雙排樁支護結(jié)構(gòu)在海南某基坑工程中的運用

程演

（上海市地下空間設(shè)計研究總院有限公司，上海 200125）

1 引言

實際的基坑工程在某些特定條件下，如錨桿（索）、土釘由于地方法規(guī)條文限制不得超出用地紅線，內(nèi)支撐體系由于實際條件限制而無法實施，采用單排懸臂樁結(jié)構(gòu)無法滿足承載力以及基坑變形的要求，或者單排懸臂樁結(jié)構(gòu)的造價不合理時，雙排樁剛架結(jié)構(gòu)成為一種可供選擇的基坑支護形式。

雙排樁支護體系是沿基坑側(cè)壁設(shè)置的由前排樁、后排樁、冠梁及連接前排和后排樁的連梁組成的支擋式結(jié)構(gòu)[1]。由于雙排樁支護體系不設(shè)內(nèi)支撐，基坑內(nèi)部施工空間大，減少了設(shè)置支撐、拆除支撐的工序，施工工藝簡單，不與土方開挖交叉作業(yè)，可大大縮短工期。與錨拉式支擋結(jié)構(gòu)相比，當(dāng)基坑外擬設(shè)置錨桿（索）的部位有已建地下結(jié)構(gòu)、地下管線或地下障礙物；擬布設(shè)錨桿（索）的土層由滲透性高的砂層組成，錨桿（索）無法實施或者施工難度風(fēng)險較大；擬設(shè)置錨桿（索）的土層提供的錨固力不足；地方法規(guī)條文規(guī)定支護結(jié)構(gòu)無法超出用地紅線時，雙排樁支護體系具有相當(dāng)大的優(yōu)勢。

國外學(xué)者在19 世紀50 年代就已經(jīng)對雙排樁支護型式進行研究，在20 世紀80 年代引入國內(nèi)后，國內(nèi)學(xué)者進行大量的理論研究及實踐，使得雙排樁支護型式在工程中的使用越來越廣泛。

不少學(xué)者針對雙排樁結(jié)構(gòu)體系進行研究，何頤華等[2]提出了將雙排樁與樁頂連梁作為剛架結(jié)構(gòu)的計算模型，鄭剛[3]等提出了用水平彈簧模擬樁間土，考慮樁土相互作用的平面桿系有限元模型。吳剛等[4]基于彈性地基梁理論，考慮了土壓力的空間效應(yīng)，提出了一種考慮冠梁空間協(xié)調(diào)作用的雙排樁支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算模型。楊光華等[5]建議了一個新的土壓力模式，對2 排樁與樁間土的作用增加一個等效土柱剛度，使計算的位移更合理。曹凈等[6]引入等效桁架模型，對樁間土等效模型進行改進，提出基于等效桁架模型的基坑雙排樁結(jié)構(gòu)計算模型更加合理。

許多工程師針對雙排樁圍護形式的關(guān)鍵參數(shù)對于基坑開挖的影響進行分析。黃朝煊等[7]結(jié)合相關(guān)工程案例，分析了雙排樁排距變化、樁距變化以及連梁剛度等對前后排樁位移和彎矩的變化影響規(guī)律。劉青松等[8]提出了考慮連梁作用的雙排樁冠梁水平側(cè)向剛度的建議計算方法，探討了雙排樁冠梁水平側(cè)向剛度對支護體系變形的影響。易喆[9]采用FLAC 3D 對施工過程進行了數(shù)值模擬分析，研究了圍護樁排數(shù)、排距、樁長、樁剛度等對基坑樁體變形以及地表沉降的影響。

樁體水平位移是基坑開挖過程中的重要指標(biāo)，一旦超限，整個基坑將產(chǎn)生失穩(wěn)，造成極大的經(jīng)濟損失。本文以海南省某基坑為例，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用理正深基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件SPW7.0 進行計算，研究雙排樁的幾個重要參數(shù)對樁體水平位移的影響。通過本文的研究，希望在今后的圍護設(shè)計中能對雙排樁圍護結(jié)構(gòu)型式提供一定的借鑒。

2 計算模型

采用理正深基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件SPW7.0 進行計算，軟件根據(jù)JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》，采用彈性支點法計算（m法）。基本假設(shè)如下：（1）假設(shè)土體為彈塑性體，其彈性模量和泊松比不因外部條件的改變而改變；（2）主動土壓力與被動土壓力采用朗肯土壓力理論，不考慮樁后摩擦阻力；（3）假設(shè)樁頂與冠梁剛性連接，不發(fā)生轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生彎矩；（4）不考慮滲流的影響。

雙排樁的計算模型如圖1 所示。采用土的側(cè)限約束假定，將樁間土看作水平單向壓縮體，前后排樁看作豎直放置的彈性地基梁，同事考慮基坑開挖后樁間土應(yīng)力釋放后仍存在一定的初始壓力，計算土反力時初始壓力按樁間土自重占滑動體自重的比例關(guān)系確定。圖1 中，ps為土的分布土壓力，kPa；b0為土反力的計算寬度，m；pak表示土的主動土壓力，kPa；ba為主動土壓力的計算寬度，m；d為樁的直徑，m；sy為雙排樁排距，m；h為開挖深度，m；ld為雙排樁的嵌入深度，m。

圖1 《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》的雙排樁計算模型

3 工程概況

3.1 海南三亞地區(qū)工程地質(zhì)情況分析

擬建場地位于三亞市區(qū)三郎嶺—荔枝溝向斜構(gòu)造帶內(nèi)，構(gòu)造中軸線南段，覆蓋層為厚度較大的第四系海陸交互相與海相沉積層。

經(jīng)勘探查明，鉆探深度范圍內(nèi)場地地層自上而下共劃分為9 個工程地質(zhì)單元層，依次為①層雜填土（Qml）、②層粉砂（Q4mc）、③層粉砂（Q4mc）、④層礫砂（Q2mc）、⑤層黏土（Q1mc）、⑥層礫砂（Q1mc）、⑦層粉質(zhì)黏土（Q1mc）、⑧層強風(fēng)化花崗巖(γ5)和⑨層中風(fēng)化花崗巖(γ5)，屬于硬質(zhì)土場地。

3.2 基坑支護型式

本工程主體基坑面積約為29 400 m2，總延長約為840 m。基坑普遍開挖深度為9 m，局部落低處開挖深度為10 m。

本工程基坑較大，圍護型式較為復(fù)雜，由北向南分為3 大塊基坑，北側(cè)基坑圍護形式為內(nèi)支撐圍護型式，中部基坑為角撐加雙排樁圍護形式，南側(cè)基坑采用角撐加錨索圍護形式。旋噴樁作為止水帷幕，東側(cè)臨近三亞河紅樹林保護區(qū)，布置3 排；其余部分布置2 排。選取中部基坑的東側(cè)剖面進行計算分析，該剖面采用φ800@1 000 的雙排樁，前后排樁長度間距均一致，排距5 m，樁頂標(biāo)高-1.0 m，前后排樁樁頂冠梁均為1 200 mm×800 mm，樁長24 m。

本基坑土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 基坑土層物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)地勘報告，坑外地下水位按照地表以下2.54 m，坑內(nèi)降水最終深度為坑底以下1 m。雙排樁剖面處進行加固，坑底以上3 m 采用水泥摻量7%的φ700 mm@500 mm 雙軸攪拌樁進行弱加固，坑底以下2.5 m 采用水泥摻量13%的φ700 mm@500 mm 雙軸攪拌樁進行強加固，以保證該剖面的安全性。

基坑?xùn)|側(cè)雙排樁圍護剖面圖如圖2 所示。

圖2 某基坑雙排樁圍護剖面圖

模型計算結(jié)果如圖3 所示，本基坑為安全等級二級基坑，支護結(jié)構(gòu)頂部最大水平位移為55.8 mm，滿足規(guī)范要求。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，與計算結(jié)果基本相近。

圖3 模型計算水平位移與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

4 模型參數(shù)分析

4.1 雙排樁間距對于圍護結(jié)構(gòu)變形的影響

在滿足規(guī)范要求的前提下，改變樁間距對水平位移的影響如圖4 所示。樁頂至深度15 m 范圍內(nèi)，隨著樁間距的增大，水平位移增大。改變樁間距對水平位移的變化量在樁頂?shù)奈恢米畲螅S深度的變大影響逐漸減少，當(dāng)深度超過15 m 時基本沒有影響。

圖4 樁間距對水平位移的影響

4.2 雙排樁樁徑對于圍護結(jié)構(gòu)變形的影響

在滿足規(guī)范要求的前提下，改變樁徑對水平位移的影響如圖5 所示。在樁間距相同的情況下，樁頂至深度12.5 m 范圍內(nèi)，隨著樁徑的增大，水平位移減小。深度12.5 m 以下，樁徑改變對于前排樁水平位移影響不大。

圖5 樁徑對水平位移的影響

4.3 雙排樁冠梁剛度對于圍護結(jié)構(gòu)變形的影響

以φ800 mm@1 000 mm 雙排樁為例，改變樁頂冠梁剛度進行計算，對水平位移的影響如圖6 所示。隨著剛度的變大，樁水平位移減小。深度15 m 以下，基本沒有影響。

由圖4～圖6 可以看出，改變樁頂冠梁剛度增大對水平位移的影響程度明顯大于樁徑的增大和樁間距的減小。

圖6 樁頂冠梁剛度對水平位移的影響

5 結(jié)論

雙排樁結(jié)構(gòu)是JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》的新增內(nèi)容，目前的基坑支護規(guī)范中尚沒有提出雙排樁結(jié)構(gòu)的計算方法。規(guī)范的計算模型采用土的側(cè)限約束假定，存在一些不足，例如，規(guī)范模型中為簡化計算認為作用在前后排樁上的壓力均等，用朗肯土壓力公式計算土壓力。實際工程中，雙排樁的受力比較復(fù)雜，還需要學(xué)者們通過研究和實驗來確定結(jié)構(gòu)模型。規(guī)范模型中將樁間土等效成水平彈簧，土體的水平剛度系數(shù)按照計算點的深度取為常數(shù)，沒有考慮實際土體模量會隨深度發(fā)生變化等。

本文選取雙排樁的幾個參數(shù)對樁身水平位移進行研究，可以看到在雙排樁間距以及樁徑不變的情況下，改變樁頂冠梁剛度對雙排樁結(jié)構(gòu)變形的影響最大。在工程中，提高冠梁剛度可以大大減小基坑頂部位移，對于提高基坑圍護安全性效果顯著。

在今后的研究與設(shè)計中，有必要進一步對雙排樁的受力機理進行深入研究，更好地了解雙排樁受力體系，建立規(guī)范的計算模型，以便雙排樁圍護型式在實際工程中更好地運用。