雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在直立高邊坡中的應(yīng)用

陳用偉，羅仕恒

（1、杭州市地鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司 杭州310017；2、廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 廣州510010）

隨著城市軌道交通及地下空間迅速發(fā)展，深基坑工程越來越多，基坑開挖支護(hù)方案也愈加多樣化，常見的有鉆孔灌注樁、深層攪拌樁、SMW 工法樁和地下連續(xù)墻以及結(jié)合錨桿、內(nèi)支撐等支護(hù)結(jié)構(gòu)形式［1-7］。大量基坑項(xiàng)目位于城市中心地帶，周邊環(huán)境復(fù)雜，基坑變形控制要求也愈加嚴(yán)格［8-10］。如何在保證基坑和周邊環(huán)境安全的前提下，綜合考慮現(xiàn)場條件、工期費(fèi)用等因素優(yōu)選基坑支護(hù)方案，是基坑工程設(shè)計(jì)和施工的關(guān)鍵所在。本文以杭州地鐵某停車場基坑工程為例，從施工難易、結(jié)構(gòu)變形及工程造價(jià)等方面綜合比選多種基坑支護(hù)方案，確定雙排樁作為永久支護(hù)結(jié)構(gòu)，并通過有限元分析及現(xiàn)場監(jiān)測效果，驗(yàn)證了雙排樁支護(hù)方案的合理性，可為后續(xù)相似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概述

杭州地鐵某停車場基坑工程位于西湖區(qū)，場區(qū)北側(cè)預(yù)留商業(yè)開發(fā)地塊，為后續(xù)建設(shè)創(chuàng)造良好條件；南側(cè)緊貼規(guī)劃市政道路，市政道路南側(cè)為規(guī)劃居住用地，現(xiàn)場無放坡條件，需設(shè)置直立式邊坡。場內(nèi)地坪標(biāo)高為14.00 m，開挖后形成高邊坡，最高邊坡約16 m，距離南側(cè)石馬社區(qū)4層居民房約23 m。場區(qū)呈平行四邊形，長780 m，寬232 m，征地面積179 400 m2，場區(qū)平面布置如圖1所示。

圖1 停車場場區(qū)布置Fig.1 Parking Lot Layout Plan

1.2 工程地質(zhì)

根據(jù)詳勘報(bào)告，場地土層從上至下依次主要為①1雜填土：雜色，松散，主要由碎磚、混凝土塊、碎石、瓦片等建筑垃圾組成，粘性土充填，層厚0.3～8.1 m。②2素填土：灰、灰黃色，松散～稍密，地下水位以上稍濕，水位以下飽和。主要由粘性土及粉土組成，含少量碎石及建筑垃圾，層厚0.4～4.4 m。③3礫石混粉質(zhì)黏土：黃、棕紅色，密實(shí)，飽和。以礫石為主，礫石含量約50%～60%，層厚約0.6～17.0 m。④a-2強(qiáng)風(fēng)化泥巖：組織結(jié)構(gòu)大部分破壞，巖芯多呈碎塊狀，層厚約0.2～13.2 m。○31a-3中風(fēng)化泥巖：灰黃色，母巖成份與結(jié)構(gòu)部分破壞，巖芯呈短柱狀，少量呈碎塊狀，屬極軟巖，巖體基本質(zhì)量等級分類為Ⅴ類?！?1b-3中風(fēng)化泥巖：青灰色，母巖成份與結(jié)構(gòu)部分破壞，巖芯呈短柱狀，少量呈碎塊狀，屬軟巖，巖體基本質(zhì)量等級分類為Ⅳ類；其中坡腳主要位于○31a-3中風(fēng)化泥巖、○31b-3中風(fēng)化泥巖。典型地質(zhì)剖面如圖2所示，地層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如表1所示。

圖2 典型地質(zhì)剖面Fig.2 Typical Geological Section

1.3 水文地質(zhì)

場地地下水類型主要為孔隙潛水和基巖裂隙水2大類。場地潛水主要賦存于淺部填土層、礫石土層中，勘探期間測得水位埋深為地面下0.5～9.7 m?；鶐r裂隙水補(bǔ)給來源主要為上部第四系松散巖類孔隙潛水，水量較小、徑流緩慢；無承壓水問題。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of Strara

2 方案比選

針對本工程周邊環(huán)境、地質(zhì)條件、規(guī)劃用地等要求，擬采用大尺寸方樁、大直徑圓樁、小直徑圓樁+預(yù)應(yīng)力錨索和雙排樁共4種方案綜合比選。

2.1 大尺寸方樁

方樁截面為2 m×3 m，樁間距為5 m，樁長約23 m，被動區(qū)入土深度約8 m，樁間設(shè)置0.3 m 厚預(yù)制鋼筋混凝土擋土板。經(jīng)計(jì)算，方樁最大彎矩約25 571 kN·m，最大剪力約4 602 kN，樁頂最大水平位移約79 mm，整體穩(wěn)定安全系數(shù)為2.440，抗傾覆安全系數(shù)為1.252。大尺寸方樁廣泛應(yīng)用于鐵路工程、公路工程等領(lǐng)域，抗彎及抗剪性能優(yōu)越，但施工方式只能采取人工挖孔樁，施工風(fēng)險(xiǎn)大，且杭州地區(qū)對人工挖孔樁限制應(yīng)用，不具可行性。

2.2 大直徑圓樁

經(jīng)計(jì)算，采用直徑3 m，間距5 m 的大直徑圓樁可滿足要求。圓樁之間采用現(xiàn)澆拱形擋土墻，大直徑圓樁受力性能與大尺寸方樁類似，現(xiàn)場具備機(jī)械成孔條件；但是目前市場上直徑3 m的鉆機(jī)數(shù)量極少，工程機(jī)械需要定制，工期方面存在不確定性。

2.3 小直徑圓樁+預(yù)應(yīng)力錨索

小樁直徑為1.8 m，樁間距為2.0 m；沿豎向采用4道預(yù)應(yīng)力錨索，錨索豎向均勻布置，間距3.5 m。小直徑樁成孔速度快，施工工藝成熟，樁身彎矩、剪力分布合理；但錨索應(yīng)用于臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)較多，作為永久結(jié)構(gòu)時(shí)由于徐變、錨具銹蝕等因素存在錨索失效風(fēng)險(xiǎn)［11-13］。

2.4 雙排樁

雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)是設(shè)置前后兩排平行樁，樁頂用剛性連梁將兩排樁連接，組成一個(gè)空間超靜定結(jié)構(gòu)，整體剛度大，可以有效的限制基坑的變形；同時(shí)樁身內(nèi)力也有所下降，不需要設(shè)置內(nèi)支撐，施工方便，經(jīng)濟(jì)效果明顯；對環(huán)境要求低，能避免超紅線施工，在城市密集建筑區(qū)更具優(yōu)勢。

3 雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

3.1 雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合考慮土地占用、結(jié)構(gòu)受力及工程造價(jià)等因素，經(jīng)論證最終確定：該停車場基坑支護(hù)工程采用雙排鉆孔灌注樁作為支護(hù)體系。雙排樁直徑為1.8 m，被動區(qū)入土深度為10.0 m，前排樁間距2.5 m，后排樁間距5.0 m，前后排樁間距6.3 m，排樁之間設(shè)置1.2 m 高連梁。由于規(guī)劃道路緊貼邊坡，前后排樁連梁設(shè)置于規(guī)劃道路路面以下3 m，為后續(xù)道路施工預(yù)留條件；前排樁頂設(shè)置扶壁式擋土墻，擋土墻頂部設(shè)置鋼筋混凝土防撞護(hù)欄，兼做防洪及防撞擋墻，雙排樁方案如圖3所示。

圖3 雙排樁布置Fig.3 Layout of the Double-row Piles Supporting Structure

采用理正深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)軟件對基坑穩(wěn)定型進(jìn)行計(jì)算，由于理正軟件無法建立前后樁樁間距不一致的模型，為保守起見，前排樁間距與后排樁間距相同，均為5.0 m?；影踩燃墳橐患?，地面超載20 kPa，坑內(nèi)降水至開挖面以下1.0 m，坑外水位在地面以下0.5 m。計(jì)算得雙排樁對前趾的抗傾覆安全系數(shù)KQ=2.98＞1.25，整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=2.30＞1.35，樁底抗隆起穩(wěn)定性系數(shù)Ks=31.94＞1.80，各系數(shù)均滿足《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程：JGJ 120-2012》要求；圍護(hù)樁深層水平位移最大值為13.67 mm＜0.18%H=28.8 mm，周邊地表沉降最大值為23.00 mm＜0.15H=24.0 mm，滿足《上海市工程建設(shè)規(guī)范基坑工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》要求。

3.2 有限元分析

為深入研究雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及受力性能，運(yùn)用Midas/GTS 軟件建立三維有限元模型分析計(jì)算，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)選用各向同線彈性材料，土體本構(gòu)采用Mohr-Coulomb 模型，土層參數(shù)取表1 數(shù)值，樁基及連梁采用梁單元模擬，擋墻采用板單元模擬，雙排樁有限元模型如圖4所示。

基坑開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高，對應(yīng)雙排樁位移及應(yīng)力云圖如圖5 所示。雙排樁變形曲線近似呈拋物線，前排樁、后排樁受連梁約束，樁頂變形相同。圍護(hù)樁身水平位移最大值發(fā)生在樁頂，對應(yīng)值為9.82 mm；最大拉應(yīng)力為1.7 MPa；周邊地表沉降最大值為17.2 mm，距離基坑邊緣6.7 m。前排樁最大彎矩為1 119 kN·m，位于樁頂以下15.1 m；后排樁最大彎矩為1 409 kN·m，最大彎矩位于樁頂處，彎矩分布與已有研究規(guī)律一致［14-16］。

3.3 基坑監(jiān)測情況

為了確保開挖期間基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊建筑物的安全，對基坑進(jìn)行近2個(gè)月的監(jiān)測工作，包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移、周邊地表沉降及建筑物沉降等監(jiān)測內(nèi)容。根據(jù)杭州市勘測設(shè)計(jì)研究院提供的基坑監(jiān)測報(bào)告，前排樁深層水平位移最大值為4.23 mm，后排樁深層水平位移最大值為3.28 mm，位于基坑中部，累計(jì)變化量均小于報(bào)警值，基坑安全穩(wěn)定；變形最大圍護(hù)樁深層水平位移實(shí)測數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算結(jié)果對比如圖6所示，樁身變形曲線兩者保持一致，實(shí)測數(shù)據(jù)要小于數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，主要原因分析如下：①實(shí)驗(yàn)室測試參數(shù)與實(shí)際土體有差距，現(xiàn)場土質(zhì)更好，導(dǎo)致位移數(shù)值產(chǎn)生誤差；②測斜儀精度有限，基坑本身變形數(shù)值很小，易放大儀器誤差?？傮w而言，有限元結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)吻合良好，說明數(shù)值模型計(jì)算方法是合理的，計(jì)算結(jié)果能準(zhǔn)確反映基坑變形的規(guī)律。

圖4 有限元模型Fig.4 The Three-dimensional Finite Element Model

圖5 雙排樁位移及應(yīng)力分布Fig.5 Displacement and Stress Distribution of the Double-row Piles

圖6 雙排樁深層水平位移實(shí)測值與計(jì)算值對比Fig.6 Comparison of Measured and Calculated Values of Deep Horizontal Displacement of Double-row Piles

基坑周邊地表沉降實(shí)測最大值為25.2 mm，與有限元計(jì)算結(jié)果17.2 mm相差較大，此處不做對比，主要原因是地表沉降受現(xiàn)場施工多項(xiàng)影響因素較大，如現(xiàn)場施工機(jī)械、渣土車以及材料堆積等因素造成地表超載；地表水滲漏沿便道裂縫下滲至地基，導(dǎo)致地基土強(qiáng)度下降等多種因素疊加導(dǎo)致地表沉降增大?；余徑ㄖ锍两底畲笾禐?.84 mm，傾斜度為0.02%，圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊建筑物變形均在規(guī)范控制值以內(nèi)，表明基坑開挖施工對周邊環(huán)境影響較小，雙排樁支護(hù)方案合理?，F(xiàn)場雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 雙排樁現(xiàn)場施工Fig.7 The Double-row Pile Site Construction

4 結(jié)語

本文以杭州地鐵某停車場基坑工程為背景，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況綜合比選多種基坑支護(hù)方案確定16 m直立高邊坡雙排樁永久支護(hù)方案，現(xiàn)場施工取得了良好的效果，基坑安全穩(wěn)定，對周邊環(huán)境影響小，得出以下結(jié)論：

⑴雙排樁為剛架結(jié)構(gòu)，整體剛度大，變形小，無需內(nèi)支撐，施工方便，經(jīng)濟(jì)合理。

⑵通過雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在本基坑工程的成功應(yīng)用，證明了對于開挖區(qū)域大、周邊環(huán)境復(fù)雜、嚴(yán)格控制變形的基坑工程，采用雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)具有明顯的優(yōu)勢，為類似工程提供了經(jīng)驗(yàn)。