雙排樁在水利工程深基坑支護(hù)中的應(yīng)用

黎子榮

(深圳市廣匯源環(huán)境水務(wù)有限公司,廣東 深圳 518000)

1 雙排樁相關(guān)概述

雙排樁支護(hù)技術(shù)是沿著基坑的側(cè)壁設(shè)置前后兩排梁、支護(hù)樁所連接而成的冠梁以及剛架支擋結(jié)構(gòu)。雙排樁結(jié)構(gòu)主要是針對(duì)在工程中保持總樁數(shù)不變情況下，把傳統(tǒng)單排懸臂樁部分樁柱進(jìn)行后撤，設(shè)置成排樁對(duì)應(yīng)、梅花式結(jié)構(gòu)。根據(jù)相關(guān)研究報(bào)告顯示，雙排樁結(jié)構(gòu)具有位移小、剛度大，受力合理的特點(diǎn)，相比于單排樁有形式特點(diǎn)，并且樁頂上通過(guò)連梁將前后排樁進(jìn)行相互連接構(gòu)成空間結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)更大程度的支護(hù)。雙排樁結(jié)構(gòu)中較為常見(jiàn)的包括丁字式、之字式、連梁式、三角式、矩形結(jié)構(gòu)式、梅花式。連梁的形式通過(guò)不斷研究實(shí)踐也形成多樣化，其中常見(jiàn)的連梁形式包括蓋板式、斜撐式、深梁式、腰梁式。經(jīng)過(guò)大量的工程實(shí)際表明，連梁形式的不同其剛度也存在一定的差異，在雙排樁結(jié)構(gòu)中連梁的剛度對(duì)其整體性能存在直接的影響。在實(shí)際的項(xiàng)目工程中需要按照實(shí)際情況和具體要求對(duì)連梁形式進(jìn)行合理的選擇，保障雙排樁結(jié)構(gòu)具有足夠的安全性、可靠性。

2 雙排樁結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型

通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐應(yīng)用，對(duì)雙排樁結(jié)構(gòu)計(jì)算分析時(shí)，其計(jì)量模型分為基于土拱理論、Win-kle假定、經(jīng)典土壓力三類。從實(shí)踐應(yīng)用效果和經(jīng)驗(yàn)方面看，土拱理論和Win-kle假定兩種方式在進(jìn)行模型計(jì)算是對(duì)土與樁之間共同作用加以考慮，因此其結(jié)果較為準(zhǔn)確、貼合實(shí)際，在工程項(xiàng)目中較為常見(jiàn)的模型包括兩種：平面剛架模型和平面稈系有限元模型。就兩個(gè)模型來(lái)說(shuō)，雙排樁通過(guò)和剛性連梁把前后樁排構(gòu)成超靜定結(jié)構(gòu)，確保整體結(jié)構(gòu)具有良好的剛度。換句話說(shuō)，雙排樁如同將剛架深深插入土基中，通過(guò)利用基坑以下來(lái)自樁前土的被動(dòng)土壓力作用與鋼架插入土中部分前后的樁抗壓、拔作用所生成的力偶，使之間形成合力而平衡力矩，通過(guò)樁土之間相互作用減少雙排樁水平位移和樁內(nèi)力。

通過(guò)以上作用來(lái)看，雙排樁結(jié)構(gòu)在多變復(fù)雜的荷載作用中可以自動(dòng)調(diào)整自身內(nèi)力，確保結(jié)構(gòu)能夠更加良好地適應(yīng)復(fù)雜或者難以計(jì)算荷載條件的項(xiàng)目中。圖1為考慮到樁土相互之間作用平面桿系有限元模型，通過(guò)該模型對(duì)雙排樁工作性狀進(jìn)行科學(xué)模擬。

圖1 平面桿系有限元模型圖

當(dāng)受到荷載作用時(shí)，雙排樁將會(huì)向基坑內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，造成后排樁樁底和土體產(chǎn)生脫離，樁底不存在約束作用；在此條件基礎(chǔ)上，樁柱之間作用主要表現(xiàn)在后排樁存在抗力作用，前排樁受到推力作用，對(duì)樁間土和前排、后排樁之間作用力的方向加以考慮，為水平方向作用力。所以可通過(guò)應(yīng)用彈簧進(jìn)行等效模擬樁間的土體，實(shí)現(xiàn)前后排的有效連接，土體間壓力分配相當(dāng)于通過(guò)雙排樁和彈簧之間位置進(jìn)行協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)模擬分析，應(yīng)用彈性地基梁方式和結(jié)構(gòu)力學(xué)能夠?qū)㈦p排樁結(jié)構(gòu)內(nèi)力值加以準(zhǔn)確地計(jì)算。在實(shí)際的工程項(xiàng)目中平面桿系有限元模型較為適用，對(duì)于樁頂位移的計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果較為相近。

3 雙排樁結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)

通過(guò)大量的實(shí)踐應(yīng)用表明，相比于單排樁，雙排樁具有以下四方面優(yōu)點(diǎn)。首先，單排懸臂作用機(jī)制是完全源自被動(dòng)區(qū)土體土抗力，通過(guò)土抗力實(shí)現(xiàn)對(duì)側(cè)壓力的平衡，進(jìn)而形成較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，但是樁頂具有較大的位移，相比雙排樁結(jié)構(gòu)通過(guò)使用連梁將前后排樁進(jìn)行剛性連接來(lái)講，不僅整體較為穩(wěn)定，位移量較小，同時(shí)具有足夠的剛度。其次，就作用機(jī)理而言，前后排樁和樁間土共同作用，產(chǎn)生力偶的方向和側(cè)向力方向相反，當(dāng)處于多變復(fù)雜外荷載情況下，能夠用自身內(nèi)力進(jìn)行有效調(diào)整，具有更為良好的適應(yīng)性，樁內(nèi)力較小能夠有效減少樁頂?shù)奈灰?。再次，雙排樁通過(guò)連梁進(jìn)行連接能夠?qū)﹄p排樁內(nèi)力特征和變形加以調(diào)整，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)位移，對(duì)正負(fù)彎矩進(jìn)行調(diào)整，減少樁身配筋的使用量，降低工程造價(jià)。最后，雙排樁能夠替代樁錨支護(hù)形式，避免對(duì)擋土側(cè)建筑地基、管線等重要構(gòu)筑物造成破壞，施工工藝較為簡(jiǎn)便，施工速度快，能夠有效縮短工期。

4 雙排樁結(jié)構(gòu)在深基坑支護(hù)中的應(yīng)用案例分析

4.1 工程概況

該工程為水閘，主要作用是防御臺(tái)風(fēng)、同時(shí)具備通航、排洪、排澇作用。在水閘底層有比較厚的淤泥層，對(duì)于水閘底板的設(shè)計(jì)埋深較大，在閘址的右岸分布有廠房，需要進(jìn)行深基坑支護(hù)?；拥拈_(kāi)挖深度比較深，需要開(kāi)挖深是這8.50 m，在支護(hù)頂之上存在高岸坡，高為4.90 m。對(duì)于深基坑的防護(hù)選擇雙排樁方式。在2011年基坑降水時(shí)，廠房出現(xiàn)開(kāi)裂、沉降等情況，因?yàn)橹ёo(hù)的安全性對(duì)工程存在較大影響。另外，為保證水閘工程的順利開(kāi)展，應(yīng)當(dāng)在基坑開(kāi)挖后對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行復(fù)核。

4.2 項(xiàng)目地質(zhì)情況

項(xiàng)目工程位于三角洲西部，因?yàn)槭艿匠毕绊?，河水的水位存在較大的變化。閘址內(nèi)地層主要為第四系地層，分別為人工填土層，該層主要是路基土，以煤渣、中粗砂、碎石土為主要成分，另外還存在粉細(xì)砂和黏性土。3.00～5.10 m厚，標(biāo)貫擊數(shù)為5擊，下層為海陸交互相沉積層，多是灰黑色的淤泥，少部分是淤泥質(zhì)黏土，9.50～26.90 m厚，平均為16.20 m，標(biāo)貫擊數(shù)<1。通過(guò)勘測(cè)顯示抗剪強(qiáng)度建議值φq為4°～5°，Cq為3～5 kPa，之后經(jīng)過(guò)岸坡穩(wěn)定確定φq為5°，Cq為7 kPa。在此下層為全風(fēng)化花崗巖，風(fēng)化情況較為完全，呈現(xiàn)為粉質(zhì)砂質(zhì)黏土狀，少部分為巖碎塊，底部較為堅(jiān)硬，標(biāo)貫擊數(shù)為28，按照有關(guān)公式計(jì)算得出φq為24°，Cq為40 kPa。

4.3 對(duì)比分析正雙排樁程序和有限元MIDAS/GTS程序

首先確定計(jì)算方法對(duì)正雙排樁程序和有限元MIDAS/GTS程序進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)過(guò)對(duì)比選擇較為合理的計(jì)算方式，通過(guò)“m”法進(jìn)行計(jì)算，樁前被動(dòng)范圍通過(guò)彈性支點(diǎn)進(jìn)行支撐，按照理正程序，極端理論模型如圖2。

圖2 計(jì)算理論模型圖

其中a1、a2表示為前排樁與后排樁土壓力的分擔(dān)系數(shù)，在進(jìn)行計(jì)算時(shí)a1取1、a2取0，由前排樁對(duì)全部的土壓力進(jìn)行承擔(dān)。通過(guò)MIDAS/GTS程序計(jì)算有限元，雙排樁通過(guò)梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。按照土層的實(shí)際情況將主動(dòng)土的壓力作為外荷載施加至前排樁，剛度按照“m”法進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于支點(diǎn)剛度的計(jì)算按照KS=mb0(z-hn)進(jìn)行計(jì)算。應(yīng)用兩種方式進(jìn)行計(jì)算時(shí)需要確保邊界條件一致，在進(jìn)行計(jì)算時(shí)選擇簡(jiǎn)單模型，計(jì)算斷面為取閘室段，開(kāi)挖深度8.50 m，嵌固深度為10 m，對(duì)支護(hù)頂以上土體和超載情況不給予考慮，計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 計(jì)算模型簡(jiǎn)圖

之后對(duì)比計(jì)算結(jié)果，理正雙排樁的計(jì)算結(jié)果為最大彎矩1 515 kN·m，最大位移35 mm。有限元程度進(jìn)行計(jì)算最大彎矩1 576 kN·m，最大位移32 mm。通過(guò)對(duì)比計(jì)算結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)：當(dāng)邊界條件一致時(shí)，通過(guò)以上兩種方式進(jìn)行計(jì)算其結(jié)果較為接近，因此通過(guò)理正程序進(jìn)行計(jì)算具有一定的可靠性，因?yàn)榭紤]理正程序計(jì)算方式較為簡(jiǎn)單，因此選用該方式進(jìn)行計(jì)算。

4.4 斷面計(jì)算和土壓力分擔(dān)系數(shù)影響分析

通過(guò)理正程序法對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)處于不同分擔(dān)系數(shù)情況下的彎矩與位移進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 不同分擔(dān)系數(shù)雙排樁位移和彎矩表

通過(guò)以上分析可以得出分擔(dān)系數(shù)的變化對(duì)雙排樁結(jié)構(gòu)的位移和彎矩存在較大的影響，當(dāng)前排樁的分擔(dān)系數(shù)降低，后排樁的分擔(dān)系數(shù)提升時(shí)，兩者位移、彎矩以及連梁所受的彎矩都降。之后取消后排樁進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)前排樁的分擔(dān)系數(shù)固定時(shí)，后排樁分擔(dān)土壓力與否，對(duì)前排樁彎矩具有較小的影響，后排樁所受彎矩較大。通過(guò)分析土壓力降低50%，模型移位、彎矩存在較小的變化。

5 總結(jié)

在非閉合基坑中難以采用傳統(tǒng)的支撐體系，在水利工程中往往基坑較深，采用傳統(tǒng)的支撐方式難以達(dá)到技術(shù)要求標(biāo)準(zhǔn)，而通過(guò)應(yīng)用雙排樁結(jié)構(gòu)能夠有效達(dá)到支護(hù)要求。另外雙排樁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用能夠降低對(duì)基坑周圍環(huán)境影響，具有操作簡(jiǎn)單、施工速度快，經(jīng)濟(jì)效益較高的特點(diǎn)。