高層建筑深基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計及內(nèi)力分析

王洪木，陳金鋒，劉佳，穆銳，李治霞，曹繼東

（1重慶建工第二建設(shè)有限公司，重慶 400030；2陸軍勤務(wù)學(xué)院軍事設(shè)施系，重慶401331；3招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶 400067；4重慶建筑科技職業(yè)學(xué)院，重慶 401311；5中國人民解放軍32080部隊 建設(shè)方案室，北京 100091）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展以及西部大開發(fā)戰(zhàn)略的進一步深化，西部很多地區(qū)正處于城市化加速發(fā)展進程中[1]。而城市化的一個標志就是，各類建筑的興建。在重慶等西部山地城市中，大量建筑將在有深厚回填土的地基上建設(shè)，同時也將伴隨越來越多的深基坑工程問題[2]。由于重慶的深厚回填土地基大多填筑時間不長，其均勻性和密實度均不如老黏土，錨固性能不太好，這就限制了錨桿、錨索等支護體系的采用。尤其對于新填方的基坑邊坡，若采用錨拉式支護，新填土沉降壓縮及固結(jié)變形尚未完成，會增大土中錨桿、錨索的拉力，甚至造成支護體系失效等工程問題。研究表明，懸臂式樁板擋墻支護結(jié)構(gòu)可避免類似工程問題[3]。本文以重慶某高層建筑深基坑支護結(jié)構(gòu)為背景，運用彈性支點法，通過理正巖土軟件，對該大樓基坑的懸臂式樁板擋墻進行支護設(shè)計及內(nèi)力分析，對懸臂樁板擋墻施工要點及建議也進行簡要闡述，旨在拋磚引玉，為山地城市深厚回填土基坑支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工提供參考。

1 工程概況

重慶市某高層建筑的辦公樓共26層，地下車庫3層，在其四周形成深度2.3～13.2m的基坑邊坡（圖1）；基坑除裙房北側(cè)一角開挖至基巖，開挖巖石厚度1～1.5m，形成土巖混合基坑邊坡外，其余都為土質(zhì)基坑?；舆吰氯斯ぬ钔翞榈谒南等斯ぬ钔?，厚度大，物質(zhì)成分為砂巖、泥巖碎塊石和少量建筑垃圾，局部含少量卵石，回填時間2～3年，其結(jié)構(gòu)主要為稍密，結(jié)構(gòu)分層比較混亂，填土的均一性差。從基坑邊坡的組成分析，該邊坡易坍塌，且較深（最深處有13.2m）。為確保坡腳擬建建筑物的施工安全及坡頂公路的正常使用，必須對該基坑邊坡進行有效支擋。

2 支護方案

2.1 支護結(jié)構(gòu)平面布置

由于場地存在深厚的新近回填土，其沉降壓縮及固結(jié)變形尚未完成，且該土層結(jié)構(gòu)分層比較混亂、均一性差，因此該土層錨固性能不太好，采用錨拉式的支護方式不太合適。根據(jù)場地的工程地質(zhì)特征，結(jié)合基坑的平面布置要求，采用懸臂式樁板擋墻支護體系進行永久性支護（圖1），其中懸臂抗滑樁共分為四種，分別為KHZ-1、KHZ-2、KHZ-3、KHZ-3a。 為了節(jié)省造價，將抗滑樁設(shè)置在地下室框架柱下（如圖2所示，KHZ-1上涂黑的矩形塊即為地下室靠土體一側(cè)的邊框架柱，該矩形塊的標高為238.0～239.6m）。入口處樁頂標高往上至室外地坪處不再填土，而是設(shè)置架空平臺（圖1、圖2）。KHZ-1樁頂標高為238.0m，可作為邊框架柱（該柱標高為238～239.6m）的基礎(chǔ)，也可以兼作抗滑樁樁頂標高以下（226.5～238m）的邊框架柱；樁間擋板亦可兼作地下室側(cè)墻擋板使用。另外，為了盡量減少抗滑樁上的土壓力，抗滑樁外土體從道路紅線往基坑方向按1:1.19放坡，土體實際標高低于此放坡線標高時，可維持原狀。由于KHZ-2、KHZ-3、KHZ-3a離公路比較遠，因此放坡后樁頂標高可顯著降低，分別為229.8m、231.1m、231.1m，各樁板擋墻上的土壓力亦可大大減小。施工時，先采用“跳樁施工”的方式施工抗滑樁，待所有抗滑樁施工完畢且樁身混凝土強度達到要求后，再用逆作法施工樁間擋板。

圖1 懸臂式樁板擋墻及入口處架空平臺基礎(chǔ)平面布置圖

圖2 抗滑樁與框架柱位置關(guān)系圖

2.2 設(shè)計參數(shù)

2.2.1 基坑支護結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)

由于基坑周邊存在受影響的道路，根據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120—2012）可將基坑的安全等級定為一級，因此基坑支護結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1[4]。

2.2.2 巖土參數(shù)

（1） 人工填土

懸臂樁后為第四系人工填土，回填時間2～3年，結(jié)構(gòu)主要為稍密，填土的結(jié)構(gòu)均一性差，填土的天然容重為20.6kN/m3，綜合內(nèi)摩擦角為30o。

（2）中風(fēng)化泥巖

中風(fēng)化泥巖的天然單軸抗壓強度標準值為15.48MPa。

（3）坡頂附加荷載

考慮到道路靠近基坑一側(cè)的邊線離基坑的距離為12.5m，與道路至基坑底面的高度接近，且施工期間該公路上通行的車輛非常少，因此，可不考慮施工期坡頂?shù)母郊雍奢d。

3 懸臂樁板設(shè)計及內(nèi)力分析

下面以KHZ-1為例對抗滑樁、擋板及護壁等進行設(shè)計。

3.1 樁內(nèi)力計算原理及計算參數(shù)

（1） 計算原理

雖然此建筑基坑支護結(jié)構(gòu)安全等級為一級，但是由于抗滑樁板墻兼作地下室外墻，當幾個月后地下室施工完畢，地下室樓層的梁板會對抗滑樁產(chǎn)生側(cè)向支撐作用。因此，地下室梁板形成強度之前，抗滑樁及擋板可以按照臨時邊坡進行考慮，同時應(yīng)按永久性支護驗算地下室梁板強度達到要求后，樁板式擋墻與地下室梁板結(jié)構(gòu)共同作用時的安全性。根據(jù) 《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330—2013）表3.2.1，該邊坡高度為13.2m，處于10～15m范圍內(nèi)，且邊坡破壞后果嚴重，故邊坡安全等級為二級；再根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330—2013）表5.3.2，安全等級為二級的臨時邊坡，安全系數(shù)不小于1.2[5]。綜上所述，取1.2倍的主動土壓力作為樁的外荷載；將承受水平荷載的單樁視作彈性地基（由水平彈簧組成的線性變形體）上的豎直梁，并假定地基水平抗力系數(shù)隨深度增加。采用m法[5]對樁進行計算（由理正巖土軟件計算）。

（2）主要計算參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘查報告，結(jié)合重慶當?shù)毓こ虒嶋H經(jīng)驗，對土層參數(shù)進行取值，得到土層參數(shù)，見表1。

表1 土層參數(shù)

由于抗滑樁兼作地下室側(cè)墻柱基，樁不僅承受水平荷載，還須承擔(dān)豎向荷載，因此將KHZ-1嵌入中風(fēng)化巖層3m，以便提供足夠的豎向承載力（圖3）。

圖3 KHZ-1計算模型（單位：m）

樁的材料及尺寸參數(shù)：

樁混凝土強度等級：C40；樁縱筋級別：HRB400級；板混凝土強度等級：C40；板縱筋級別：HRB400級；墻后填土內(nèi)摩擦角：30°；墻背與墻后填土摩擦角：15°。樁總長23.2m，其中懸臂段長11.2m，嵌入深度為12.0 m，樁底假定為鉸接；樁截面形狀為矩形，樁截面寬度為1.5m，樁截面高度為2.5m，樁間距為8.49m。

3.2 懸臂樁板內(nèi)力計算結(jié)果分析

圖4為抗滑樁遠離基坑一側(cè)庫倫主動土壓力的大小、分布情況及合力作用點位置。由圖可知，樁深度為11.2m處的庫侖主動土壓力的第一破裂角為34.02°，庫侖土壓力合力Ea為518.7 kN，作用點高度為4.106m，庫倫土壓力的水平分量Ex為501.0kN。

圖4 全墻的土壓力（只有第一破裂面）

圖5為內(nèi)力計算結(jié)果，由圖5 a）樁身彎矩沿樁深度分布圖可知，懸臂段樁身彎矩隨著樁深度增大而迅速增大，到達基坑底面時，彎矩隨樁深增大的速度明顯變小，這主要是由于基坑底面以下樁前土體對樁產(chǎn)生的被動土壓力隨著樁進入坑底面以下土層深度加深的增大速度遠大于樁后主動土壓力隨深度加深的增大速度（樁前被動土壓力的增大速度大約為樁后主動土壓力增大速度的3倍）。基坑底面往下4.2m（距離樁頂深15.4m）處，樁后彎矩達到最大值32395kN·m。當樁深度繼續(xù)增大時，樁身彎矩逐漸減?。坏降锥藭r，彎矩降為零。這與計算時樁底端為鉸接的基本假定是一致的。

由圖5 b）樁身剪力沿樁深度分布圖可知，基坑底面以上，樁身剪力為負值，其絕對值隨著樁深度的增大而增大，當樁深度到達基坑底面時，樁身剪力的絕對值達到一個局部極大值4914kN；基坑底面以下，隨著樁深度的增大，樁身剪力的絕對值逐漸減小至零，然后又反向增大，當樁深度為22.7m時，樁身剪力達到最大值7515kN。

由圖5 c）樁水平位移沿樁深度分布圖可知，樁身最大水平位移在樁頂處，為87mm；隨著樁深度的增大，樁水平位移逐漸減小，至底端處，樁水平位移降至零。這亦與計算時樁底端為鉸接的基本假定是一致的。

由圖5 d）樁側(cè)土體反力沿樁深度分布圖可知，樁側(cè)土體反力在18.6m深度處達到最大值927.2kPa，此處為強風(fēng)化巖頂面往下0.5m處；隨著深度的進一步增大，樁側(cè)土體反力逐漸減小。建議對支護樁附近這些土反力較大的土層及強風(fēng)化巖層進行注漿處理，以提高坑底以下支護樁的錨固效果，減小支護樁的水平位移。

圖5 樁內(nèi)力及位移沿樁深度分布

3.3 共同作用時支護樁的內(nèi)力驗算

為驗算地下室梁板強度達到要求后，樁板式擋墻與地下室梁板結(jié)構(gòu)共同作用時的安全性，利用PKPM的SATWE計算分析模塊，將主體結(jié)構(gòu)與樁板墻建在一個模型里，將土體自重及運營期公路的車輛荷載對樁板墻產(chǎn)生的土壓力折算成柱子的水平方向恒荷載，作用到柱子（支護樁）上，恒荷載分項系數(shù)取1.35。運營期公路的車輛荷載按20kPa考慮，根據(jù) 《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120—2012）第3.4.7條[4]，車輛荷載作為局部附加荷載按45°往下擴散。道路邊線距離KHZ-1外側(cè)邊最近處為10.7m，因此只需考慮公路表面10.7m以下的KHZ-1才會受到公路車輛荷載的影響。經(jīng)過計算可得出各個樓層的內(nèi)力，如表2所示。

表2 共同作用時，KHZ-1的內(nèi)力

比較表2與圖5 a）、圖5 b）可知，共同作用時，KHZ-1的彎矩及剪力遠小于該支護樁懸臂受力時的彎矩及剪力。共同作用時，KHZ-1的軸壓比為0.05，非常小，當柱子偏心受壓時，可視其為大偏心受壓構(gòu)件；另外，該構(gòu)件計算跨度與寬度的比值為5/1.5=3.3＜8，故該構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)等于1。因此，共同作用且偏心受壓時，將KHZ-1按受彎構(gòu)件比按壓彎構(gòu)件進行配筋更安全。下面，將共同作用工況及懸臂受力工況時，支護樁的最大彎矩與剪力沿樁深度分兩段進行比較如下：

距離樁頂0～7m處，共同作用時的最大彎矩、剪力分別為1289kN·m、1096kN，而懸臂受力工況時的最大彎矩、剪力分別為5867kN·m、2256kN，共同作用工況最大彎矩、剪力僅為懸臂工況的22%與49%；距離樁頂7～11.2m處，共同作用時的最大彎矩、剪力分別為3471kN·m、3150kN，而懸臂受力工況時的最大彎矩、剪力分別為20912kN·m、4914kN，共同作用工況最大彎矩、剪力僅為懸臂工況的17%與64%。

實際上，由于共同作用時KHZ-1的彎矩及剪力均較小，SATWE的計算結(jié)果亦表明，共同作用時，KHZ-1的縱向受力主筋及箍筋均只需要按照構(gòu)造配筋即可。

3.4 抗滑樁配筋

（1）抗滑樁縱向鋼筋配筋

由于共同作用時，KHZ-1的縱向受力主筋及箍筋均只需要按照構(gòu)造配筋即可。因此，判斷懸臂受力時的工況為支護樁的最不利工況，只需根據(jù)懸臂受力時的樁身彎矩沿深度分布圖 （圖5a）對支護樁進行配筋即可，可分段配筋如下：

距離樁頂0～7m：面?zhèn)群捅硞?cè)所需縱向鋼筋面積均為7920mm2，基坑支護結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1，一根直徑32mm的鋼筋面積為803mm2，故面?zhèn)群捅硞?cè)縱筋根數(shù)均為7920×1.1/803=10.7根，取11根[6]。

距離樁頂7～23.2m：面?zhèn)瓤v筋計算方法同上，面?zhèn)瓤v筋取11根。背側(cè)縱筋15.4m處最大，為40310mm2，故背側(cè)縱筋根數(shù)為40310/803=50.2根，取51根[7]。這里之所以不再將縱筋乘以結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1，主要基于以下幾個方面的考慮：

①雖然此建筑基坑支護結(jié)構(gòu)安全等級為一級，但是由于抗滑樁板墻兼作地下室外墻，當幾個月后地下室施工完畢，地下室樓層的梁板會對抗滑樁產(chǎn)生側(cè)向支撐作用，此時抗滑樁支護結(jié)構(gòu)的安全性將大大提高；

②面?zhèn)蠕摻钜逊糯?0%，能部分提高抗滑樁在7～23.2m深度處的抗彎承載力；

③ 此時背側(cè)配筋已經(jīng)很大，如果再乘以結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1，則每根KHZ-1抗滑樁需多配5根直徑32mm、長度16.2m的縱筋，很不經(jīng)濟。

（2）抗滑樁嵌入深度驗算

由于懸臂樁嵌入段為巖層，地基橫向承載力特征值fH可由文獻[5]第13.2.8條第1款計算：

式中：KH為在水平方向的換算系數(shù)，根據(jù)巖層，根據(jù)巖層構(gòu)造可取0.5～1.0；η為折減系數(shù)，根據(jù)巖層的裂縫、風(fēng)化及軟化程度可采用0.3～0.45；frk為巖石天然單軸極限抗壓強度標準值（kPa）[5-6]。

由圖5 d）土反力分布圖可知，懸臂樁嵌入中風(fēng)化巖3m時樁側(cè)最大橫向壓應(yīng)力在距離樁頂18.6m處，其數(shù)值為927.2kPa，再乘以結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1[7]，得：

綜上可知，抗滑樁懸臂樁嵌入中風(fēng)化巖3m滿足要求[7]。

（3）樁間擋板及其護壁設(shè)計

將樁間擋板看作兩端固支的單向板（樁作為支座），并取1m深度單位計算寬度計算配筋，分段配筋結(jié)果如表3。

表3 樁間擋板表

護壁厚度取200mm，護壁混凝土等級為C20，坡頂無外荷載；人工挖孔樁護壁所承受的土壓力取地面以下5m處的主動土壓力值[4]，由圖3庫倫土壓力沿深度分布情況可知，地面以下5m處的主動土壓力值為43.4kPa。取1m深度為護壁單位計算寬度計算配筋，將護壁長邊按兩端固支板計算，則最大彎矩設(shè)計值為[7]：

式中：qx為地面以下5m處作用在護壁上的主動土壓力值（kPa）；l為護壁長邊的計算跨度（m）。

護壁結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1，經(jīng)計算可得，護壁的橫向受力配筋為：每米深度需配置HRB335級鋼筋509mm2，實配鋛12@200（鋼筋面積為565 mm2），雙層配置[6]。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)場地基坑的工程地質(zhì)特征及場地基坑的平面布置要求，結(jié)合內(nèi)力計算結(jié)果，選用懸臂式樁板擋墻對深基坑進行永久性支護是合理的、可行的。

（2）內(nèi)力分析表明，懸臂段樁身彎矩隨樁深的增大而急劇增大，在基坑底面時，彎矩隨樁深增大的速度明顯變小，基坑底面往下4.2m處，樁內(nèi)側(cè)彎矩達到最大值；當樁深度繼續(xù)增大至樁底端時，樁身彎矩逐漸減小至零?；拥酌嬉韵?，隨著樁深度的增大，樁身剪力的絕對值逐漸減小至零，而后樁身剪力反向增大，當樁深度為22.7m時，樁身剪力達到最大值。樁側(cè)土體反力在強風(fēng)化巖頂面往下0.5m處達到最大值；隨深度的進一步增大，樁側(cè)土體反力逐漸減小。

（3）在支護設(shè)計中，將抗滑樁外土體從道路紅線往基坑方向適當放坡，減少抗滑樁上的土壓力，同時，降低基坑支護高度，抗滑樁可兼作地下室框架柱基礎(chǔ)，抗滑樁擋板亦兼作地下室的側(cè)墻擋板，具有較好的經(jīng)濟效益。對受力比較大的樁及擋板盡量采用HRB400級鋼及強度等級高的混凝土，可有效節(jié)省工程材料及費用。