咬合樁拱形圍護(hù)結(jié)構(gòu)在臨江拱座深基坑中的應(yīng)用

吳事貴 蘇玉杰

摘 要：為解決二元結(jié)構(gòu)臨江拱座深基坑施工過程中滲水量大、水土壓力大和征地困難的問題，在滿足實(shí)際工期需求的前提下，結(jié)合臨江拱座深基坑特殊的工程地質(zhì)條件，提出了一種臨江拱座深基坑咬合樁拱形支護(hù)方案，分析了咬合樁拱形圍護(hù)結(jié)構(gòu)的特征，校核了咬合樁拱形圍護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并對(duì)咬合樁拱形圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明：1）咬合樁拱形圍護(hù)結(jié)構(gòu)兼有擋土和止水作用，具有施工工期短、止水效果好、無需內(nèi)支撐等優(yōu)點(diǎn);2）要使拱形結(jié)構(gòu)的冠梁不受彎矩與剪力作用，則冠梁對(duì)應(yīng)的半徑應(yīng)為定值;3）依據(jù)冠梁受力特點(diǎn)設(shè)計(jì)的拱形圍護(hù)結(jié)構(gòu)能利用冠梁自身強(qiáng)度分擔(dān)部分土壓力荷載，基坑冠梁安全性好，圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力合理，穩(wěn)定性好，對(duì)周邊建筑物的影響在允許范圍。咬合樁拱形圍護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)方案實(shí)際應(yīng)用效果良好，可為拱形咬合樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：地基基礎(chǔ)工程;二元結(jié)構(gòu);咬合樁;深基坑;拱形圍護(hù)結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TU476文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi： 10.7535/hbgykj.2020yx05010

收稿日期：2020-04-16;修回日期：2020-06-25;責(zé)任編輯：張?軍

第一作者簡(jiǎn)介：吳事貴（1977—），男，四川成都人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事巖土工程勘察與基礎(chǔ)工程方面的研究。

通訊作者：蘇玉杰高級(jí)工程師。E-mail：511295090@qq.com

吳事貴，蘇玉杰.

咬合樁拱形圍護(hù)結(jié)構(gòu)在臨江拱座深基坑中的應(yīng)用

[J].河北工業(yè)科技，2020，37（5）：366-373.

WU Shigui，SU Yujie.

Application of arched retaining structure of secant piles in deep foundation pit near the river

[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2020，37（5）：366-373.

Application of arched retaining structure of secant piles in

deep foundation pit near the river

WU Shigui， SU Yujie

（Sichuan Highway Planning， Survey， Design and Research Institute Company Limited， Chengdu， Sichuan610041， China）

Abstract：

In order to solve the problems of large amount of water seepage， high water-soil pressure and difficult land acquisition of binary structure during the arched retaining structure construction in deep foundation pit near the river， under the premise ofmeeting the requirement of actual construction period， an arched secant pile support method of the arch deep foundation pit near the river was proposed with the special engineering geology taken into account. In this paper， the characteristics of the arched retaining structure of secant piles were analyzed， the arched retaining structure strength was checked and the deformation of the arched retaining structure of secant piles was monitored. The results indicate that： 1） the retaining structure has the functions of retaining soil and stopping water， and it has the advantages of the short construction period， good water stopping effect and unnecessary internal support; 2） to make the top beam of the arch structure free from bending moment and shear， the corresponding radius of the top beam should be a fixed value; 3） the arched retaining structure designed according to the mechanical characteristics of the top beam can share part of the earth pressure load by using the strength of the top beam.

The top beam has the advantages of good safety， reasonable stress of retaining structure and good stability，

Moreover， the influence of foundation pit excavation on the surrounding buildings is within the allowable range. Overall， the arched retaining structure of secant piles has a good application effect， and the research results can provide a reference for the design and engineering application of the arched retaining structure of secant piles.

Keywords：

ground foundation engineering; binary structure; secant pile; deep foundation pit; arched retaining structure

隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷推進(jìn)，各種平面構(gòu)型的深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)。常見深基坑平面多布置為矩形[1-3]，實(shí)際應(yīng)用中，將基坑四邊樁體排布成半徑相同或相近的拱邊，形成拱形圍護(hù)結(jié)構(gòu)，基坑四角設(shè)置角點(diǎn)樁構(gòu)成類似橋梁“拱座”結(jié)構(gòu)時(shí)，基坑變形程度比直線型圍護(hù)結(jié)構(gòu)小[4]。針對(duì)拱形圍護(hù)結(jié)構(gòu)，張土喬等[4-5]分析了拱腳樁變形、拱形狀等因素對(duì)單支撐拱形圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響和單支撐拱形圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形特征;張儀萍等[6]基于改進(jìn)拱梁法分析了懸臂式拱形圍護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩與變形情況;詹集明[7]介紹了鋼筋混凝土連拱形薄壁地下墻和鋼管混凝土連拱形內(nèi)支撐基坑支護(hù)體系;呂文志等[8]研究了水泥攪拌樁連拱支擋結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中的運(yùn)用效果;王輝[9]將拱形結(jié)構(gòu)引入抗滑樁中，指出拱形抗滑樁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更好，且造價(jià)更低。

現(xiàn)有拱形圍護(hù)結(jié)構(gòu)多選用水泥土攪拌樁進(jìn)行支護(hù)，但水泥土攪拌樁在富水地層中成樁質(zhì)量差，應(yīng)用效果不佳。咬合樁止水性能好，適用于富水地層深基坑支護(hù)，且具有施工安全快捷、成孔垂直度高、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)[10-14]，可考慮替代水泥土攪拌樁，但其在拱形圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的工程應(yīng)用尚屬空白，亟需對(duì)可行性進(jìn)行驗(yàn)證。筆者依托岷江特大橋拱座深基坑工程，提出采用咬合樁拱形圍護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)方案，并通過對(duì)該拱形圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析、校核、監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證了方案的有效性。

1?工程概況

1.1?項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目是G4216高速公路犍為岷江特大橋基礎(chǔ)工程，犍為岷江特大橋位于犍為縣城下游，橫跨岷江，橋身沿東西走向。此次開挖的拱座基坑是14號(hào)墩基坑，拱座基礎(chǔ)設(shè)計(jì)在弱風(fēng)化基巖上，采用整體式擴(kuò)大基礎(chǔ)，順橋向長(zhǎng)50 m，橫橋向?qū)?0.6 m。基坑位于岷江與馬邊河交匯口上游，處于階地面平坦、開闊的沖積階地上，基坑安全等級(jí)為一級(jí)，位置如圖1所示。

1.2?工程地質(zhì)條件

基坑自上而下，地層分別為第四系全新統(tǒng)Ⅰ級(jí)階地堆積層、粉砂質(zhì)泥巖。Ⅰ級(jí)階地堆積層由粉土和卵石組成。堆積層粉土呈黃灰色，以粉粒為主，卵石以灰色為主，呈亞圓形-圓形，卵石層構(gòu)成了臨江Ⅰ級(jí)階地二元結(jié)構(gòu)的下層。堆積層下部為侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組粉砂質(zhì)泥巖。粉砂質(zhì)泥巖呈紫紅色，鈣泥質(zhì)膠結(jié)，粉泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，層厚1～20 mm，總厚度大于100 m。堆積層粉土與泥巖的物理力學(xué)參數(shù)見表1和表2。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和既有勘察成果，施工季馬邊河與岷江水位表如表3所示。

1.3?基坑支護(hù)方案

該基坑初始設(shè)計(jì)為雙排SMW工法樁與錨索加固的矩形基坑，使用5～6道錨索，每道錨索在砂漿滿足強(qiáng)度要求后張拉錨固，錨固工程量大，施工周期長(zhǎng)?；邮┕ご┻^含二元結(jié)構(gòu)的臨江Ⅰ級(jí)階地第四系堆積層，堆積層中卵石層厚度大，鉆孔攪拌困難，型鋼難以插入，成樁質(zhì)量難以保證。針對(duì)該臨江拱座深基坑特殊的工程地質(zhì)條件，提出改用咬合樁拱形圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù)。由于基坑北側(cè)有民用建筑，為防止周圍建筑變形，北側(cè)基坑輔以錨索支護(hù)，其余各邊僅用拱形咬合樁支護(hù)?；庸斑呍O(shè)計(jì)參考拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各拱邊對(duì)應(yīng)圓的半徑為86.1 m、跨距為52.27 m、矢高為4.06 m，跨距與矢高之比滿足拱形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。咬合樁選用直徑1.4 m的鋼筋混凝土樁與直徑1.2 m的素混凝土樁咬合，相鄰兩樁咬合厚度為0.1 m，形成兼有擋土與止水功能的拱形圍護(hù)結(jié)構(gòu)。咬合樁樁底嵌入基坑底部粉砂質(zhì)泥巖中，嵌入深度為4.2 m，樁頂與截面大小為1.8 m×1.2 m的拱形冠梁連接，圍護(hù)結(jié)構(gòu)中共設(shè)置葷樁84根，素樁88根?；?個(gè)角點(diǎn)上設(shè)置有抗力樁及加固樁，作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)各拱邊拱座?？沽稑稄綖? m，加固樁樁徑為1.4 m，均采用C30混凝土澆筑。咬合樁拱形圍護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，咬合樁拱形圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖視圖如圖3所示。

2?咬合樁拱形圍護(hù)結(jié)構(gòu)特征分析

本基坑咬合樁拱形圍護(hù)結(jié)構(gòu)屬于典型的單排拱形樁結(jié)構(gòu)，單排拱形樁是由連續(xù)的單排樁組成，單排樁平面布置為拱形，如圖4所示，拱形樁施工順序?yàn)?—2—3—4—5。拱形圍護(hù)結(jié)構(gòu)可將咬合樁傳遞的荷載轉(zhuǎn)化為冠梁軸力，冠梁與咬合樁所受彎矩與剪力較小。拱形結(jié)構(gòu)的軸線為曲線，受豎向力作用后在拱形結(jié)構(gòu)底座處產(chǎn)生水平反力，抵抗拱形結(jié)構(gòu)變形。咬合樁的拱形排布方式能有效減小樁后土壓力，整體提高結(jié)構(gòu)總剛度，使咬合樁側(cè)向變形減小，從源頭上降低了基坑地表沉降與建筑物變形的風(fēng)險(xiǎn)，提高了基坑整體穩(wěn)定性。

2.1?咬合樁樁身及樁底作用

拱形咬合樁受土體自重及外部荷載產(chǎn)生的側(cè)壓力作用，側(cè)壓力首先作用于咬合樁樁身上，根據(jù)樁后土體力學(xué)性質(zhì)的不同，土壓力荷載分布形式可分三角形、矩形或梯形。咬合樁受壓后，樁體發(fā)生變形，產(chǎn)生樁身內(nèi)力，樁身內(nèi)力再通過錨固段樁體將荷載傳遞到拱形基坑下伏的基巖中，從而達(dá)到抵抗樁后土體變形的目的。

由式（11）-式（14）計(jì)算可得，基巖承壓面平均壓應(yīng)力為1 967 kPa，咬合樁安全系數(shù)可表示為

K1=fcσc1，（15）

式中fc為粉砂質(zhì)泥巖抗壓強(qiáng)度，kPa。

由式（15）及表2計(jì)算可得，咬合樁嵌固段安全系數(shù)為2.03，表明咬合樁設(shè)計(jì)能夠滿足安全需求。

3.3.2?咬合樁樁身抗壓強(qiáng)度校核

拱形圍護(hù)結(jié)構(gòu)徑向分布荷載的2/5由基巖強(qiáng)風(fēng)化中線至冠梁間的樁身傳遞至抗力樁及加固樁，這部分荷載可表示為

FN2=25FN。（16）

葷樁與素樁的咬合面面積為

Sj=LyHy，（17）

式中：Ly是葷樁與素樁咬合面寬度，m，Ly=0.5 m;Hy是基巖強(qiáng)風(fēng)化中線至冠梁底部的高度，m，Hy=8.8 m。

咬合樁樁身平均壓應(yīng)力為

σ2=FN2Sj，（18）

由式（16）-式（18）計(jì)算可得，承壓面平均壓應(yīng)力為4.053 MPa，咬合樁樁身安全系數(shù)可表示為

K2=fc1σc2，（19）

式中fc1為C30混凝土抗壓強(qiáng)度，kPa，fc1=143 kPa。

聯(lián)立式（16）-式（19），計(jì)算可得咬合樁樁身抗壓強(qiáng)度安全系數(shù)為3.53，表明咬合樁樁身足以抵抗外部荷載，樁身設(shè)計(jì)滿足安全要求。

3.3.3?冠梁抗壓強(qiáng)度校核

咬合樁徑向荷載的1/5由樁頂冠梁傳遞至抗力樁及加固樁，此部分荷載可表示為

FN3=15FN。（20）

冠梁橫截面上的平均壓應(yīng)力可表示為

σ3=FN3Sg，（21）

式中Sg為冠梁橫截面面積，m2，Sg=2.16 m2。

由式（20）-式（21）計(jì)算可得，冠梁橫截面所受平均壓應(yīng)力為4.129 MPa，冠梁抗壓安全系數(shù)可表示為

K3=fc1σc3。（22）

聯(lián)立式（20）-式（22），可得冠梁抗壓安全系數(shù)為346，表明冠梁強(qiáng)度足以抵抗冠梁內(nèi)部壓應(yīng)力，冠梁截面設(shè)計(jì)滿足安全要求。

4?咬合樁拱形圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)

圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)能為基坑動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工提供保障，保證施工期基坑安全，是定量評(píng)價(jià)施工質(zhì)量及施工安全的有效手段。為方便開展基坑監(jiān)測(cè)工作，為角點(diǎn)樁和咬合樁進(jìn)行編號(hào)。假定基坑?xùn)|北側(cè)抗力樁為東側(cè)1號(hào)樁，加固樁為2號(hào)樁和3號(hào)樁，東側(cè)拱邊北端第1根素樁為4號(hào)樁，第1根葷樁為5號(hào)樁，依次類推，順時(shí)針對(duì)各拱邊咬合樁進(jìn)行編號(hào)。各拱邊中點(diǎn)葷樁為該邊25號(hào)樁，1/4處葷樁為該邊15號(hào)樁與35號(hào)樁。文中所涉及的基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖如圖6所示。

4.1?冠梁變形

拱邊冠梁水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在咬合樁葷樁樁頂，位于各拱邊的15號(hào)樁、25號(hào)樁、35號(hào)樁處，共12個(gè)。施工期冠梁變形監(jiān)測(cè)最大值如圖7所示?；幽媳眱蓚?cè)拱邊冠梁中心變形大于東西兩側(cè)拱邊，其中南側(cè)拱邊中心變形量明顯大于北側(cè)拱邊中心變形量，這是因?yàn)榛颖眰?cè)拱邊采用了錨索輔助加固，限制了基坑北側(cè)冠梁的變形。盡管南側(cè)拱邊中心處冠梁變形量最大，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于預(yù)警值40 mm，表明基坑冠梁安全性好。

4.2?咬合樁樁身變形

基坑開挖卸荷時(shí)，咬合樁樁身受樁后土壓力作用發(fā)生變形，樁身變形監(jiān)測(cè)是基坑監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容。本工程樁身變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在各拱邊的15號(hào)樁、25號(hào)樁、35號(hào)樁樁身。每根樁樁頂下方3，6 m處設(shè)置2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。選取西側(cè)基坑開挖時(shí)，拱邊25號(hào)樁樁身位移變化最大的7 d對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果繪制樁身變形圖，如圖8所示。樁身最大位移值不超過5 mm，單日變化量最大值為1.2 mm，小于一級(jí)基坑對(duì)應(yīng)的預(yù)警值。表明基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，拱形圍護(hù)結(jié)構(gòu)支擋作用良好。

4.3?周邊建筑物變形

基坑北側(cè)建筑物臨近基坑，受基坑開挖影響，北側(cè)房屋是基坑監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)。本次建筑物監(jiān)測(cè)主要觀測(cè)建筑物的傾斜變形與既有裂縫的變化情況。

1）傾斜變形?對(duì)周圍建筑物進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，傾斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在建筑物外墻面墻角處、外墻面中間及靠近基坑的關(guān)鍵部位。傾斜度變化較大的觀測(cè)點(diǎn)1處的觀測(cè)值如圖9所示?；优R近建筑物傾斜度在01%左右浮動(dòng)，小于規(guī)范規(guī)定的0.2%～0.4%的限制值。說明基坑開挖對(duì)建筑物安全的影響在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

2）既有裂縫?既有裂縫監(jiān)測(cè)需要在基坑開挖前詳細(xì)描述既有裂縫的長(zhǎng)度與寬度，并對(duì)裂縫進(jìn)行拍照記錄。每條既有裂縫監(jiān)測(cè)時(shí)需在最寬處與裂縫尖端設(shè)置2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。變化量最大的既有裂縫A裂縫寬度監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖10所示。依據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（GB 50497—2016），建筑基坑臨近建筑裂縫寬度累計(jì)值為1.5～3 mm。由圖10可知，本基坑周圍變化最大的既有裂縫總寬度小于最小預(yù)警值，表明拱座深基坑施工對(duì)周圍建筑物既有裂縫影響在合理范圍內(nèi)，臨近建筑物安全。

5?結(jié)?語

為解決臨江深基坑施工過程中滲水量大、水土壓力大和征地困難的問題，針對(duì)該基坑特殊的工程地質(zhì)特點(diǎn)，提出采用咬合樁拱形圍護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)方案，經(jīng)分析、校核、監(jiān)測(cè)，得出以下結(jié)論。

1）咬合樁拱形圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有施工工期短，止水效果好，無需內(nèi)支撐等優(yōu)點(diǎn)，兼有擋土與止水的功用。

2）要使拱邊冠梁彎矩與剪力為0，則拱形結(jié)構(gòu)合理拱軸線對(duì)應(yīng)半徑應(yīng)為定值。拱形結(jié)構(gòu)利用冠梁自身抗壓強(qiáng)度分擔(dān)部分土壓力荷載，力學(xué)結(jié)構(gòu)合理。

3）采用咬合樁拱形圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)臨江拱座深基坑進(jìn)行支護(hù)時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全性系數(shù)高，冠梁水平位移與咬合樁樁身變形小，基坑整體穩(wěn)定性好，基坑臨近建筑物傾斜變形和裂縫寬度變化均在安全范圍內(nèi)，咬合樁拱形圍護(hù)結(jié)構(gòu)能充分滿足安全需求。

4）咬合樁拱形圍護(hù)結(jié)構(gòu)在犍為岷江特大橋拱座深基坑工程中應(yīng)用效果良好，可滿足實(shí)際施工需求。

本文對(duì)該圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和應(yīng)用情況進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，但對(duì)拱形圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體變形特點(diǎn)的研究不夠深入，有待使用數(shù)值試驗(yàn)軟件對(duì)其整體變形特征進(jìn)行深入分析，為類似工程提供更有價(jià)值的參考。

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