雙（多）排樁基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)受力性能研究與工程實(shí)踐

陳仕洪 陳俊生

摘 要：雙（多）排支護(hù)樁由于具有抗側(cè)移剛度大、場地適用性強(qiáng)和方便施工等特點(diǎn)近年來在基坑工程上得到廣泛應(yīng)用。文章根據(jù)多排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在撓曲微分方程的基礎(chǔ)上得出的各點(diǎn)變形及內(nèi)力方程，帶豎向錨索多排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力大小及施加豎向錨索的時(shí)間對支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，考慮支護(hù)樁在樁身支護(hù)參數(shù)變化下對支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力位移的影響等研究結(jié)論，結(jié)合多個(gè)基坑支護(hù)工程項(xiàng)目的實(shí)踐情況，總結(jié)了雙（多）排樁的支護(hù)效果，驗(yàn)證了理論研究成果的可靠性，可為類似問題的理論研究和工程實(shí)踐提供參考。

關(guān)鍵詞：雙（多） 排支護(hù)樁;撓曲分析;豎向錨索;支護(hù)參數(shù);工程實(shí)踐

中圖分類號(hào)：TU47 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）05-0101-06

Research and Engineering Practice on Mechanical Properties of Double （Multiple） Row Pile Foundation Pit Support Structure

Chen Shihong1 ，Chen Junsheng1，2，3

（1 .School of Civil Engineering and Transportation， South China University of Technology， Guangzhou 510640， China; 2.State Key Laboratory of Subtropical Building Science， Guangzhou 510640， China; 3.South China Institute of Geotechnical Engineering， Guangzhou 510640， China）

Abstract：Double （multiple） row support pile has been widely used in foundation pit engineering in recent years due to its characteristics of large lateral displacement stiffness， strong site applicability and convenient construction. Based on the multiple row pile retaining structure in the deflection differential equation of deformation and internal force at every point on the basis of the equation， the influence of the prestress of the multi-row pile supporting structure with vertical anchor cables and the time of applying the vertical anchor cables on the supporting structure， and considering the influence of supporting pile on the internal force and displacement of supporting structure under the change of pile supporting parameters， etc， combined with the practice of multiple foundation pit supporting project， summarizes the double （multiple） pile supporting effect， test and verify the reliability of the theoretical research results， can be used as theoretical research and engineering practice of similar problems to provide the reference.

Key words：double （multiple） row support pile; deflection analysis; vertical anchor cable; support parameter; engineering practice

0 引言

隨著粵港澳大灣區(qū)建設(shè)的深入，臨海軟土地區(qū)基坑工程不斷投入建設(shè)。臨海區(qū)的基坑在設(shè)計(jì)和施工等方面的要求更加嚴(yán)格，如何在保證基坑的穩(wěn)定性情況下將工程對環(huán)境的影響降到最小是施工的重難點(diǎn)。雙排樁支護(hù)作為一種懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)，具有較大的抗側(cè)移剛度、場地適用性強(qiáng)和方便施工等優(yōu)點(diǎn)，近年來在深度5～8m，基坑面積較大且無法做內(nèi)支撐或錨索項(xiàng)目中得到了廣泛的應(yīng)用。為了深入了解雙排樁的受力特性、變形特性及前后排樁的土壓力分配等問題，學(xué)者們對進(jìn)行了大量的研究。在雙排樁支護(hù)參數(shù)方面，林鵬等[1-2]通過分析雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)以及結(jié)合實(shí)例分析得到了若干影響雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)及變化規(guī)律。楊光華[3]針對雙排樁計(jì)算理論的不足，提出了一個(gè)新的土壓力模式。李佳等[4-5]對軟土深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形性狀進(jìn)行了分析。楊粵黔等[6-8]通過有限元軟件對雙排樁基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得到了提升支護(hù)效果指導(dǎo)性意見。聶慶科等[9]根據(jù)某高層基坑現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究了雙排樁支護(hù)的土壓力性狀及支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形情況。

雙排樁雖然已經(jīng)有較多的基坑工程應(yīng)用實(shí)例，但在撓曲分析、支護(hù)參數(shù)影響等方面尚未明確。本文整理了本團(tuán)隊(duì)在雙（多）排樁研究上的相關(guān)成果，結(jié)合多個(gè)實(shí)際工程的使用效果，總結(jié)了雙（多）排支護(hù)樁的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力性能，為今后軟土區(qū)雙（多）排樁基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的理論研究及工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 雙（多）排支護(hù)樁受力性能研究總結(jié)

1.1 雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)撓曲理論

目前，雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)撓曲理論主要是通過理論及施工經(jīng)驗(yàn)雙排樁后排樁樁身背部施加滑裂面，以滑裂面為界限，將雙排樁的受力及變形計(jì)算分為上下兩部分?；衙嫔戏酵馏w運(yùn)用體積比例法計(jì)算土壓力，滑裂面下方土體用“m”法求解土壓力，并以此建立雙排樁不同樁段的撓曲微分方程。為了求得方程的解，需要建立不同樁段方程之間的數(shù)學(xué)聯(lián)系，主要是運(yùn)用樁端連接點(diǎn)之間的力學(xué)性狀及變形性能具有連續(xù)性的特點(diǎn)，施加相應(yīng)的邊界效應(yīng)，可以得到不同樁段的方程解析解。將方程的解析解進(jìn)行求導(dǎo)，即可得到雙排樁中各點(diǎn)的位移及受力狀況[10]。前后排樁的位移方程：

其中：為體積比例系數(shù);為主動(dòng)土壓力系數(shù);為土重度;為排樁的計(jì)算寬度;為粘聚力;、、、分別為樁頂剪力、彎矩、轉(zhuǎn)角和位移。

1.2 帶豎向錨索雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)研究

通過研究發(fā)現(xiàn)，通常采用的懸臂式雙排樁，在支護(hù)受土壓力作用后，其樁身最大彎矩位于后排樁中心附近，前后排樁彎矩都會(huì)呈現(xiàn)出具備反彎點(diǎn)的特征。隨著錨索預(yù)應(yīng)力的增大，雙排樁最大正彎矩和正彎矩呈線性增大，且沒有收斂的趨勢，其中后排樁增速較快，雙排樁負(fù)彎矩減小，相比正彎矩的增幅，負(fù)彎矩的減幅很小，且呈收斂趨勢。

通過前人的研究發(fā)現(xiàn)[11]，在雙排樁的支護(hù)體系中，其產(chǎn)生的最大彎矩是由后排樁來控制，前后排樁的負(fù)彎矩最大值趨于相等。當(dāng)場地進(jìn)行開挖時(shí)，開挖深度越深，彎矩在不斷變化，前后排樁負(fù)彎矩呈現(xiàn)出不斷增大的趨勢，對正彎矩的影響時(shí)前排樁的影響較為明顯，前排樁正彎矩減小，后排樁正彎矩基本不變。

1.3 雙排樁支護(hù)參數(shù)對支護(hù)結(jié)構(gòu)受力影響研究

雙排樁的支護(hù)參數(shù)主要包括樁間距、樁長、前后排距等，不同參數(shù)對雙排樁的支護(hù)性能都產(chǎn)生了一定的影響。

樁間距對雙排樁影響較大，樁間距增大時(shí)，樁間土壓力增大，前后排樁樁身彎矩也不斷增大，改變后排樁的間距影響較改變前排樁間距的影響更加明顯，后排樁的彎矩變化也比前排樁變化更大。

樁長的改變也會(huì)帶來一定的影響。前后排樁的入土深度增加時(shí)，雙排樁的彎矩都在增大;后排樁入土深度增加，前排樁不變時(shí)，前排樁的彎矩趨于減小，后排樁的彎矩則是逐漸增大，由此可見，增大后排樁的樁長可以增強(qiáng)雙排樁的整體性能，后排樁承受能力不斷增強(qiáng);前排樁入土深度增大，后排樁不變時(shí)，前后排樁的彎矩變化都呈現(xiàn)出減小的趨勢。

樁排距影響著前后排樁之間土的性狀，選取適合的排距才能充分發(fā)揮雙排樁的支護(hù)性能。排距小于3d（樁徑）時(shí)，雙排樁表現(xiàn)出懸臂式單排樁的性質(zhì)，其受力情況與單排樁類似，并沒有發(fā)揮雙排樁的優(yōu)勢;排距大于4d時(shí)，后排樁分擔(dān)的荷載較小，主要是前排樁發(fā)揮作用。根據(jù)前人研究，排距在3～4d區(qū)間段，特別是趨近于4d時(shí)，前后排樁之間的荷載效應(yīng)才能達(dá)到理想狀態(tài)，能夠最大化發(fā)揮雙排樁的支護(hù)性能[12-13]。

2 廣州寶興TESCO購物中心項(xiàng)目

2.1 工程概況及工程地質(zhì)條件

廣州寶興TESCO購物中心項(xiàng)目始于2009年8月，是廣州地區(qū)第一個(gè)采用雙排樁支護(hù)形式的基坑，由于處于深厚砂層，雙排樁的疏密和直徑存在差異?；用娣e為21505m2，基坑深度9.80m。

場地地基土在基坑開挖深度內(nèi)主要為雜填土、淤泥或淤泥質(zhì)土、砂土、粉質(zhì)黏土，坑底土主要是砂土（中砂、粗砂皆有）及部分含淤泥質(zhì)黏土的砂土層。

2.2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)是在團(tuán)隊(duì)對雙排樁支護(hù)形式充分研究的前提下，完成的廣州地區(qū)首個(gè)采用雙排樁支護(hù)形式的基坑。結(jié)合雙排樁的撓曲理論研究結(jié)論和雙排樁支護(hù)參數(shù)對支護(hù)結(jié)構(gòu)受力影響研究結(jié)論，考慮間距和直徑的具體影響，對處于深厚砂層的支護(hù)結(jié)構(gòu)布置方式進(jìn)行充分計(jì)算，得到雙排樁的疏密和直徑存在差異的設(shè)計(jì)方案如下：

基坑北側(cè)（1-1區(qū)段）、西側(cè)北段（1′-1′區(qū)段）、東側(cè)北段（1′-1′區(qū)段）等區(qū)段皆是用雙排樁（鉆孔灌注樁）進(jìn)行基坑支護(hù)，運(yùn)用矩形布置的形式。其中前排樁樁徑1m，間距1.2m、后排樁樁徑0.8m，間距為前排樁的兩倍，即2.4m。樁頂連接蓋板為0.6m厚鋼筋混凝土板;沿基坑周邊設(shè)置樁徑1m，間距0.75m的大直徑（旋噴）攪拌樁形成封閉止水帷幕的支護(hù)方案?；影踩燃?jí)為二級(jí)，設(shè)定周邊荷載20kPa。

3 南沙豐田北項(xiàng)目（三排樁）

3.1 工程概況及工程地質(zhì)情況

南沙豐田北項(xiàng)目基坑支護(hù)竣工于2011年10月，是廣州地區(qū)第一個(gè)深厚淤泥層三排樁項(xiàng)目?；用娣e為30574m2，基坑開挖深度6.7m。由于基坑?xùn)|南側(cè)鄰近地鐵車站且北側(cè)和西北側(cè)靠近河流，造成了極大的施工困難，為了創(chuàng)造施工條件，通過三排樁支護(hù)形式搭接工程樁承臺(tái)拓寬施工道路，故采用了較為特殊的三排樁基坑支護(hù)形式。

場地地基土在基坑開挖深度內(nèi)為雜填土、淤泥或淤泥質(zhì)土、含淤泥粉細(xì)砂、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖，基坑底面基本位于含淤泥粉砂層、細(xì)砂層。

3.2 有限元分析

本項(xiàng)目由于之前所述的特殊性，根據(jù)常規(guī)雙排樁設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)可能存在問題，故設(shè)計(jì)過程結(jié)合有限元分析同步進(jìn)行。根據(jù)帶豎向錨索雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)研究的相關(guān)結(jié)論合理確定入巖深度和錨索預(yù)加力鎖定值，充分考慮參數(shù)具體影響再進(jìn)行合理確定，最后根據(jù)撓曲理論進(jìn)行驗(yàn)證，確保工程安全。具體分析過程如下：

（1）計(jì)算工況及荷載組合。分析主要分為三個(gè)工況，即三個(gè)施工步，具體如下表1所示。在下表的工況簡述中，以基坑頂標(biāo)高為0.00m，荷載為40kPa。

（2）有限元網(wǎng)格。整體有限元模型及模型各部分、各施工工況如圖5所示，共有45125個(gè)單元，8886個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3.3 有限元計(jì)算結(jié)果

在以下各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果中，僅顯示3種不同荷載組合下計(jì)算結(jié)果的最大值。

（1）支護(hù)結(jié)構(gòu)位移。在位移計(jì)算結(jié)果中，法向位移結(jié)果以向基坑外為正，圖形表示的方位與圖5相同。

（2）支護(hù)樁內(nèi)力。在支護(hù)樁內(nèi)力計(jì)算結(jié)果中，彎矩顯示在受彎側(cè)，圖形表示的方位與圖5相同。

4 南沙游輪碼頭2號(hào)地項(xiàng)目（預(yù)制支護(hù)管樁的應(yīng)用）

4.1 工程概況及工程地質(zhì)情況

南沙游輪碼頭2號(hào)地項(xiàng)目始于2016年3月，是在深厚淤泥層采用雙排支護(hù)管樁的基坑?；用娣e為37809m2，基坑開挖深度為1.68m～7.44m。

場地地基土在基坑開挖深度內(nèi)為素填土、淤泥、粉砂、細(xì)砂、淤泥質(zhì)土、中砂、粗砂礫砂、粉質(zhì)粘土、砂質(zhì)粘性土、砂質(zhì)粘性土、全風(fēng)化花崗巖。

4.2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

雙排支護(hù)管樁在深厚淤泥層中采用的情況較少，本項(xiàng)目根據(jù)雙排樁支護(hù)參數(shù)對支護(hù)結(jié)構(gòu)受力影響研究結(jié)論，充分考慮管徑、樁距、排距等參數(shù)的影響進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，通過雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)撓曲理論研究結(jié)論判斷方案的可行性，保證方案的安全經(jīng)濟(jì)，具體設(shè)計(jì)方案如下：

采用放坡土釘墻支護(hù)和單排鉆孔灌注樁支護(hù)及雙排管樁支護(hù)的方案。根據(jù)基坑開挖深度及場地地質(zhì)條件，將支護(hù)結(jié)構(gòu)分為14個(gè)區(qū)段。兩層地下室區(qū)域4-4區(qū)段～5-5區(qū)段采用雙排PRC-Ⅱ600AB110型預(yù)制管樁，6-6區(qū)段、8-8區(qū)段～10-10區(qū)段、14-14區(qū)段采用放坡+雙排PRC-Ⅱ800B110型預(yù)制管樁支護(hù)形式;7-7區(qū)段、11-11區(qū)段、13-13區(qū)段采用雙排PRC-Ⅱ800B110型預(yù)制管樁支護(hù)形式。

5 結(jié)論

結(jié)合雙（多）排支護(hù)樁受力性能研究結(jié)論，通過廣州寶興TESCO購物中心、廣州創(chuàng)鴻祈福南項(xiàng)目等多個(gè)雙（多）排樁支護(hù)樁基坑項(xiàng)目的成功實(shí)踐，可以得到以下結(jié)論：

（1）雙排樁支護(hù)形式在廣州寶興TESCO購物中心項(xiàng)目和南沙游輪碼頭2號(hào)地項(xiàng)目的成功應(yīng)用，充分說明了在深厚砂層或深厚淤泥層等地質(zhì)條件下，采用雙排樁能夠有效控制基坑變形，經(jīng)濟(jì)合理，安全可靠，取得了較好的支護(hù)效果。

（2）在南沙豐田北項(xiàng)目中，由于基坑鄰近地鐵車站和河流等原因造成的施工不便，通過采用三排樁支護(hù)形式，提供了足夠面積的施工場地，成功解決了施工困難，極大地提升了施工效率。

（3）充分考慮工程實(shí)際情況下，參考雙（多）排支護(hù)樁的撓曲理論、帶豎向錨索雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)受力性能和支護(hù)參數(shù)對支護(hù)結(jié)構(gòu)受力影響等相關(guān)研究結(jié)論進(jìn)行設(shè)計(jì)施工，驗(yàn)證了理論研究成果的可靠性，同時(shí)能夠取得最佳的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

（4）文中多個(gè)項(xiàng)目雙（多）排支護(hù)樁基坑工程的成功實(shí)施，能夠?yàn)榻窈髧鴥?nèi)類似的軟土地區(qū)基坑工程提供借鑒和參考。

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