斜樁與直樁組合多級(jí)支護(hù)在基坑中的應(yīng)用與分析*

余地華，田 野,2，賴國(guó)梁，陳 國(guó)，宋 志，張 濤，柳 瑤

(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)

0 引言

傾斜樁支護(hù)和多級(jí)支護(hù)是兩種可提高懸臂式支護(hù)深度的新型支護(hù)結(jié)構(gòu)，在一些裝配式廊道、車站和深大沉井等因自身結(jié)構(gòu)不宜使用支撐或其他需要減少或消除支撐使用且支護(hù)深度合適的情況下，傾斜樁、多級(jí)支護(hù)及其組合支護(hù)結(jié)構(gòu)不失為一種比較好的選擇。

作為推動(dòng)基坑工程綠色建造和可持續(xù)發(fā)展的需要，很多學(xué)者和工程技術(shù)人員對(duì)傾斜樁及多級(jí)支護(hù)開展了廣泛研究，如任望東等[1]開展了多級(jí)支護(hù)破壞模式及穩(wěn)定性參數(shù)分析；鄭剛等[2]對(duì)基坑多級(jí)支護(hù)的概念、形式、機(jī)理及破壞模式進(jìn)行了研究和總結(jié)，首次提出了設(shè)置傾斜樁的多級(jí)支護(hù)形式；翁其平等[3]，劉杰等[4]，李松等[5]從工程應(yīng)用的角度，開展了多級(jí)支護(hù)的工程應(yīng)用分析；在傾斜樁研究方面，王恩鈺等[6]，孔德森等[7]，刁鈺等[8]開展了傾斜樁支護(hù)的數(shù)值分析，提出了傾斜樁所具有的內(nèi)力和位移控制優(yōu)勢(shì)，其中鄭剛等[9]提出了斜-直交替支護(hù)樁的剛架、斜撐和重力三大機(jī)理效應(yīng)；鄭剛等[10]通過三維數(shù)值模型和室內(nèi)試驗(yàn)，開展了傾斜樁支護(hù)穩(wěn)定性及分析方法的研究，從試驗(yàn)角度證明了傾斜樁所具有的支護(hù)優(yōu)勢(shì)。已有的研究為傾斜樁和多級(jí)支護(hù)的工程應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的理論和工程應(yīng)用基礎(chǔ)[11-12]。受施工影響，一些傾斜樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在工程實(shí)踐中較難實(shí)現(xiàn)從而制約了其工程應(yīng)用，而將傾斜樁與多級(jí)支護(hù)進(jìn)行結(jié)合，可以利用更經(jīng)濟(jì)的建筑資源產(chǎn)生更好的支護(hù)效果。目前針對(duì)斜樁與直樁組合的多級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)相關(guān)研究較少，相關(guān)工程應(yīng)用也不多，本文以工程實(shí)例為基礎(chǔ)，分析斜樁與直樁組合的多級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)方式、支護(hù)參數(shù)等因素對(duì)支護(hù)效果的影響，以期為支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及類似工程提供參考。

1 工程概況及數(shù)值模型分析

1.1 工程概況

工程項(xiàng)目位于武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)硃山湖以南，擬建區(qū)屬剝蝕堆積壟崗及崗間坳溝地貌，相當(dāng)于長(zhǎng)江三級(jí)階地。項(xiàng)目設(shè)置地下室2層，基坑周長(zhǎng)1 200m，開挖深度11.25m，本文選取基坑南側(cè)典型剖面進(jìn)行分析，結(jié)合地下室車道，南側(cè)采用斜樁與直樁組合的多級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù)，第1級(jí)支護(hù)高4.0m，采用樁徑0.9m、間距2.2m、樁長(zhǎng)18m直樁；第2級(jí)支護(hù)高7.25m，采用傾斜15°、樁徑0.9m、樁間距1.1m、樁長(zhǎng) 16m斜樁，一、二級(jí)平臺(tái)寬3m，典型支護(hù)剖面如圖1所示。

圖1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面

1.2 數(shù)值模型分析

本文采用Plaxis 2D小應(yīng)變硬化土模型(HSS)進(jìn)行土體模擬，根據(jù)勘察資料，同時(shí)結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)，土層參數(shù)如表1所示，建立平面模型尺寸及網(wǎng)格如圖2所示。樁和冠梁采用板單元，彈性模量取30GPa、重度25kN/m3、泊松比0.2。根據(jù)剛度等效原則，前斜樁等效厚度0.71m，后直樁等效厚度0.56m。模型頂面為自由面，其他各面設(shè)置法向約束。

表1 土層計(jì)算參數(shù)

圖2 模型尺寸及網(wǎng)格

1.3 計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)分析

為驗(yàn)證基坑開挖效果，在南側(cè)采用斜樁與直樁組合的多級(jí)支護(hù)位置設(shè)置深層土體測(cè)斜管，同時(shí)將數(shù)值計(jì)算的水平位移與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。數(shù)值計(jì)算第1級(jí)支護(hù)直樁最大樁身位移為22.20mm，第2級(jí)支護(hù)斜樁最大樁身位移為9.12mm，監(jiān)測(cè)最大水平位移為19.31mm，數(shù)值計(jì)算與實(shí)測(cè)第1級(jí)直樁位移接近，第2級(jí)斜樁位移明顯小于土體深層位移。同時(shí)數(shù)值計(jì)算顯示，整體位移主要還是發(fā)生在第1級(jí)支護(hù)或基坑上部，且直樁和斜樁存在端部位移，這是由于斜樁作用使樁底有朝向基坑的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)[7]。數(shù)值計(jì)算與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比表明了基坑結(jié)構(gòu)的安全性和數(shù)值計(jì)算的可靠性，模型較好地反映了基坑開挖的變形特性。

圖3 實(shí)測(cè)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比

2 參數(shù)影響分析

為進(jìn)一步研究斜樁與直樁組合的多級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)方式、支護(hù)參數(shù)等因素對(duì)支護(hù)效果的影響，采用簡(jiǎn)化模型，?、?黏土作為單一土層進(jìn)行計(jì)算分析，模型尺寸與前述實(shí)例一致，模型中支護(hù)樁等效厚度為0.60m、支護(hù)樁長(zhǎng)均為15m、支護(hù)深度為10m。本文研究一直一斜、一斜一直及兩斜多級(jí)支護(hù)方式的開挖效果(見圖4)，比較不同開挖深度比H1/H2、不同平臺(tái)寬度B及不同傾斜角度下，斜樁與直樁組合的多級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)位移變化情況，從而分析參數(shù)變化對(duì)支護(hù)效果的影響。幾何參數(shù)分析取值如表2所示。

圖4 斜直組合多級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)

表2 參數(shù)取值范圍

2.1 支護(hù)類型及分級(jí)高度

為研究不同支護(hù)類型及分級(jí)高度對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)位移的影響，分別計(jì)算一直一斜、一斜一直及兩斜多級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)樁身位移，同時(shí)計(jì)算兩直多級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，其中分級(jí)平臺(tái)寬度為4m、斜樁角度為15°,計(jì)算結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明，斜樁與直樁組合的多級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)中第1,2級(jí)樁身位移均明顯小于對(duì)應(yīng)的兩直樁多級(jí)支護(hù)，且第1級(jí)樁身位移均大于第2級(jí)樁身位移，說明將斜樁與多級(jí)支護(hù)進(jìn)行組合可顯著控制位移，且最大位移均發(fā)生在第1級(jí)支護(hù)。一直一斜各級(jí)支護(hù)位移隨H1/H2增大而增大，一斜一直各級(jí)支護(hù)位移隨H1/H2增大而增大，但當(dāng)?shù)?級(jí)支護(hù)高度小于第2級(jí)支護(hù)高度時(shí)(H1/H2<5/5)，一直一斜相比一斜一直各級(jí)位移更小，說明當(dāng)?shù)?級(jí)支護(hù)高度較小時(shí)，可優(yōu)先選擇一直一斜多級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)，反之，則優(yōu)先選擇一斜一直結(jié)構(gòu)，同時(shí)在結(jié)構(gòu)選擇中要考慮斜樁對(duì)地下室結(jié)構(gòu)的影響及各級(jí)支護(hù)樁間的相互影響。若支護(hù)空間允許，也可采用二級(jí)均為斜樁的分級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)，其各級(jí)樁身位移相比其他結(jié)構(gòu)更小，且受分級(jí)高度的影響也較小。

圖5 斜-直組合多級(jí)支護(hù)不同分級(jí)高度位移

2.2 平臺(tái)寬度

圖6為計(jì)算一直一斜、一斜一直及兩斜多級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)樁身位移隨平臺(tái)寬度的變化，其中分級(jí)高度H1/H2為5/5、斜樁角度為15°。結(jié)果表明，各類型多級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)在平臺(tái)寬度<10m時(shí)(1倍挖深)，各級(jí)位移隨平臺(tái)寬度快速減??；平臺(tái)寬度為10～20m時(shí)(1～2倍挖深)，各級(jí)位移隨平臺(tái)寬度緩慢減?。黄脚_(tái)寬度>20m時(shí)(2倍挖深)，各級(jí)位移隨平臺(tái)寬度變化趨于平穩(wěn)直至無顯著影響。在1倍基坑挖深范圍內(nèi)增大平臺(tái)寬度，對(duì)斜樁與直樁組合的多級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)減控制位移效果更好。

2.3 傾斜角度

圖7為斜-直組合多級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)樁身位移隨傾斜角度的變化，其中分級(jí)高度H1/H2為5/5、平臺(tái)寬度B為5m。計(jì)算表明，斜-直組合結(jié)構(gòu)每級(jí)支護(hù)樁身位移均隨角度增大而減小，其中一斜一直及二斜多級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)在0°～5°傾角范圍內(nèi)位移下降更快，其后樁身位移受角度影響變化較均勻?？紤]支護(hù)結(jié)構(gòu)總體位移主要發(fā)生在第1級(jí)支護(hù)中，第1級(jí)支護(hù)采用斜樁支護(hù)位移控制效果更優(yōu)，同時(shí)要考慮支護(hù)樁傾斜時(shí)的交叉影響及傾斜樁端嵌固應(yīng)穿過滑裂面一定深度，以保證支護(hù)的整體穩(wěn)定性。同樣，二斜多級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)因其更好的位移控制效果，在支護(hù)空間較大或位移控制要求較嚴(yán)情況下，可以優(yōu)先采用。

3 結(jié)語

本文以工程實(shí)例為基礎(chǔ)，通過數(shù)值計(jì)算與實(shí)測(cè)分析，驗(yàn)證斜樁與直樁組合多級(jí)支護(hù)良好的位移控制優(yōu)勢(shì)和支護(hù)效果。采用簡(jiǎn)化模型，開展斜-直組合多級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)分級(jí)高度比、平臺(tái)寬度、傾斜角度等參數(shù)對(duì)支護(hù)效果的影響分析，得到主要結(jié)論如下。

1)斜樁與多級(jí)支護(hù)進(jìn)行組合可顯著控制位移，且最大位移主要發(fā)生在第1級(jí)支護(hù)。根據(jù)分級(jí)高度對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)位移的影響分析，當(dāng)?shù)?級(jí)支護(hù)高度較小時(shí)，可優(yōu)先選擇一直一斜多級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)，反之，則宜選擇一斜一直結(jié)構(gòu)。

2)在1倍基坑挖深范圍內(nèi)增大平臺(tái)寬度，對(duì)斜樁與直樁組合的多級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)減少位移效果更好，平臺(tái)寬度超過1倍挖深時(shí)，各級(jí)樁身位移隨平臺(tái)寬度變化趨于平穩(wěn)。

3)第一級(jí)為斜樁的多級(jí)支護(hù)在0°～5°傾角范圍內(nèi)樁身位移隨傾角增加降幅更大，其后變化趨于均勻，工程中需滿足斜-直組合多級(jí)支護(hù)的整體穩(wěn)定性，在支護(hù)空間較大或位移控制要求更嚴(yán)時(shí)，可采用二斜多級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)。