基坑工程傾斜樁及其與多級支護(hù)組合的工程應(yīng)用研究

田 野 陳 國 宋 志 張 濤 柳 瑤 田 浩 高 雨

1. 中建三局集團(tuán)有限公司工程總承包公司 湖北 武漢 430070；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

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，基坑工程領(lǐng)域大量使用樁、撐、墻等支護(hù)結(jié)構(gòu)。作為一種臨時性支護(hù)措施，支撐使用后所產(chǎn)生的固體廢物污染和資源浪費(fèi)越來越多，與綠色建造的發(fā)展理念相悖。因此，有很多學(xué)者[1-4]提出了無支撐支護(hù)的概念和方法（圖1）。

圖1 基坑工程無支撐支護(hù)

傾斜樁支護(hù)技術(shù)和多級支護(hù)技術(shù)分別為2種減少甚至取消部分支撐使用的有效支護(hù)方式。傾斜樁是指將傳統(tǒng)垂直支護(hù)樁以一個小的角度進(jìn)行傾斜，從而達(dá)到減小位移、降低樁身彎矩、提高支護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性等目的的一種新型支護(hù)方式；多級支護(hù)結(jié)構(gòu)主要是指較大、較深的基坑工程采用的多級不同形式的分級開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)[3]。

多級支護(hù)方式和傾斜樁支護(hù)方式在一些工程實(shí)踐中得到了成功應(yīng)用，如武漢凱德廣場古田項目采用雙排樁與單排樁組合的多級支護(hù)結(jié)構(gòu)[3]，上海虹橋綜合交通樞紐項目采用了多級聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)[4]，天津某軟土基坑工程采用傾斜樁基坑支護(hù)[5]等。

很多學(xué)者和工程技術(shù)人員也對多級支護(hù)和傾斜樁支護(hù)的工程特性和受力機(jī)理展開了研究，如鄭剛等[1]、任望東等[2]提出了多級支護(hù)的破壞模型，鄭剛等[6]分析了傾斜樁支護(hù)的作用機(jī)理。相關(guān)工程應(yīng)用和理論分析為基坑工程新型無支撐支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用提供了重要保障。

多級支護(hù)方式和傾斜樁支護(hù)可以作為單獨(dú)的支護(hù)結(jié)構(gòu)或措施以達(dá)到減少或消除支撐使用的目的，也可以作為組合支護(hù)方式發(fā)揮更好的無支撐支護(hù)效果。雖然多級支護(hù)方式和傾斜樁支護(hù)有比較好的支護(hù)優(yōu)勢，但現(xiàn)行國家規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對相關(guān)設(shè)計方法并無明確規(guī)定[7]，導(dǎo)致其工程應(yīng)用受到一定程度的限制。本文以工程實(shí)例為基礎(chǔ)，研究傾斜樁及其與多級支護(hù)結(jié)構(gòu)組合支護(hù)的工程特點(diǎn)，采用數(shù)值計算方法，分析傳統(tǒng)垂直樁支護(hù)、傾斜樁支護(hù)、傾斜樁與多級支護(hù)結(jié)構(gòu)組合支護(hù)等的內(nèi)力、位移及整體穩(wěn)定性變化情況，探討各種支護(hù)方式的特點(diǎn)，以期為不同特點(diǎn)工程的無支撐支護(hù)選型提供一定的參考。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

工程位于武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)硃山湖以南，鄂江左線堤上路以北處，工程占地面積約156 000 m2，設(shè)置2層地下室，基坑距離紅線約11 m，紅線外為通行道路?；颖谥饕獮榈谒南抵懈陆y(tǒng)沖洪積黏性土及碎塊石土，基坑壁巖土特征如下：①1雜填土，雜色，局部以褐紅色含礫黏土為主，稍濕-濕，松散，主要由磚渣、碎石、混凝土塊及砂、礫等混少量黏性土組成，局部見褐紅色硬土塊，土性差異大，堆填時間不足10 a；①2素填土，雜色，局部灰褐色，飽和，主要由軟-可塑狀黏性土混少量礫石及生活垃圾組成，局部見少量腐殖質(zhì)，偶見老黏土硬土塊，埋深較大時，底部為極不均勻的軟化層；④1黏土，老黏土，硬塑狀；④2碎塊石土，褐黃色，飽和，中密，碎、塊石成分主要為石英、燧石、砂巖等，多呈棱角-次棱角狀，粒徑多大于20 mm，常見大于110 mm的大塊狀及短柱狀巖芯，含量一般大于60%，充填物為硬塑狀黏性土，碎、塊石多被黏性土包裹，碎、塊石排列無規(guī)律。鉆探中在礫石塊徑較小時取樣進(jìn)行顆粒分析，其黏粒含量為20%～90%。巖土物理力學(xué)參數(shù)見表1。場地北側(cè)鄰湖，地下水主要為上層滯水和局部孔隙承壓水。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

1.2 基坑支護(hù)方案

基坑開挖深度11.25 m，基坑重要性安全等級為一級。根據(jù)不同支護(hù)段周邊條件，在確保無支撐情況下分別采用不同的支護(hù)方式，與本文實(shí)例相關(guān)的典型支護(hù)措施分別為垂直雙排樁支護(hù)、前斜后直雙排樁支護(hù)、傾斜樁多級支護(hù)，如圖2所示。

圖2 典型支護(hù)剖面

1）垂直雙排樁支護(hù)。涉及支護(hù)長度約80 m，前后排鉆孔灌注支護(hù)樁樁徑1.0 m，前排樁間距1.3 m，后排樁間距2.6 m，樁長均為18.5 m。

2）前斜后直雙排樁支護(hù)。涉及支護(hù)長度約為120 m，鉆孔灌注支護(hù)樁樁徑0.9 m，前排斜樁間距1.1 m、樁長20.5 m、傾斜角度10°～15°，后排直樁間距2.2 m、樁長18.0 m。

3）傾斜樁多級支護(hù)。主要應(yīng)用于臨邊地下室坡道區(qū)域，涉及支護(hù)長度約為15 m，第1級采用垂直樁支護(hù)，樁徑0.9 m，樁間距2.2 m；第2級采用傾斜樁支護(hù)，傾斜角度15°，樁徑0.9 m，樁間距1.1 m，第1級支護(hù)高度為3 m，平臺寬度為3～6 m，支護(hù)樁前樁長18.0 m、后樁長15.0 m。

2 數(shù)值計算分析

2.1 模型建立

選取典型剖面，采用Midas GTS NX有限元計算軟件，按二維平面應(yīng)變考慮，模型寬度取整體基坑寬度的一半，寬度為120 m，高度取4倍基坑開挖深度，高50 m。除頂面外，其他三面邊界條件設(shè)置約束，模型計算方法為修正摩爾-庫侖模型，土體卸載模量取3～5倍彈性模量。支護(hù)樁、樁頂連梁采用梁單元，彈性模量取30 GPa，泊松比取為0.2，其他參數(shù)見表1。為簡化計算，增加各支護(hù)方案的可比性，取同一地層參數(shù)進(jìn)行計算對比，同時取消樁頂坡，考慮荷載20 kPa，各支護(hù)方案對應(yīng)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表2 典型支護(hù)方案設(shè)計

2.2 位移結(jié)果分析

通過數(shù)值計算，得到不同支護(hù)方案開挖至基底工況下的基坑水平位移云圖，如圖3所示。根據(jù)位移云圖可知，垂直雙排樁位移最大值主要位于樁頂部〔圖3（a）〕，傾斜雙排樁最大位移主要位于樁頂向下的部位，且主要位于傾斜樁樁身〔圖3（b）、圖3（c）〕，說明傾斜樁發(fā)揮了更重要的支護(hù)作用。

圖3 各支護(hù)方案位移云圖

對各支護(hù)方案位移變化的比較（圖4）可知，方案一位移明顯大于其他方案位移，說明采用傾斜樁支護(hù)可以顯著減小基坑支護(hù)位移；方案三位移最小，說明采用傾斜樁多級支護(hù)，同時在分級平臺設(shè)置連梁時，位移控制效果更好，不設(shè)置連梁的傾斜樁分級位移要大于設(shè)置連梁的位移，對于第1、2級支護(hù)平臺寬度比較小的情況，其分級破壞模型以整體式破壞或關(guān)聯(lián)式破壞為主，連梁可以增強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性，提高結(jié)構(gòu)剛度，從而在一定程度上減小位移。

圖4 各支護(hù)方案位移比較

2.3 整體穩(wěn)定性分析

根據(jù)施工工況，進(jìn)行施工過程和應(yīng)力分析?；娱_挖至基底時，采用強(qiáng)度折減法（SRM）對基坑進(jìn)行整體穩(wěn)定性分析，計算得到不同支護(hù)方案開挖至基底工況的整體穩(wěn)定性安全系數(shù)。為方便對比分析，將其繪成變化曲線，如圖5所示。

圖5 整體穩(wěn)定性安全系數(shù)對比

結(jié)果表明，各支護(hù)方案的整體穩(wěn)定性安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，采用傾斜樁支護(hù)方案的整體穩(wěn)定性安全系數(shù)均大于垂直雙排樁支護(hù)方案，說明傾斜樁可有效提高基坑整體穩(wěn)定性安全系數(shù)，各支護(hù)方案對基坑整體穩(wěn)定性的控制效果與位移控制效果相似，即設(shè)連梁的傾斜樁多級支護(hù)位移和整體穩(wěn)定性控制效果最優(yōu)，前斜后直雙排樁次之，無連梁傾斜樁多級支護(hù)較差，垂直雙排樁最差。

2.4 樁身彎矩分析

圖6為基坑開挖至基底工況下的支護(hù)樁彎矩變化情況。通過對比各方案樁身彎矩變化（圖7）可知，傾斜雙排樁樁身彎矩顯著小于垂直雙排樁樁身彎矩〔圖7（a）、圖7（b）〕，說明傾斜樁不僅可以減小位移、增加整體穩(wěn)定性，而且可以減小樁身彎矩，達(dá)到經(jīng)濟(jì)的目的。同時，傾斜雙排樁與垂直雙排樁樁身彎矩變化形態(tài)基本相似，即前后排樁上部均為負(fù)彎矩、下部均為正彎矩，但反彎點(diǎn)的位置及彎矩大小略有差異；對于傾斜樁分級支護(hù)，是否設(shè)置連梁對彎矩的影響比較大，不設(shè)連梁時樁身彎矩在各方案中最小，設(shè)置連梁時樁身彎矩最大，且最大彎矩主要位于連梁連接處，連梁有效傳遞了水平力，使前后排樁連接處出現(xiàn)應(yīng)力集中，增大了樁身內(nèi)力。

圖6 各支護(hù)方案樁身彎矩

圖7 各支護(hù)方案樁身最大彎矩比較

綜合前述傾斜樁分級支護(hù)對設(shè)置連梁產(chǎn)生的不同位移和整體穩(wěn)定性支護(hù)效果可知，連梁可減小位移、增加整體穩(wěn)定性，但也會增大樁身彎矩，引起配筋的變化，需要根據(jù)不同的工程條件，通過不同的工程措施平衡各計算參數(shù)的計算結(jié)果。對本工程實(shí)例而言，若各方案位移和整體穩(wěn)定性均符合規(guī)范要求，則可采取不設(shè)置連梁的措施，從而可實(shí)現(xiàn)最小的樁身彎矩和配筋。對于平臺寬度較大的分級支護(hù)，當(dāng)破壞模型轉(zhuǎn)變?yōu)榉蛛x式破壞，即各分級支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的破壞并不關(guān)聯(lián)時，則沒有必要設(shè)置分級支護(hù)間的連梁。

3 實(shí)施效果分析

為驗證支護(hù)效果，在基坑外側(cè)土體中設(shè)置測斜管，實(shí)測支護(hù)樁開挖至基底工況下的樁身位移，結(jié)果如圖8所示。監(jiān)測結(jié)果顯示，各支護(hù)段位移均不超過30 mm，位移控制效果可滿足規(guī)范規(guī)定及工程實(shí)際要求，其中傾斜雙排樁位移略小于垂直雙排樁，說明傾斜樁支護(hù)效果更佳，并具有更大深度的懸臂式無支撐支護(hù)的工程應(yīng)用潛力。

圖8 開挖至基底的實(shí)測位移

4 結(jié)語

本文以工程實(shí)例為基礎(chǔ)，采用數(shù)值計算方法研究傾斜樁及其與多級支護(hù)結(jié)構(gòu)組合支護(hù)的工程特點(diǎn)，通過工程應(yīng)用達(dá)到了更有效的無支撐支護(hù)效果。通過對支護(hù)方案內(nèi)力、位移及整體穩(wěn)定性的計算分析比較， 得到以下主要結(jié)論：

1）傾斜雙排樁及其與多級支護(hù)結(jié)構(gòu)的組合支護(hù)，相比于傳統(tǒng)垂直雙排樁，能顯著減小基坑位移，提高整體穩(wěn)定性安全系數(shù)。傾斜樁多級支護(hù)通過平臺連梁的設(shè)置，提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度和整體性，對整體式或關(guān)聯(lián)式破壞模式的分級支護(hù)具有更好的位移和穩(wěn)定性控制效果。

2）傾斜雙排樁樁身彎矩顯著小于垂直雙排樁樁身彎矩，且彎矩形態(tài)較接近。對于傾斜樁分級支護(hù)，不設(shè)連梁時的樁身彎矩在各方案中最小，設(shè)置連梁時的樁身彎矩最大；連梁可減小位移、增加整體穩(wěn)定性，但也會增大樁身彎矩，引起配筋的變化；對于分離式破壞模式的分級支護(hù)，可考慮不設(shè)置平臺連梁或板。工程應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)具體工程情況，采用對應(yīng)結(jié)構(gòu)措施。

3）通過現(xiàn)場位移監(jiān)測，各支護(hù)方案均達(dá)到了比較好的應(yīng)用效果，其中，傾斜雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移控制效果總體好于傳統(tǒng)垂直雙排樁的位移控制效果。