔ)上，以福州某中學(xué)的基坑工程為依托，對排樁支護(hù)作用下的軟土基坑變形規(guī)律及機(jī)理進(jìn)行了分析，對東南沿海地區(qū)相同工程地質(zhì)條件下的軟土深基坑支護(hù)有實(shí)踐意義。

1 工程概況

1.1 場地概況

擬建場地位于福州市某中學(xué)校園內(nèi)，現(xiàn)為舊房拆遷和學(xué)校操場，地面下設(shè)有 1層滿鋪地下室。擬建場地北側(cè)與圍墻的最小距離約8 m，圍墻外為化民營路；南側(cè)為已建 7層框架結(jié)構(gòu)綜合樓，最小距離約 9 m；西側(cè)與圍墻的最小距離約 6 m，圍墻外為現(xiàn)有化民后巷；東側(cè)與圍墻距離約 6 m，與已建福建省 5層框架結(jié)構(gòu)的文物總店最小近距約 10 m。場地總體地勢平坦，局部呈小階梯狀。

本工程共設(shè)兩層地下室，底板面平均標(biāo)高為-9.70 m。底板厚600 mm，底板底設(shè)300 mm厚墊層，基坑開挖至底板墊層底的平均深度為10.00 m，基坑支護(hù)周長約340 m，安全等級為一級。其基坑支護(hù)工況如表1所示，支護(hù)平面圖如圖1所示。

表1 基坑支護(hù)工況

圖1 基坑平面圖（單位/mm)

1.2 工程地質(zhì)條件

擬建場地表層為人工堆積形成的填土，其下土層屬淤積、沖積成因類型和基巖風(fēng)化帶組成，基底巖性為燕山晚期侵入的花崗斑巖，地貌單元屬福州盆地。根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，場地土自上而下，見表2。

表2 基坑各土層物理力學(xué)參數(shù)

1.3 水文地質(zhì)條件

基坑開挖深度范圍內(nèi)的地下水主要為：上部松散層孔隙潛水，受大氣降水和周邊排水溝入滲的影響，賦存于雜填土層，透水性中等，富水性弱。勘察期間，地下水混合水位埋深0.83～1.62 mm，標(biāo)高6.77～7.33 m?；硬捎忙?00高壓旋噴樁止水帷幕隔水，坑內(nèi)集水明排。

1.2.1 汽輪機(jī)模型 汽輪發(fā)電機(jī)模型包括同步機(jī)、汽輪機(jī)、交流勵(lì)磁機(jī)、熱工調(diào)速器和多質(zhì)量扭轉(zhuǎn)軸接口．主要技術(shù)參數(shù)見表1[7]．

1.4 計(jì)算軟件及計(jì)算方法

工程采用理正深基坑軟件進(jìn)行計(jì)算分析。輸入的土體參數(shù)、排樁和內(nèi)支撐參數(shù)和選擇的計(jì)算模型、理論假定等，都會對計(jì)算結(jié)果有直接的影響。工程土體抗剪強(qiáng)度的參數(shù)采用固快指標(biāo)。結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形計(jì)算值、支點(diǎn)力計(jì)算值應(yīng)根據(jù)基坑開挖及地下結(jié)構(gòu)施工過程的不同工況、根據(jù)受力條件分段按平面問題計(jì)算，選用彈性法。

2 基坑支護(hù)方案

綜合基坑的工程概況，該基坑具有以下幾個(gè)主要的特點(diǎn)：本基坑設(shè)計(jì)有兩層地下室，開挖深度比較大，平均開挖深度在10 m左右，根據(jù)規(guī)范，該基坑的安全等級屬于一級；基坑開挖范圍內(nèi)土體性質(zhì)比較差，透水性較弱，粘土層分布非常不均勻，淤泥層的厚度較大，坑底下臥層為粉質(zhì)粘土；基坑形狀較規(guī)則，近乎長方形；周邊環(huán)境條件差，基坑北面、西面為城市道路，南側(cè)為已建綜合樓，東側(cè)為省文物總店，距離均較近，最近僅6 m，基本無放坡條件。

根據(jù)以上特點(diǎn)，基坑支護(hù)采用兩層內(nèi)撐式灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)，圍護(hù)樁采用旋挖鉆孔灌注樁，截面為φ900，間距約為1300mm。水平內(nèi)支撐為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，支承立柱上部采用鋼格構(gòu)柱，下部采用 φ900旋挖鉆孔灌注樁做基礎(chǔ)。圍護(hù)樁之間采用φ700的高壓旋噴樁進(jìn)行止水擋土；坑內(nèi)局部超挖部分，根據(jù)開挖后的地質(zhì)情況，采用放坡加砂袋反壓臨時(shí)支護(hù)?；又ёo(hù)典型剖面圖如圖2所示，其對應(yīng)的施工工況入表1所示。

圖2 基坑支護(hù)剖面圖（單位:mm）

3 力學(xué)機(jī)制及變形分析

3.1 樁身彎矩分析

根據(jù)理正深基坑計(jì)算結(jié)果，圖3為樁身在不同工況下的彎矩圖，曲線1～7分別對應(yīng)工況1～7。由圖可知，不同工況下樁身彎矩零點(diǎn)均在坑底以下約5 m處，工況3、4零點(diǎn)距離坑底較近。樁身彎矩圖以零點(diǎn)位置為中心對稱點(diǎn)呈近乎中心對稱，隨著基坑開挖的進(jìn)行，樁身最大正負(fù)彎矩總體呈逐漸增大的趨勢，在最后一層開挖工況樁身彎矩峰值為所有工況中的最大值。

3.2 內(nèi)支撐體系分析

如圖1所示，工程采用鋼筋混凝土對撐結(jié)合角撐支撐形式，各塊支撐受力相對獨(dú)立，支撐剛度大，有利于控制支護(hù)結(jié)構(gòu)變形。內(nèi)支撐體系可以直接平衡圍護(hù)樁上所受到的土壓力，主要受軸力和彎矩，屬于偏心受壓構(gòu)件，受力明確。內(nèi)支撐計(jì)算采用空間整體協(xié)同有限元計(jì)算方法，考慮了支護(hù)結(jié)構(gòu)、內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)及土空間整體協(xié)同作用的線彈性有限元計(jì)算方法，建立平面分析模型計(jì)算水平支撐的內(nèi)力與變形。根據(jù)理正深基坑軟件計(jì)算結(jié)果，鋼筋混凝土內(nèi)支撐的受到的最大軸力為8300 kN，最大彎矩為635 kN·m。

圖4為基坑橫向變形曲線，曲線1～7分別對應(yīng)工況1～7。由圖可知，基坑在開挖初始階段，即工況1、2時(shí)樁頂?shù)乃轿灰谱畲?，樁身的位移隨深度的增加逐漸減小至零；隨著基坑不斷向下開挖和各道內(nèi)支撐的施加，排樁的水平位移整體呈現(xiàn)出中間大兩頭小的變化規(guī)律，變形曲線呈現(xiàn)出猶如弓形的形狀，弓形峰值隨著開挖深度的增加而不斷增大，由工況3、4峰值小于工況5且小于工況6和7的曲線特點(diǎn)可以看出。同時(shí)峰值位置也不斷下移，最大變形量與基坑深度比值分別為0.10%、0.19%、0.30%。不少學(xué)者通過研究統(tǒng)計(jì)總結(jié)出，軟土地區(qū)一般板樁支護(hù)體系最大側(cè)向變形大約在0.01 H左右[7]，采用鉆孔灌注樁或地下連續(xù)墻的基坑一般小于0.01 H，基本落在0.20%至0.90%H之間[8]。因此該排樁支護(hù)基本上能較好的滿足橫向變形要求，說明本工程的基坑支護(hù)方案可靠，開挖方案合理，對基坑周圍環(huán)境保護(hù)較好，基本滿足對基坑變形控制的要求。

圖3 不同工況排樁彎矩圖

圖4 排樁橫向變形圖

3.4 基坑周圍豎向沉降規(guī)律分析

基坑開挖周邊地表沉降觀測圖如圖5所示。從沉降圖可以看出：該基坑周圍地表沉降整體較小，三種不同算法（三角形法、指數(shù)法和拋物線法）的平均最大值只有39 mm，由此可以說明該基坑工程所采用的支護(hù)形式和施工方案是較為合理的。根據(jù)拋物線法，基坑沉降的最大值出現(xiàn)在距基坑邊10 m左右的位置，這說明基坑的坑壁處并不是沉降最大的位置，沉降最大的位置和離基坑邊的距離之間有一定的關(guān)系。

圖5 地標(biāo)沉降曲線

3.5 排樁支護(hù)變形機(jī)理分析

由以上對支護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩、變形以及基坑周圍地表沉降的分析，可以發(fā)現(xiàn)基坑土壓力主要作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)排樁的兩側(cè)，即開挖側(cè)和非開挖側(cè)?；娱_挖之前，排樁兩側(cè)的土壓力大小基本相等，方向相反，互相抵消，此時(shí)排樁受到靜止土壓力作用；基坑開挖后，開挖側(cè)產(chǎn)生臨空，僅非開挖側(cè)受土壓力作用，兩側(cè)受力不平衡，此時(shí)排樁因此產(chǎn)生朝基坑開挖面的位移，位移的逐漸增大反映的是應(yīng)力傳遞的變化過程，土壓力通過土體中力的傳遞作用于排樁上，通過排樁的變形來調(diào)節(jié)平衡，調(diào)節(jié)過程中土壓力逐漸變小，最終轉(zhuǎn)化成主動土壓力，排樁結(jié)構(gòu)再次達(dá)到新的受力平衡。

3.6 排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

在對該支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形機(jī)理進(jìn)行分析后可以知道，排樁在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)中主要承受水平方向的土壓力作用，排樁鋼筋受力特征主要取決于支護(hù)結(jié)構(gòu)型式的選擇。以本文基坑支護(hù)工程為例，該基坑的開挖深度約為10 m，采用排樁并在基坑內(nèi)部加設(shè)雙層內(nèi)支撐的支護(hù)結(jié)構(gòu)，支撐根據(jù)土層等綜合情況設(shè)置在地面以下1.45、5.45 m處。在進(jìn)行內(nèi)支撐施工前，需對土層上部先進(jìn)行開挖，開挖后排樁露出部分處于懸臂狀態(tài)，開挖一側(cè)鋼筋牌受壓狀態(tài)，非開挖一側(cè)處于受拉狀態(tài)；上層內(nèi)支撐設(shè)置完成后，繼續(xù)向下開挖，此時(shí)為內(nèi)支撐式支護(hù)結(jié)構(gòu)，排樁在開挖一側(cè)的鋼筋由于內(nèi)支撐的作用由受壓狀態(tài)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)，非開挖側(cè)鋼筋則由受拉狀態(tài)變?yōu)榱耸軌?；基坑開挖完成，拆撐后，排樁向基坑方向位移，排樁恢復(fù)到初始開挖側(cè)的鋼筋受壓，非開挖側(cè)鋼筋受拉的狀態(tài)。

綜上所述，排樁在基坑支護(hù)中為受彎構(gòu)件，不同深度彎矩大小不同，一般在開挖面附近彎矩最大。根據(jù)其受力特征，一般對排樁的配筋采用特殊處理，即基坑內(nèi)外兩側(cè)不對稱且分段的配筋方式，在彎矩較大的坑底附近配筋率較大，這種配筋方式使得排樁在支護(hù)過程中能更合理抵抗土壓力，有利于鋼筋強(qiáng)度的充分發(fā)揮，與均勻布筋相比不僅更經(jīng)濟(jì)，而且更有安全保障。

4 結(jié)論

以某中學(xué)基坑工程支護(hù)為例，采用理正計(jì)算軟件對基坑不同施工階段的排樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩變化規(guī)律、樁身變形規(guī)律以及基坑周圍地表沉降特點(diǎn)進(jìn)行了分析研究，主要得到了以下幾個(gè)結(jié)論：

（1）排樁內(nèi)支撐支護(hù)在基坑開挖過程中，樁身彎矩最大值出現(xiàn)在坑底附近，零點(diǎn)處于坑底以下5m范圍內(nèi)，因此坑底深度對應(yīng)樁側(cè)配筋需有所側(cè)重；

（2）排樁內(nèi)支撐支護(hù)在基坑開挖過程中的水平位移呈現(xiàn)弓形形狀，最大水平位移是靠近坑底的位置，隨著挖深增加，樁身最大水平位移也隨之增加；

（3）排樁內(nèi)支撐支護(hù)下的基坑開挖所引起的坑外地表沉降的沉降量與離坑邊距離有一定的關(guān)系，按照拋物線法分析基本呈先增大后減小的關(guān)系；

因此，排樁內(nèi)支撐支護(hù)體系能有效控制基坑位移及周邊沉降，支護(hù)效果穩(wěn)定、安全，符合相關(guān)規(guī)范要求，是一種有效的支護(hù)形式。

［1］袁海慶，張光文．排樁-內(nèi)支撐深基坑支護(hù)體系的等效轉(zhuǎn)換與簡化計(jì)算［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2011，33（5）：725－729．

［2］章潔．軟土地區(qū)深基坑內(nèi)撐式排樁支護(hù)的變形規(guī)律現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬分析［D］．杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2013．

［3］何仕英．排樁內(nèi)支撐體系在金色梧桐二期深基坑工程中的應(yīng)用［J］．工程與建設(shè)，2013（5）：655－657．

［4］吳銘炳．軟土基坑排樁支護(hù)研究［J］．工程勘察，2001（4）：15－17．

［5］許錫昌，陳善雄，徐海濱．懸臂排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)空間變形分析［J］．巖土力學(xué)，2006，27（2）：184－188．

［6］林雪梅．軟土深基坑排樁支護(hù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和監(jiān)測［C］／／全國結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會議，2002．

［7］PECK R B．Deep excavation and tunneling in soft ground［C］／／Proceeding of the 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering，State－of－the－art Volume．Mexico City，1969：225–290．

［8］劉興旺，施祖元，益德清，等．軟土地區(qū)基坑開挖變形性狀研究［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，1999，21（4）：456–460．

(責(zé)任編輯：朱聯(lián)九）

Application and Research of Inner-bracing Soldier Pile Retaining System in Soft-soil Deep Foundation Pit

ZHENG Su-ping
(College of Engineering，F(xiàn)ujian Jiangxia University,Fuzhou 350108,China)

Relying on real project and using management software for deep excavation,the changes of pile's bending moment and lateral deformation as well as adjacent ground settlement of deep dip in the excavating are analyzed.It is concluded that inner-bracing soldier pile retaining system can effectively control displacement and ground settlement around foundation pit,which has practical significance and can provide reference for similar engineering practice.

deep foundation pit；inner-bracing soldier pile retaining system；bending moment；deformation

TU463

A

1673-4343（2017）02-0083-06

10．14098／j．cn35－1288／z．2017．02．015

2016-12-16

鄭素蘋，女，福建南安人，講師。主要研究方向：邊坡及基坑的設(shè)計(jì)與施工。