前樁傾斜雙排樁基坑支護(hù)抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算與分析*

賴國梁，田 野,2，鄧昌福，陳 國，張松波

(1.中建三局集團(tuán)有限公司工程總承包公司，湖北 武漢 430064；2.湖北中建三局建筑工程技術(shù)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430070)

0 引言

近些年國內(nèi)進(jìn)行了軟土中無支撐支護(hù)技術(shù)的嘗試，為減少支護(hù)結(jié)構(gòu)中支撐的使用、延展懸臂式支護(hù)方式的使用范圍，不少學(xué)者在直樁的基礎(chǔ)上，研究了各種形式的斜樁工作性狀，相比于直樁支護(hù)技術(shù)，傾斜樁支護(hù)技術(shù)在樁身位移控制和坑外沉降控制方面都有著很好的優(yōu)勢(shì)?！扒靶焙笾薄眱A斜雙排樁是指前排樁按一定角度傾斜、后排樁直立的支護(hù)結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)一樣，由前、后兩排灌注樁、冠梁以及前后排樁之間連梁(或板)組成，相比垂直雙排樁，“前斜后直”傾斜雙排樁在同等地層下，具有更好的位移控制效果和更大的懸臂無支撐開挖深度。目前，對(duì)于傾斜支護(hù)樁的受力機(jī)理及工程設(shè)計(jì)方法并不十分明確，相關(guān)規(guī)范、基坑手冊(cè)等并無太多關(guān)于傾斜樁的理論及設(shè)計(jì)施工說明。對(duì)于傾斜樁的計(jì)算、設(shè)計(jì)多借助有限元軟件進(jìn)行，但對(duì)于傾斜樁的抗傾覆計(jì)算卻往往被忽略，容易造成安全隱患。

一些學(xué)者對(duì)雙排樁抗傾覆進(jìn)行了有效的研究，如張常光研究了非飽和土剛性擋墻抗傾覆臨界深度，考慮了基質(zhì)吸力對(duì)抗傾覆的影響；雷晗研究了雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算方法，對(duì)規(guī)范中抗傾覆計(jì)算方法進(jìn)行了修改，并分析支護(hù)參數(shù)及巖土參數(shù)對(duì)抗傾覆的影響；李松等提出了考慮雙排樁底部作用力及地下水浮力的抗傾覆改進(jìn)計(jì)算方法。上述研究均集中于垂直雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗傾覆研究，對(duì)于“前斜后直”傾斜雙排樁這一新型的支護(hù)結(jié)構(gòu)并不涉及。本文在已有計(jì)算方法或模型基礎(chǔ)上，探討“前斜后直”傾斜雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算，并分析相關(guān)影響因素，以期為傾斜樁基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與施工提供借鑒。

1 計(jì)算方法

1.1 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)雙排樁抗傾覆計(jì)算

根據(jù)JGJ120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，雙排樁嵌固深度ld應(yīng)滿足抗傾覆穩(wěn)定性要求，即：

(1)

式中:Ke為嵌固穩(wěn)定安全系數(shù)，對(duì)于一、二、三級(jí)雙排樁應(yīng)分別大于1.25，1.2，1.15；Eak，Epk分別為基坑外側(cè)主動(dòng)土壓力和基坑內(nèi)側(cè)被動(dòng)土壓力(kN)，Epk根據(jù)被動(dòng)土壓力標(biāo)準(zhǔn)值Ppk(kPa)計(jì)算；aa，ap分別為外側(cè)主動(dòng)土壓力和內(nèi)側(cè)被動(dòng)土壓力合力作用點(diǎn)至雙排樁底端的距離(m)；G為雙排樁、連梁和樁間土自重之和(kN)；aG為雙排樁、連梁和樁間土重心至前排樁邊緣的水平距離(m)。計(jì)算簡圖如圖1所示。

圖1 雙排樁抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算簡圖

1.2 前樁傾斜雙排樁抗傾覆計(jì)算

“前斜后直”雙排樁相比垂直雙排樁，增加了抗傾覆樁間土G1以及樁前抗傾覆土體G2，同時(shí)樁間土自重G至前排樁邊緣的水平距離因前樁傾斜而加大(見圖2)，參考規(guī)范雙排樁抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算，“前斜后直”傾斜雙排樁抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)按式(2)計(jì)算。

圖2 傾斜樁抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算簡圖

(2)

式中：G1為雙排樁前樁傾斜樁間增加土體自重 (kN)；G2為前樁斜面覆土自重(kN)；aG1，aG2分別為增加樁間土體自重及前樁斜面覆土自重至前排樁邊緣的水平距離(m)。

2 工程概況

武漢市某地塊“前斜后直”傾斜樁基坑支護(hù)典型剖面如圖3所示。基底開挖深度8.55m，臨邊電梯井基底開挖深度9.95m。前排樁傾斜15°，直徑1m，間距1.5m，樁長30m；后排直樁直徑1m，間距1.5m，樁長30m。傾斜樁和直樁中心間距3m，樁頂均設(shè)置1.2m×0.9m的冠梁，并通過0.9m×0.9m的連梁連接，如圖3所示。

圖3 “前斜后直”傾斜樁支護(hù)剖面

涉及地層：①素填土 重度18.5kN/m3，黏聚力c=10kPa，內(nèi)摩擦角φ=8°；②2黏土 重度19.4kN/m3，黏聚力c=31kPa，內(nèi)摩擦角φ=14.5°；③淤泥質(zhì)黏土 重度=18.0kN/m3，黏聚力c=12kPa，內(nèi)摩擦角φ=5.7°；④2粉質(zhì)黏土 重度20.3kN/m3，黏聚力c=35kPa，內(nèi)摩擦角φ=15°；⑤粉細(xì)砂夾粉質(zhì)黏土 重度19.6kN/m3，黏聚力c=5kPa，內(nèi)摩擦角φ=25°。

如采用垂直雙排樁支護(hù)，根據(jù)理正深基坑軟件計(jì)算得到的抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)為0.959，不能滿足規(guī)范要求；采用“前斜后直”傾斜樁支護(hù)時(shí)，按式(2)計(jì)算得到抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.504。計(jì)算時(shí)，主、被土壓力根據(jù)理正深基坑軟件計(jì)算取值，G1，G2按土層加權(quán)平均重度計(jì)算，因采取前樁傾斜支護(hù)結(jié)構(gòu)，抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)提高56.8%，計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。基坑開挖后，深層位移監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示，最大深層位移為37.27mm，未發(fā)生結(jié)構(gòu)傾倒破壞或位移報(bào)警情況。在進(jìn)行傾斜雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析時(shí)，可根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)傾斜角度、傾斜方向等參數(shù)進(jìn)一步分析孔傾覆安全系數(shù)計(jì)算。

圖4 深層位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

3 傾斜樁抗傾覆影響因素分析

為進(jìn)一步研究傾斜樁抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)的影響因素，按單一土層⑤粉細(xì)砂夾粉質(zhì)黏土、④2粉質(zhì)黏土、③淤泥質(zhì)黏土分別分析“前斜后直”傾斜雙排樁抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)與嵌固深度、雙排樁排距、前排樁傾斜角度的關(guān)系，其中淤泥質(zhì)黏土基坑開挖深度按6m考慮，粉質(zhì)黏土及粉細(xì)砂夾粉質(zhì)黏土層基坑開挖深度按8m考慮，前后排樁徑1m，排距3m，前排樁傾斜角度15°，土壓力按水土合算考慮，樁、冠梁及樁間土按土重簡化計(jì)算，因前樁傾斜造成的樁端標(biāo)高不一致而影響的土壓力忽略不計(jì)。

3.1 嵌固深度影響

不同土層垂直雙排樁及“前斜后直”傾斜雙排樁抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)與樁長的關(guān)系如圖5a，5b，5c所示，隨嵌深加大“前斜后直”傾斜雙排樁相比垂直雙排樁對(duì)抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)的提升幅度如圖5d所示。

圖5 抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)與樁長關(guān)系

計(jì)算表明：①在0.5h～1.5h(h為開挖深度)嵌深范圍內(nèi)，老黏土及淤泥質(zhì)黏土“前斜后直”傾斜雙排樁抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)隨嵌深增加而降低，粉細(xì)砂層隨嵌固深度增加先降低后增加，這是由于在一定嵌深內(nèi)，黏性土中自重抗傾覆力矩起主導(dǎo)作用，而砂性土中被動(dòng)抗力力矩起主導(dǎo)作用；②不同嵌深情況下，“前斜后直”傾斜雙排樁抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)明顯優(yōu)于垂直雙排樁抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)，其中嵌固深度在1h內(nèi)時(shí)，抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)提升幅度粉細(xì)砂夾粉質(zhì)黏土>粉質(zhì)黏土>淤泥質(zhì)黏土，傾斜雙排樁相比垂直雙排樁在各地層抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)總體提升幅度>60%，且隨嵌深的加大，提升幅度逐漸降低。

3.2 排距影響

取雙排樁樁長為16m、樁徑1m、傾斜雙排樁前樁傾角15°，分別計(jì)算排距為2.5d，3d，3.5d，4d，5d時(shí)的抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)，如圖6所示。

計(jì)算表明：①抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)在各地層中均隨排距增加而增大；②不同排距情況下，“前斜后直”傾斜雙排樁抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)明顯優(yōu)于垂直雙排樁，在2.5d～5d(d為支護(hù)樁直徑)范圍內(nèi)，抗傾覆安全性提升幅度粉細(xì)砂夾粉質(zhì)黏土>淤泥質(zhì)土>粉質(zhì)黏土，隨排距的增加，主動(dòng)土壓力傾覆力矩增幅遠(yuǎn)小于被動(dòng)力矩及自重力矩的增幅，傾斜雙排樁相比垂直雙排樁在各地層中抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)總體提升幅度>85%，且大約在3d～5d排距范圍內(nèi)，抗傾覆安全提升幅度最大。

3.3 傾斜角度影響

取雙排樁樁長為16m、樁徑1m、排距3m，分別計(jì)算前排樁不同傾角情況下抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。計(jì)算表明，隨傾斜角度的增加，各地層抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)均隨角度近似線性增加，且單位角度增大對(duì)抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)的影響粉質(zhì)黏土>粉細(xì)砂夾粉質(zhì)黏土>淤泥質(zhì)土。

圖7 抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)與前樁傾斜角度關(guān)系

隨著角度的增加，主動(dòng)傾覆力矩及被動(dòng)抵抗力矩均未變，但樁間土及樁前斜面土體抵抗力矩顯著提高，雙排樁前樁傾斜可有效提高抗傾覆安全性。

4 結(jié)語

本文參照規(guī)范計(jì)算方法，探討“前斜后直”傾斜雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算方法，并分析相關(guān)影響因素，經(jīng)研究得出如下結(jié)論。

1)因前樁角度的傾斜，樁間土及樁前斜面土體自重抗力力矩增加，使得 “前斜后直”傾斜雙排樁具有更好的抗傾覆安全性。

2)傾斜雙排樁相比垂直雙排樁在各地層中抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)總體提升幅度>60%，且隨嵌深的加大，提升幅度逐漸降低。

3)抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)在各地層中均隨排距增加而增大；隨著排距的增加，主動(dòng)土壓力傾覆力矩增幅遠(yuǎn)小于被動(dòng)力矩及自重力矩的增幅，傾斜雙排樁相比垂直雙排樁在各地層抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)總體提升幅度>85%。

4)隨著前樁傾斜角度的增加，各地層抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)均隨角度近似線性增加，且單位角度增大對(duì)抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)的影響：粉質(zhì)黏土>粉細(xì)砂夾粉質(zhì)黏土>淤泥質(zhì)土。