軟土區(qū)域基坑傾斜樁支護(hù)優(yōu)化方案研究

代春利

（中鐵房地產(chǎn)集團(tuán)北方有限公司 北京 100066）

1 引言

近年來，我國城市建設(shè)和重要基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展階段，大面積、大長度基坑施工成為未來地下空間開發(fā)的重要技術(shù)，這對(duì)基坑施工技術(shù)提出了更高要求[1]。

在軟土地區(qū)，深度大于6 m的基坑支護(hù)通常采用設(shè)置豎向支護(hù)結(jié)構(gòu)加水平支撐的形式。采用水平支撐時(shí)，支撐造價(jià)高、土方開挖難度大、地下結(jié)構(gòu)施工困難，基坑施工工期長，可達(dá)土建工期的40%或更高，同時(shí)產(chǎn)生大量的固體廢棄物。

實(shí)際工程中，通過將預(yù)制支護(hù)樁傾斜一定角度布置，可在滿足基坑變形要求的前提下實(shí)現(xiàn)無水平支撐支護(hù)。這種傾斜樁支護(hù)技術(shù)具有顯著的工程應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益，目前在國內(nèi)外已被應(yīng)用于工程實(shí)踐中[2]。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)傾斜樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力與變形特性進(jìn)行了相應(yīng)研究。鄭剛等[3]設(shè)計(jì)的單排傾斜樁支護(hù)室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果顯示，對(duì)于單排傾斜樁，隨著傾斜角度的增大，樁頂水平位移減小。孔德森等[4－5]基于模型試驗(yàn)和實(shí)際工程數(shù)值驗(yàn)證，對(duì)不同角度的傾斜樁以及斜直交替樁進(jìn)行模擬，結(jié)果表明傾斜支護(hù)樁的抗傾覆能力較垂直支護(hù)樁有較大提高，應(yīng)力集中現(xiàn)象降低，樁身彎矩分布更為合理。Maeda等[6]通過兩組深度為9.6 m、傾斜角度為10°的傾斜樁離心機(jī)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)相同開挖深度下，斜樁的水平位移、撓曲變形、土壓力較垂直支護(hù)樁小，且開挖深度越大，斜樁作用越明顯。Seo等[7]基于傾斜支護(hù)樁室內(nèi)模型試驗(yàn)，分別對(duì)比了單排懸臂支護(hù)樁、雙排支護(hù)樁同時(shí)傾斜和前排垂直、后排傾斜的雙排樁的工作性狀。

以天津地區(qū)為例，當(dāng)開挖影響深度范圍內(nèi)無軟土分布時(shí)，雙排樁懸臂支擋深度可達(dá)6～8 m。當(dāng)基坑開挖深度更大時(shí)，雙排樁會(huì)因樁身位移及樁身內(nèi)力過大而不再適用。這時(shí)，用適當(dāng)角度的傾斜排樁代替原雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)中的支護(hù)樁，能夠在相同條件下減小雙排樁的變形與內(nèi)力[8]。對(duì)于一定深度范圍的基坑，傾斜樁及其組合支護(hù)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無內(nèi)支撐的基坑開挖[9－10]。基坑傾斜樁及其組合支護(hù)技術(shù)廣泛適用于軟土4～10 m深度基坑、一般土層 5 ～12 m 深度基坑[11－12]。

本文基于天津國印二期項(xiàng)目軟土地層基坑工程，利用有限元開展雙排傾斜樁支護(hù)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)支護(hù)體系變形與受力性能對(duì)比研究，并進(jìn)一步對(duì)比分析雙排傾斜樁加錨索與不加錨索對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響，最終提出最優(yōu)的基坑支護(hù)方案，為軟土地區(qū)深基坑支護(hù)方案選擇及優(yōu)化提供參考。

2 工程概況與數(shù)值模型

（1）工程概況

擬建工程北部區(qū)域坑深9.6 m，南部區(qū)域坑深6.0 m。對(duì)深基坑西側(cè)北部及北側(cè)中間區(qū)域（C—C截面），經(jīng)過系統(tǒng)方案對(duì)比優(yōu)化后確定的支護(hù)體系如圖1所示。支護(hù)結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力管樁＋一道預(yù)應(yīng)力錨索形式，管樁分兩排打設(shè)，內(nèi)排采用直徑600 mm復(fù)合配筋預(yù)應(yīng)力管樁，樁長20 m，樁間距900 mm，內(nèi)傾10°，進(jìn)入基坑底以下10.355 m；外排采用直徑600 mm復(fù)合配筋預(yù)應(yīng)力管樁，樁長16 m，樁平均間距1 350 mm，外傾10°，進(jìn)入基坑底以下6.4 m。兩排樁排間距1.8 m，7 m深處打設(shè)一道預(yù)應(yīng)力錨索，錨索間距1.8 m，兩排樁間打設(shè)直徑650 mm、間距900 mm單排三軸水泥土攪拌樁止水，止水帷幕進(jìn)入基坑底以下7.0 m。

圖1 基坑平面與C—C剖面

（2）數(shù)值計(jì)算模型

本文采用有限元軟件Plaxis3D進(jìn)行數(shù)值分析。建立三維傾斜樁支護(hù)模型，分析樁身和土體的變形規(guī)律。

土體本構(gòu)模型采用小應(yīng)變硬化土模型（HSS模型）[4]。土層信息及計(jì)算參數(shù)見表1。土體用15節(jié)點(diǎn)三角形單元模擬，帽梁按實(shí)際尺寸采用等截面梁單元模擬。支護(hù)樁按截面等剛度原則等效為彈性板單元，等效厚度取438 mm。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

續(xù)表1

本文分析傳統(tǒng)懸臂直樁支護(hù)、雙排樁支護(hù)、單排樁加支撐支護(hù)、單排樁傾斜20°支護(hù)、雙排傾斜樁支護(hù)、雙排傾斜樁加錨索支護(hù)、單排樁傾斜20°加錨索支護(hù)、雙排樁加錨索支護(hù)共8種工況，具體支護(hù)形式及模型見圖2。模型長度為100 m，寬度為2.7 m，高度為40 m，基坑開挖深度為9.6 m。

圖2 支護(hù)形式及數(shù)值模型

3 無錨索傾斜樁支護(hù)與傳統(tǒng)支護(hù)對(duì)比研究

3．1 無錨索雙排傾斜樁與傳統(tǒng)支護(hù)變形對(duì)比

對(duì)無錨索雙排傾斜樁與其他無錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)開挖至基坑坑底時(shí)的樁身水平變形差異與坑外沉降差異進(jìn)行對(duì)比研究。

雙排傾斜樁結(jié)構(gòu)支護(hù)樁按截面抗彎剛度等效原則簡化為彈性板單元。懸臂雙排樁模型各項(xiàng)參數(shù)不變，僅將內(nèi)傾樁與外傾樁更改為與水平面垂直。傳統(tǒng)單排懸臂樁支護(hù)用樁量與雙排懸臂樁保持一致。單排樁加支撐模型中支撐采用矩形梁單元模擬，其他參數(shù)與單排懸臂樁支護(hù)模型一致。單排傾斜樁傾斜20°模型各項(xiàng)參數(shù)與單排懸臂樁模型保持一致，僅將樁傾角改為20°。

各模型比較結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，無錨索雙排傾斜樁樁身最大水平變形值達(dá)61.2 mm，單排樁加支撐支護(hù)模型樁身水平變形最小，僅為52.3 mm。雙排傾斜樁模型與單排樁加支撐模型的樁身水平位移模式基本相同，最大水平變形均出現(xiàn)在樁身中段。單排懸臂樁支護(hù)模型、雙排懸臂樁支護(hù)模型、單排樁傾斜20°支護(hù)模型的樁身水平位移基本相同，最大樁身水平位移均出現(xiàn)在樁頂處。雙排傾斜樁支護(hù)模型與單排樁加支撐支護(hù)模型在樁身上半?yún)^(qū)段的水平變形明顯小于其他支護(hù)模型，各模型樁身下半部區(qū)段的樁身水平變形基本無太大區(qū)別。

圖3 無錨索雙排傾斜樁與傳統(tǒng)支護(hù)形式變形對(duì)比

無錨索雙排傾斜樁支護(hù)最大坑外沉降值為44.7 mm，單排樁加支撐支護(hù)模型最大坑外沉降最小，為36.5 mm。單排樁加支撐支護(hù)模型、雙排傾斜樁支護(hù)模型、單排樁傾斜20°支護(hù)模型的樁后土體沉降曲線形式均為凹槽型，單排懸臂支護(hù)模型、雙排懸臂支護(hù)模型的樁后土體沉降為三角形沉降曲線。

雙排傾斜樁模型與單排樁加支撐模型對(duì)基坑變形控制更為有利?？紤]到水平支撐造價(jià)高、土方開挖難度大、地下結(jié)構(gòu)施工困難、基坑施工工期長，可以認(rèn)為雙排傾斜樁支護(hù)模型在基坑變形控制方面為最優(yōu)。

3．2 無錨索雙排傾斜樁與傳統(tǒng)支護(hù)內(nèi)力對(duì)比

針對(duì)無錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)，本節(jié)對(duì)比不同支護(hù)模型在開挖至9.6 m時(shí)的最大彎矩值與彎矩分布模式，對(duì)比結(jié)果如圖4～圖5所示。

圖4 不同支護(hù)模型樁身最大彎矩對(duì)比

圖5 樁身彎矩對(duì)比

從圖4可以看出，當(dāng)采用雙排傾斜樁支護(hù)時(shí)，即使無內(nèi)撐，樁身最大彎矩可與單排樁加支撐結(jié)構(gòu)相當(dāng)，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)單排懸臂樁及雙排樁。在工程實(shí)際中，當(dāng)條件適當(dāng)時(shí)，雙排傾斜樁支護(hù)結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)與內(nèi)支撐支護(hù)體系相當(dāng)?shù)闹ёo(hù)結(jié)構(gòu)彎矩控制效果。

由圖5可以看出，雙排傾斜樁支護(hù)模型彎矩分布模式與傳統(tǒng)懸臂直樁模型顯著不同，而與單排樁加支撐支護(hù)模型的彎矩分布模式相似，表明了雙排樁的兩排樁能夠相互提供支撐作用。雙排傾斜樁組合支護(hù)結(jié)構(gòu)中，冠梁、斜樁組成一個(gè)空間結(jié)構(gòu)，因而結(jié)構(gòu)的整體剛度很大，同時(shí)內(nèi)斜樁和外斜樁分別受到較大的軸向壓力和拉力，分別起到斜撐和錨桿的作用，與傳統(tǒng)懸臂直樁、單排樁加支撐支護(hù)相比，其支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形及彎矩顯著減小。

4 帶錨索雙排傾斜樁與傳統(tǒng)支護(hù)對(duì)比

由于軟土地層基坑深度較大，采用支護(hù)性能較高的雙排傾斜樁支護(hù)變形依然相對(duì)較大，因此對(duì)本基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行進(jìn)一步加強(qiáng)，增加一道錨索。本節(jié)基于已建立的模型，分析帶錨索雙排傾斜樁支護(hù)與其他帶錨索傳統(tǒng)懸臂支護(hù)模型的變形，比較其開挖至基坑坑底時(shí)的樁身水平變形差異與坑外沉降的差異。

錨索結(jié)構(gòu)總長20 m，入射角度為30°，錨固段長12 m，直徑為500 mm，自由端長8 m。

圖6為帶錨索雙排傾斜樁支護(hù)與其他支護(hù)模型的樁身水平變形和坑外沉降對(duì)比結(jié)果。對(duì)于樁身水平變形，加錨索雙排傾斜樁樁身最大水平變形值為42.7 mm，樁身最大水平變形出現(xiàn)在樁身中段。加錨索單排樁傾斜20°支護(hù)模型、加錨索雙排懸臂樁支護(hù)模型的樁身水平位移基本相同，最大樁身水平位移均出現(xiàn)在樁頂部位。雙排傾斜樁支護(hù)模型在樁身上半?yún)^(qū)段的水平變形明顯小于其他支護(hù)模型，各模型樁身下半部水平變形基本無太大區(qū)別。加錨索雙排傾斜樁支護(hù)最大坑外沉降值為26.5 mm。加錨索雙排傾斜樁支護(hù)模型樁身最大水平變形與坑外土體沉降值均為最小。

圖6 雙排傾斜樁與直樁樁身水平變形與坑外沉降對(duì)比

5 錨索對(duì)雙排傾斜樁支護(hù)的影響

本節(jié)分析有無錨索對(duì)雙排傾斜樁支護(hù)模型樁身水平變形及坑外沉降的影響，結(jié)果如圖7所示。

圖7 有無錨索雙排傾斜樁樁身水平變形與坑外沉降對(duì)比

由圖7可以看出，無錨索雙排傾斜樁樁身最大水平變形值達(dá)61.2 mm，有錨索雙排傾斜樁最大水平變形值僅為42.7 mm，減小幅度達(dá)30%。有無錨索結(jié)構(gòu)并不改變雙排傾斜樁水平變形模式，且樁身最大水平變形值都出現(xiàn)在樁中段。同時(shí)，有錨索雙排傾斜樁支護(hù)最大坑外沉降值為26.5 mm，較無錨索雙排傾斜樁支護(hù)的最大坑外沉降值（44.7 mm）減小41%。錨索的設(shè)置進(jìn)一步減小了雙排傾斜樁支護(hù)結(jié)構(gòu)位移，對(duì)保護(hù)周邊環(huán)境較為有利，能夠滿足國印二期基坑工程變形控制要求，為最佳支護(hù)結(jié)構(gòu)方案。

6 結(jié)論

斜樁支護(hù)結(jié)構(gòu)是較為新型的基坑無支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)，具有造價(jià)低、變形小、便于開挖等特點(diǎn)。本文基于位于軟土地區(qū)的天津國印二期基坑工程，運(yùn)用有限元方法對(duì)比研究了雙排傾斜樁支護(hù)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)支護(hù)體系的變形與受力性能，并考慮加入錨索進(jìn)一步提高其支護(hù)性能，從而得出最優(yōu)的支護(hù)方案。

（1）雙排傾斜樁組合支護(hù)結(jié)構(gòu)中，冠梁、斜樁組成了一個(gè)空間結(jié)構(gòu)，提高了結(jié)構(gòu)的整體剛度，同時(shí)內(nèi)斜樁和外斜樁分別受壓與受拉，分別起到斜撐和錨桿的作用。與傳統(tǒng)懸臂單排直樁、懸臂雙排樁相比，雙排傾斜樁組合支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形及彎矩顯著減小，支護(hù)性能接近于帶支撐的單排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)。

（2）傾斜樁支護(hù)變形由懸臂式變成了內(nèi)凸式，彎矩也由懸臂式向帶支撐支護(hù)樁的彎矩模式轉(zhuǎn)變。此特點(diǎn)表明雙排傾斜樁支護(hù)中的兩排樁能夠相互提供支撐作用。

（3）本文案例中基坑開挖深度較深，為控制基坑變形，支護(hù)方案增加一道錨索。加錨索雙排傾斜樁支護(hù)結(jié)構(gòu)與其他加錨索傳統(tǒng)支護(hù)結(jié)構(gòu)相比，其樁身最大水平變形與坑外土體沉降值均為最小，能夠有效控制基坑變形。

（4）由于錨索的錨固作用，相同樁長情況下有錨索雙排傾斜樁對(duì)變形控制更為有利，能夠滿足軟土地區(qū)深度為10 m左右基坑的變形控制要求。