基于吊腳樁支護(hù)土巖二元深基坑的勘察與設(shè)計(jì)要點(diǎn)探析

劉華強(qiáng)，范海濤，胡仲順

（四川正基巖土工程有限公司 四川綿陽(yáng)621000）

0 引言

隨著城市地下空間的不斷開發(fā)，基坑開挖深度也隨之增加，出現(xiàn)越來(lái)越多的上臨空面為土層，下臨空面為巖層的土巖二元坡面的深基坑工程。對(duì)于該類深基坑工程的勘察設(shè)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)規(guī)范較少涉及。近幾年隨著工程實(shí)踐探索的不斷深入，在土巖二元深基坑的支護(hù)工程中越來(lái)越多地使用一種新的支護(hù)形式——吊腳樁支護(hù)體系（見圖1）。所謂吊腳樁指的是用于抵抗基坑側(cè)面土體變形的支護(hù)樁身只是嵌固在穩(wěn)定的巖層中，而無(wú)需深入基坑開挖底面以下的一種支護(hù)結(jié)構(gòu)，根據(jù)圖1 可以看出其樁腳完全位于基坑底面之上，工程中俗稱其為吊腳樁。對(duì)于處于基巖埋深不深地區(qū)的基坑工程，采用吊腳樁支護(hù)體系可以減少巖層開挖或爆破的工作量，減少工期，節(jié)約成本。該支護(hù)形式目前在國(guó)內(nèi)青島［1］、廣州［2，3］、大連［4］、深圳［5］等城市的深基坑工程中多次出現(xiàn)，但作為一種新的支護(hù)形式，對(duì)于吊腳樁深基坑的勘察、設(shè)計(jì)目前國(guó)內(nèi)研究較少，勘察設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不成熟，該類深基坑支護(hù)工程也出現(xiàn)過(guò)不成功的案例［4］，嚴(yán)重影響了工程安全。

圖1 吊腳樁支護(hù)的土巖二元深基坑Fig.1 Soil-rock Duality Deep Foundation Pit Supported by Hanging Piles

1 土巖二元深基坑的巖土工程勘察要點(diǎn)

目前基坑工程主要依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范（2009 版）：GB 50021-2001》［6］和《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程：JGJ 120-2012》［7］來(lái)開展勘察工作。文獻(xiàn)［6］、文獻(xiàn)［7］要求基坑工程勘察范圍宜超出開挖邊界外開挖深度的2～3倍；勘察深度宜為開挖深度的2～3倍；勘察內(nèi)容主要查明基坑開挖影響范圍內(nèi)的土層分布，并提供設(shè)計(jì)所需的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，探明周邊建筑、管線及地下水對(duì)基坑開挖的影響。但文獻(xiàn)［6］明確說(shuō)明主要適用于土質(zhì)基坑的勘察，文獻(xiàn)［7］對(duì)土巖二元基坑勘察基本沒(méi)有提到，但土巖二元基坑由于與土質(zhì)基坑有明顯差別，其勘察要求也有很大不同。

1.1 土巖二元基坑的勘察范圍和深度

土巖二元基坑的勘察范圍應(yīng)根據(jù)土質(zhì)和下部巖層的情況進(jìn)行分析，當(dāng)下部巖層的傾向與開挖坡面相近而巖層頂面坡度較大時(shí)，應(yīng)擴(kuò)大勘察范圍，并搜集該范圍內(nèi)的建（構(gòu)）筑物的結(jié)構(gòu)類型、基礎(chǔ)形式和埋深、荷載等資料。土巖二元基坑的勘察深度應(yīng)根據(jù)下部巖體的特征適當(dāng)調(diào)整，當(dāng)巖體整體性好且受風(fēng)化影響小，則應(yīng)適當(dāng)減小勘探深度，但勘察深度至少要保證進(jìn)入基坑底部3～5 m，若巖體完整性差，則應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求增大勘探深度。

1.2 土巖二元基坑的勘察方式

不同于土質(zhì)基坑，為了探明下部巖體及裂隙水特征，土巖二元基坑的勘察除采用機(jī)械鉆探外，應(yīng)增加鉆孔深度坑（井）探、槽探等勘探方式，通過(guò)上述方式查清巖層頂面及巖體內(nèi)部裂隙、節(jié)理等物理及空間特征，探明土巖接觸面和巖體裂隙內(nèi)水的流量、流動(dòng)方向、壓力等特征，提供準(zhǔn)確的巖層風(fēng)化線位置。

1.3 土巖二元基坑試驗(yàn)要求

一般基坑僅對(duì)開挖影響范圍內(nèi)的土體進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)試驗(yàn)確定其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，而對(duì)于土巖二元深基坑則應(yīng)根據(jù)其易于破壞的位置進(jìn)行重點(diǎn)取樣試驗(yàn)或測(cè)試，易于產(chǎn)生破壞的位置主要包括上部土層、土巖結(jié)合面、巖體的軟弱結(jié)構(gòu)面或順層結(jié)構(gòu)面。因此，相對(duì)于普通基坑工程，土巖二元深基坑應(yīng)重點(diǎn)增加以下試驗(yàn)：①土巖結(jié)合面處土層的含水量、抗剪測(cè)試（包括天然狀態(tài)和飽和狀態(tài)）；②不同風(fēng)化程度巖體的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度；③巖體軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度。

2 土巖二元深基坑吊腳樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 吊腳樁常用的設(shè)計(jì)方法

對(duì)于土巖二元深基坑工程，吊腳樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但對(duì)其設(shè)計(jì)計(jì)算的研究則很少，國(guó)內(nèi)規(guī)范很少涉及其設(shè)計(jì)計(jì)算，只有《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)程（廣東省標(biāo)準(zhǔn)）：DBJ/T 15-20-2016》［8］中略有提及。因而工程中對(duì)吊腳樁的設(shè)計(jì)計(jì)算均依靠工程師對(duì)工程的認(rèn)識(shí)憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，根據(jù)國(guó)內(nèi)該類基坑設(shè)計(jì)的總結(jié)表明，對(duì)吊腳樁的設(shè)計(jì)目前常采用將上部土層與下部巖層分開計(jì)算的方式進(jìn)行。具體計(jì)算過(guò)程為：①在計(jì)算上部土層及樁身受力時(shí)，不考慮樁底巖肩的嵌固作用，將支護(hù)樁假定為無(wú)嵌固深度的多層支點(diǎn)排樁來(lái)進(jìn)行計(jì)算。設(shè)計(jì)時(shí)樁身簡(jiǎn)化為多個(gè)彈性支點(diǎn)的等值梁，樁側(cè)土壓力采用基于摩爾庫(kù)倫原理的主動(dòng)土壓力進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗(yàn)算；假定上部土體沿圓弧形滑移面滑動(dòng)進(jìn)行整體穩(wěn)定性驗(yàn)算（見圖2）。②下部巖層坑壁則采用建筑邊坡的計(jì)算方式，根據(jù)巖層的軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況、產(chǎn)狀關(guān)系與基坑邊坡的空間關(guān)系以及巖體被動(dòng)破裂角綜合考慮進(jìn)行失穩(wěn)驗(yàn)算（見圖3），計(jì)算時(shí)只是將上層土作為超載進(jìn)行考慮［9］。

上述設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易算，易于被工程技術(shù)人員接受。但缺點(diǎn)是人為地把上部土層與下部巖層分開，沒(méi)有考慮土層與巖層的相互作用，土巖結(jié)合處的軟弱面也未予以考慮，為后期工程施工埋下很大隱患。

圖2 上部土層整體驗(yàn)算簡(jiǎn)圖Fig.2 Simplified Calculation of the Upper Soil Layer

圖3 下部巖體失穩(wěn)驗(yàn)算簡(jiǎn)圖Fig.3 Simplified Calculation of Instability of Lower Rock Mass

2.2 綜合考慮土巖相互影響的計(jì)算方式

實(shí)際工程中按上述方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，即使計(jì)算穩(wěn)定安全系數(shù)足夠高也會(huì)出現(xiàn)工程失穩(wěn)現(xiàn)象，充分說(shuō)明傳統(tǒng)計(jì)算設(shè)計(jì)對(duì)影響土巖二元基坑穩(wěn)定性因素考慮不周全。對(duì)于此類基坑工程，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程中巖土分布情況、巖體性質(zhì)、相互影響等因素綜合考慮，對(duì)影響基坑穩(wěn)定的因素綜合判斷來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，因而除以上驗(yàn)算外還要根據(jù)實(shí)際情況增加以下部分的穩(wěn)定性驗(yàn)算：

⑴ 巖層傾向與基坑開挖面一致且傾角大于20o時(shí)，應(yīng)計(jì)算上部土體沿土巖接觸面或巖體內(nèi)部軟弱面的整體滑移穩(wěn)定性，驗(yàn)算時(shí)應(yīng)考慮可能滑動(dòng)土體及滑動(dòng)范圍內(nèi)地面建構(gòu)筑荷載（見圖4）。

圖4 巖層頂面傾角較大的整體滑動(dòng)Fig.4 Overall Sliding with Large Dip Angle on Top of Rock Formation

⑵ 當(dāng)巖體完整性差時(shí)，巖體與上部土體可能沿同一圓弧滑動(dòng)面整體滑動(dòng)；當(dāng)巖體內(nèi)部有順層軟弱結(jié)構(gòu)面時(shí)則為圓弧—直線滑動(dòng)模式，巖層頂面所受荷載包括下滑土體的整體下滑力、樁身自重、錨索錨固力在滑移面的分力（見圖5）。

⑶ 巖層頂面傾角不大但土巖接觸面含水量較高時(shí)，在接觸面處易形成軟弱結(jié)合面［10］，應(yīng)考慮沿土巖接觸面滑移的可能性，并應(yīng)考慮地下水滲透力的影響（見圖6）。

圖5 巖土體整體滑動(dòng)Fig.5 Overall Sliding of Rock and Soil

圖6 沿巖土接觸面滑動(dòng)Fig.6 Sliding along the Geotechnical Interface

此外支護(hù)樁樁腳保護(hù)巖層厚度一般較小，但樁腳依然會(huì)分擔(dān)部分樁身荷載，此荷載應(yīng)按樁腳固定的形式計(jì)算連續(xù)梁傳至此處的壓力值。當(dāng)巖層強(qiáng)度不能滿足要求時(shí)，應(yīng)對(duì)樁腳巖體進(jìn)行錨固加固。

3 結(jié)論

總之，對(duì)于土巖二元基坑中的吊腳樁，其受力較為復(fù)雜，破壞形式也比傳統(tǒng)排樁支護(hù)體系更為多樣。在實(shí)際工程中，應(yīng)在勘察階段對(duì)支護(hù)體系的設(shè)計(jì)予以考慮，根據(jù)基坑設(shè)計(jì)要求進(jìn)行重點(diǎn)勘察，保證設(shè)計(jì)需要參數(shù)的準(zhǔn)確性和完整性。基坑設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)上部土層和下部巖層的相互作用予以考慮，從而保證基坑工程的安全穩(wěn)定。