無支撐支護前排傾斜雙排樁內(nèi)力變形性狀

張松波 宋 志 張 濤 田 野 滕 峰

1. 中建三局集團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)有限責任公司 湖北 武漢 430064

雙排樁相較于單排樁能夠提高無支撐支護深度，在大面積基坑開挖時具有一定的優(yōu)勢。武漢地區(qū)雙排樁無支撐支護深度在8 m左右，當基坑開挖深度進一步增大時，雙排樁無支撐支護已不再適用。

鄭剛等[1]的模型試驗研究結(jié)果表明，傾斜樁抵抗水平荷載的能力要優(yōu)于豎直樁，并且發(fā)現(xiàn)傾斜與豎直樁交替支護的效果要優(yōu)于傾斜單排樁。徐源等[2]通過模型試驗研究了水平荷載作用下前排傾斜雙排樁的支護效果，前排傾斜雙排樁樁頂位移和樁身彎矩均小于同等條件下的豎直樁，傾斜雙排樁支護效果最佳的傾斜角度為10°。Maeda等[3]研究了砂土中開挖9.6 m條件下無支撐傾斜樁墻的支護效果，通過模型試驗和彈塑性理論對比分析，驗證了土壓力降低和擋墻位移減小的效果。

目前，斜樁在基坑工程中的應用并不廣泛，關于斜樁變形特征的研究成果不是很豐富，也缺乏相應的工程實例。呂凡任等[4]對任意傾角斜樁承受任意平面荷載進行彈性分析，但解的形式過于復雜且沒有應用到工程中。韓業(yè)龍[5]利用Plaxis軟件分析了傾斜樁的變形特征，發(fā)現(xiàn)傾斜雙排樁變形的特點與帶支撐的支護體系的變形規(guī)律相似。

以往的研究表明，傾斜樁支護效果要優(yōu)于豎直樁，但是這些研究多集中在試驗模型與有限元理論分析上，在基坑工程應用中相對較少，基坑支護中采用鉆孔施工工藝的斜樁目前還少有報道。郭建芝等[6]介紹了開挖8.5 m的傾斜樁施工經(jīng)驗，傾角只有3°，采用人工挖孔樁工藝，對于鉆孔樁施工的借鑒意義不大。

本文介紹了武漢市首例基坑工程采用傾斜雙排樁支護的案例，無支撐開挖深度達10 m，前樁傾斜角度為15°，又整理并分析了實測變形資料，同時進一步建立有限元數(shù)值模型分析傾斜雙排樁的內(nèi)力變形性狀，此研究內(nèi)容對于基坑傾斜樁支護的設計與施工有一定的借鑒意義。

1 基坑工程概況

某基坑工程位于長江Ⅰ級與Ⅱ級階地過渡區(qū)域，場地地貌屬于河流沖積平原類型，場地沉積有厚度達20 m以上的黏性土層?；娱_挖深度9.05～16.10 m，開挖面積39 000 m2。

局部塔樓區(qū)域坑中坑先施工，從地面設計了傾斜雙排樁，如圖1所示，基坑開挖從地面標高22.00 m施工至基坑井處基底標高12.05 m，樁長30 m，樁徑1 m，樁間距1.5 m，支護剖面如圖2所示。

圖1 前排傾斜雙排樁平面布置

圖2 前排傾斜雙排樁支護剖面示意

斜樁鉆孔施工采用全回轉(zhuǎn)鉆機結(jié)合旋挖鉆機進行，鉆機施工前先施工傾角為15°的斜向平臺，全回轉(zhuǎn)鉆機固定在平臺上進行斜向鉆進，旋挖鉆機配合進行斜向取土。

2 變形實測資料

監(jiān)測支護樁位平面布置與監(jiān)測點剖面如圖3所示，對12#與15#樁位的直樁與斜樁進行監(jiān)測，從樁頂以下0.5 m開始向下每隔1 m布置1個測斜傳感器，沿樁身共布置29個。

圖3 監(jiān)測支護樁位平面布置與監(jiān)測點剖面示意

12#與15#樁位前排斜樁和后排豎直樁樁身水平位移監(jiān)測結(jié)果如圖4、圖5所示。從圖4（a）和圖5（a）給出的前排傾斜樁樁身位移結(jié)果來看，傾斜樁樁身位移最大位置并不在樁頂，而是在樁頂以下一定深度。隨著開挖深度的增加，傾斜樁樁身位移增大的幅度相對較為均勻。

圖4 12#樁身水平位移監(jiān)測結(jié)果

圖5 15#樁身水平位移監(jiān)測結(jié)果

從圖4（b）和圖5（b）給出的后排豎直樁樁身位移結(jié)果來看，隨著開挖深度的增加，樁身變形逐漸增大，樁頂位移的增大幅度表現(xiàn)得更加劇烈。對比前排傾斜樁與后排豎直樁樁身變形結(jié)果，發(fā)現(xiàn)前排傾斜樁樁身變形要比后排豎直樁樁身變形大。

3 數(shù)值計算分析

3.1 計算模型介紹

為進一步分析傾斜雙排樁變形內(nèi)力隨開挖過程的發(fā)展規(guī)律，利用Plaxis軟件建立三維數(shù)值計算模型（圖6），模型分前排傾斜雙排樁與常規(guī)雙排豎直樁計算模型，2種支護結(jié)構(gòu)樁長都是30 m，只是傾斜雙排樁的前樁傾角為15°，其他條件都相同。土層模型采用軟件自帶的HSS模型，樁身與連梁混凝土材料采用彈性模型，彈性模量為30 GPa，樁身抗彎剛度按照規(guī)范[7]公式進行計算。計算模型采用平面應變模型，樁體按照等剛度計算原則轉(zhuǎn)換為平面應變計算模型中的墻體，具體墻厚計算方法參考文獻[8]，樁徑1 m、樁間距1.5 m的排樁簡化為厚0.723 m的板單元。

圖6 三維數(shù)值計算模型

3.2 水平位移計算結(jié)果

不同開挖深度下樁身水平位移變化結(jié)果如圖7所示。與圖4、圖5進行對比后發(fā)現(xiàn)，當開挖尚未達到10 m時，計算的樁身水平位移變化趨勢與實測的差別較大，主要是因為施工過程快，土體開挖過程由于卸荷土體應力尚未達到平衡，實測變形結(jié)果并不是對應開挖工況下的最終變形?；娱_挖10 m見底后，實測的樁身變形趨勢與計算結(jié)果較為一致，因為基坑見底的開挖工況基本能達到土體應力平衡狀態(tài)，但是計算結(jié)果要稍大于實測的變形結(jié)果，原因是計算時支護樁抗彎剛度按照規(guī)范方法折減，較為保守?？傮w而言，數(shù)值計算的結(jié)果與實測結(jié)果較為接近，說明了數(shù)值計算的合理性。

圖7 不同開挖深度下樁身水平位移變化

開挖過程中樁身的水平位移變化顯示，豎直雙排樁與傾斜雙排樁都表現(xiàn)出前排樁位移大于后排樁位移的特征，這主要是因為前排樁鄰近基坑，與后排樁相比缺少一定的土反力作用。在前后排樁位移之差方面，傾斜雙排樁要大于豎直雙排樁，主要是因為前排斜樁樁端斜向嵌入土層導致斜樁樁端約束要弱于豎直樁，從而使斜樁變形大于豎直樁。

由于傾斜樁存在斜撐效應，故傾斜雙排樁最大位移并不在樁頂。傾斜雙排樁沒有水平支撐作用，但是前排斜樁相較于后排豎直樁有斜撐的作用，其作用類似于斜拋撐，使后排豎直樁在樁頂受到支撐作用，導致樁頂位移不是最大位移。

常規(guī)雙排樁最大位移基本在樁頂附近，傾斜雙排樁最大位移位置受開挖面與軟弱土層的位置關系影響。本工程傾斜雙排樁最大位移深度基本處于8～13 m之間，主要是因為8.92～21.22 m深度內(nèi)存在較厚的飽和淤泥質(zhì)黏土，屬于軟弱土，該層土力學性質(zhì)差，存在潛在滑移面的可能性較大。當開挖深度未超過8 m時，最大位移都出現(xiàn)在開挖面以下軟弱土層范圍內(nèi)；當開挖深度達到10 m時，最大位移出現(xiàn)在開挖面以上約1 m深度。

3.3 樁身彎矩計算結(jié)果

從不同開挖深度下，前排傾斜雙排樁樁身彎矩（圖8）和豎直雙排樁樁身彎矩（圖9）隨開挖深度變化的結(jié)果可以看出，2種支護結(jié)構(gòu)前后排樁都是在反彎點以上迎坑側(cè)受拉、迎土側(cè)受壓，而在反彎點以下則正好相反，且樁頂均有一定彎矩。

圖8 不同開挖深度下前排傾斜雙排樁樁身彎矩

圖9 不同開挖深度下豎直雙排樁樁身彎矩

雙排樁通過連梁形成連接剛架，樁頂彎矩為連梁端部彎矩。從圖8的結(jié)果可以看出，傾斜雙排樁連梁彎矩在前排樁一端與后排樁一端較為接近。從圖9的結(jié)果可以看出，豎直雙排樁連梁彎矩在前排樁一側(cè)要小于后排樁一側(cè)，這可能與2種支護結(jié)構(gòu)在端部的約束差異有關，傾斜樁端到基坑底的垂直距離相較于豎直樁要短，土對傾斜樁的約束較弱。

前排樁樁身最大彎矩大于后排樁樁身最大彎矩；前排斜樁樁身最大彎矩的位置隨著開挖的進行有上移趨勢，后排豎直樁樁身最大彎矩的位置受開挖深度的影響不大。

對于前排斜樁，反彎點隨開挖的進行不斷向上移動，但移動范圍有限；對于后排豎直樁，反彎點位置基本不變，在18 m（0.6 倍樁長）深度處。

4 結(jié)語

根據(jù)監(jiān)測資料整理出樁身位移隨開挖深度變化圖，又建立了前排傾斜雙排樁與豎直雙排樁有限元計算模型，進一步對比分析了開挖過程中傾斜雙排樁樁身彎矩與位移的發(fā)展規(guī)律，可以得出與前排傾斜雙排樁力學性狀相關的幾條結(jié)論：

1）無支撐支護傾斜雙排樁樁身最大位移深度并不在樁頂，而是在樁頂以下一定深度，這與前排斜樁對后排豎直樁的斜撐作用有關，樁身最大位移深度與開挖深度和軟弱土層位置關系有關，樁身最大位移深度向開挖面方向移動。

2）前排斜樁樁身位移要大于后排豎直樁，前排斜樁斜向嵌入土層中，相對于后排豎直樁，前排斜樁嵌固約束相對較弱，前排樁位移大于后排樁。

3）前排樁樁身最大彎矩大于后排樁樁身最大彎矩；前排斜樁樁身最大彎矩的位置隨著開挖的進行有上移趨勢，后排豎直樁樁身最大彎矩位置受開挖深度的影響不大。

4）本次前排傾斜雙排樁的試驗，驗證了傾斜支護樁對豎直樁的優(yōu)勢，傾斜雙排樁可以實現(xiàn)無支撐開挖10 m深度，可實現(xiàn)2層地下室基坑的無支撐支護，相較于常規(guī)雙排樁有一定的先進性。