斜樁支護(hù)在基坑工程中的監(jiān)測和對比分析

李兵兵

（中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100131）

0 引言

在軟土地區(qū)，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[1-2]。但是對大面積、形狀不規(guī)則的基坑來說，水平支撐的布置較復(fù)雜，會限制施工空間[3]，并且支撐的施工和拆除成本也會增加，導(dǎo)致工期延長，造成一定的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。

在實(shí)際工程中，該文將預(yù)制樁傾斜一定角度進(jìn)行布置，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)目前在國內(nèi)外已被應(yīng)用于工程實(shí)踐中。李珍[4]、鄭剛[5-6]、孔德森[7-10]等利用數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)分別對單排直樁、雙排直樁及斜直交替布置的支護(hù)樁的受力和變形特性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，隨著傾斜角的增大，單排傾斜樁的樁頂水平位移減少。斜直交替樁控制樁頂水平位移的能力高于單排傾斜樁。對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)而言，樁身變形和坑外沉降是基坑變形控制中最重要的指標(biāo)。和無支撐懸臂直樁支護(hù)技術(shù)相比，傾斜樁支護(hù)技術(shù)在樁身位移控制和坑外沉降控制方面都具有較大的優(yōu)勢。

該文以天津金鐘河大街南側(cè)地塊項(xiàng)目基坑工程為背景，介紹該工程中采用的斜直交替支護(hù)類型、斜樁的施工過程和要點(diǎn)，同時(shí)在基坑的不同部位針對性地設(shè)置了雙排樁支護(hù)和單排樁加設(shè)一道支撐的支護(hù)形式，對比了不同支護(hù)形式的樁身變形、內(nèi)力以及坑外沉降的差異。

1 工程簡介

天津金鐘河大街地塊項(xiàng)目基坑工程位于天津市河北區(qū)，擬建工程建筑包括6 棟高層建筑、4 棟多層建筑及一層地下室（局部地下二層）?；娱_挖面積約25700m2，開挖深度為4.5m。

場地北側(cè)為趙沽里大街，西側(cè)鄰靖辰公寓。公寓外側(cè)為規(guī)劃道路群芳路，道路下存在已運(yùn)營地鐵線路地鐵5 號線，此區(qū)域?yàn)槎軜?gòu)。南側(cè)鄰天江里小區(qū)，東側(cè)為中國聯(lián)通院落，內(nèi)有2 層營業(yè)大廳和通信鐵塔。工程與周邊道路情況如圖1所示。

圖1 工程場地周邊環(huán)境圖

該基坑涉及深度范圍內(nèi)各土層土性指標(biāo)統(tǒng)計(jì)和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見表1。

表1 基坑影響范圍內(nèi)土體物理力學(xué)指標(biāo)

2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工

2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式

基坑整體開挖深度為4.5m，地下結(jié)構(gòu)西側(cè)距用地紅線最近3.6m，并且用地紅線外7.4m 為6 層住宅，采用傳統(tǒng)懸臂支護(hù)無法確保周邊建筑物及地鐵線路的安全，如果采用單排樁加整體一道水平支撐的方案則會造成出土困難，并增加工期和造價(jià)。綜合考慮下，決定在南側(cè)場地開闊處采用放坡開挖，大部分位置采用A-A 剖面斜直交替樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，局部采用B-B 剖面雙排樁支護(hù)做對比段，角部采用C-C 剖面預(yù)制樁加支撐的支護(hù)形式做對比段?；悠矫娌贾萌鐖D2 所示。

圖2 基坑支護(hù)平面布置圖

A-A 剖面斜直交替支護(hù)采用了樁長11m、間距1.7m 的375mm×500mm 矩形預(yù)制樁，截面外方內(nèi)圓，中空圓形直徑210mm，混凝土強(qiáng)度等級C80，預(yù)應(yīng)力鋼筋布筋方式為12?10.7mm 預(yù)應(yīng)力鋼棒，螺旋箍筋為?5@100，截面形式如圖3 所示。B-B 剖面雙排樁支護(hù)的前/后排樁長均為11m，排距2.2m，前排樁為間距1m 的375mm×500mm 矩形預(yù)制樁，后排樁為?600@2000 的灌注樁。C-C 剖面采用樁長10m、間距1m 的375mm×500mm 矩形預(yù)制樁，并在樁頂處設(shè)置一道鋼筋混凝土支撐。上述3 個(gè)剖面如圖4 所示。

圖3 預(yù)制樁截面形式（單位：mm）

圖4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面（mm）

2.2 斜樁支護(hù)的施工與土方開挖

A-A 剖面設(shè)計(jì)的斜樁傾斜角度為20°，采用專用斜樁機(jī)進(jìn)行靜壓法施工。施工前，根據(jù)設(shè)計(jì)傾斜角度并結(jié)合下返深度和設(shè)備高度分別計(jì)算樁位線、入土線和對位線。在樁位復(fù)核無誤后，根據(jù)支護(hù)設(shè)計(jì)圖紙并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況劃分施工區(qū)段，安排沉樁的先后次序，按順序施工傾斜樁，以控制擠土效應(yīng)。斜樁靜壓機(jī)在樁位對正，夾持器抱緊，設(shè)備調(diào)平后進(jìn)行斜樁的壓入。

施工斜直交替支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，先將直樁壓至地坪，再施工斜樁。斜樁先施工至自然地坪后，再二次送深至設(shè)計(jì)標(biāo)高。連續(xù)的施工區(qū)段接處還需要預(yù)留2～3 根樁與下一區(qū)段統(tǒng)一二次送深至設(shè)計(jì)標(biāo)高。斜樁與直樁的樁頂用冠梁剛性連接在一起，冠梁寬度不宜小于樁截面高度+200mm，高度不宜小于樁截面高度的0.6 倍。

在支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度滿足開挖條件且坑內(nèi)地下水位以下土方得到有效降水疏干后，根據(jù)分層、分段的對稱、均衡、適時(shí)的原則開挖基坑。開挖時(shí)要注意挖土機(jī)械不能碰撞或損害支護(hù)樁，并注意保護(hù)斜直交替樁間土?；娱_挖工作于2019 年6 月完成。

3 基坑變形監(jiān)測結(jié)果分析

為了確保基坑的安全開挖，并研究斜樁支護(hù)的應(yīng)用效果，該工程對基坑開挖過程中的樁頂位移、支護(hù)樁深層位移、周邊道路及建筑物沉降進(jìn)行了監(jiān)測。其中矩形預(yù)制樁的側(cè)移采用基坑測斜儀進(jìn)行測量，在帽梁澆筑前將測斜管放入空心矩形樁內(nèi)。為了既能保證測斜管居中，從而正確反映樁身變形，又不影響預(yù)制樁的剛度，在矩形樁內(nèi)交替灌注1.5m 深的沙子和0.3m 厚的砂漿以固定測斜管，使測斜管能夠準(zhǔn)確反映支護(hù)樁的變形情況。

基坑開挖完成時(shí)，A-A 剖面、B-B 剖面和C-C 剖面的支護(hù)樁測斜結(jié)果如圖5 所示。

圖5 開挖完成時(shí)支護(hù)樁測斜結(jié)果

從圖5 可以看出，3 種支護(hù)的樁身變形模式相似，都類似于樁頂加水平支撐的單排樁變形。其中A-A剖面斜直交替樁支護(hù)的直樁最大水平位移為12.51mm，斜樁為11.95mm；B-B 剖面雙排樁支護(hù)前排樁最大水平位移為14.11mm；C-C剖面單排樁加一道支撐支護(hù)樁的最大水平位移為8.27mm。測斜結(jié)果表明，在該基坑支護(hù)形式設(shè)置條件下，3 種圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形均較小，采用斜直交替樁支護(hù)的變形略大于帶支撐的單排樁支護(hù)，略小于雙排樁支護(hù)。

計(jì)算斜直交替樁支護(hù)和雙排樁支護(hù)的每延米造價(jià)匯總見表2。取鉆孔灌注樁造價(jià)1500 元/m3，375mm×500mm 預(yù)制樁210 元/m，帽梁和連梁1500 元/m3。由表2 可知，A-A剖面斜直交替支護(hù)和B-B 剖面雙排樁支護(hù)相比，每延米造價(jià)能節(jié)省3075 元，在滿足基坑變形控制要求和施工條件的前提下選擇斜直交替支護(hù)可以降低工程造價(jià)。

表2 A-A 剖面和B-B 剖面支護(hù)結(jié)構(gòu)每延米造價(jià)對比

基坑西側(cè)周邊建筑和地表沉降的監(jiān)測結(jié)果顯示，B-B 剖面和A-A 剖面對應(yīng)的最大坑外地表沉降分別為6.21mm 和6.34mm，西北角C-C 剖面的地表沉降為5.28mm。3 種支護(hù)形式的坑外地表沉降量比較接近。距離B-B 剖面和A-A 剖面的最近建筑物沉降最大值分別為2.29mm 和1.69mm。以上結(jié)果表明，采用斜直交替樁支護(hù)可以較好地控制基坑開挖對周邊環(huán)境的影響。

4 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果對比分析

4.1 有限元模型建立

為了進(jìn)一步探究斜直交替樁支護(hù)的變形規(guī)律，該文參照該工程的支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面分別建立雙排樁支護(hù)、斜直交替支護(hù)和單排樁加水平支撐支護(hù)的數(shù)值模型。將B-B 剖面雙排樁支護(hù)的前后排樁均換為375mm×500mm 預(yù)制樁，樁間距1.7m。此時(shí)雙排支護(hù)樁與A-A 剖面斜直交替支護(hù)樁的剛度相同。在單排樁加一道水平支撐的計(jì)算模型中，支護(hù)樁同樣采用375mm×500mm 矩形預(yù)制樁，樁間距為0.85m 和11m。

使用有限元軟件Plaxis2D 建立3 種支護(hù)形式的數(shù)值模型，并進(jìn)行對比和分析。模型高度和模型左側(cè)邊界至支護(hù)樁距離取25m，模型底面施加雙向約束，兩側(cè)施加法向約束。土體本構(gòu)模型采用小應(yīng)變硬化土模型，排水類型為不排水，考慮基坑開挖過程中坑內(nèi)降水對變形的影響[11]，土體參數(shù)見表3。根據(jù)等效剛度原則，支護(hù)樁等效為板單元，樁體彈性模量取38000MPa，泊松比取0.2。水平支撐用錨錠桿單元模擬，支護(hù)樁與土體的接觸面采用界面單元來模擬。A-A 剖面的模型網(wǎng)格劃分如圖6 所示。

表3 土體模型計(jì)算參數(shù)

圖6 A-A 剖面有限元模型網(wǎng)格劃分

4.2 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

開挖至坑底時(shí)，不同支護(hù)形式的樁身水平位移和坑外沉降的對比如圖7 所示。

圖7 3 種支護(hù)形式的樁身水平位移和坑外沉降的對比

當(dāng)樁身剛度相同時(shí)，斜直交替支護(hù)的最大水平位移為11.74mm，雙排樁支護(hù)的前后排樁最大水平位移均為20.63mm，斜直交替支護(hù)最大水平位移比雙排樁支護(hù)減少了43.14%。2 種支護(hù)形式的樁身水平變形模式相近，并且最大水平位移都出現(xiàn)在樁頂處。排樁加水平支撐的樁身最大位移為8.98mm，發(fā)生在距離樁頂3.16m 位置處，樁頂位移為8.06mm。與斜直交替支護(hù)相比，排樁加水平支撐支護(hù)的樁頂位移減少了2.99mm，最大水平位移減少了3.68mm。以上結(jié)果說明斜直交替支護(hù)控制樁頂位移的能力優(yōu)于雙排樁支護(hù)，略差于帶水平支撐的單排樁支護(hù)，并且斜直交替支護(hù)的最大位移較小，與帶水平支撐的排樁支護(hù)相近。這是由于斜直交替支護(hù)結(jié)構(gòu)隨開挖向坑內(nèi)偏移時(shí)斜樁受壓，因此其水平分力對直樁起到支撐作用，使樁身變形模式類似于帶水平支撐的“內(nèi)凸式”[12]。

由于斜直交替支護(hù)斜樁的斜撐作用限制了坑內(nèi)土體的隆起，因此使靠近樁底部分斜直交替支護(hù)的水平位移略大于雙排樁支護(hù)。與監(jiān)測結(jié)果相比，數(shù)值模擬結(jié)果的樁頂水平位移偏大，原因可能是二維數(shù)值模擬沒有考慮帽梁的空間作用對支護(hù)樁頂變形的約束作用。

3 種支護(hù)形式的沉降曲線均為凹槽形，類似于帶水平支撐的基坑支護(hù)坑外沉降曲線。斜直交替支護(hù)的最大坑外沉降值為9.71mm，比雙排樁支護(hù)減少了37.91%；帶支撐的單排樁支護(hù)最大坑外沉降值為7.47mm，比雙排樁支護(hù)減少了52.24%。通過以上對比可以得知，在支護(hù)樁剛度和樁長相同的情況下，斜直交替支護(hù)限制坑外沉降的能力介于雙排樁支護(hù)和帶水平支撐的單排樁支護(hù)之間。

不同支護(hù)形式的樁身彎矩的對比如圖8 所示。3 種支護(hù)形式的彎矩隨深度的變化基本一致，均產(chǎn)生反彎點(diǎn)。帶水平支撐的單排樁最大正彎矩為94.1kN·m，略大于其他2 種支護(hù)的彎矩。斜直交替支護(hù)斜樁和雙排樁支護(hù)前排樁的最大彎矩值為87.6kN·m 和70.7kN·m，分別大于對應(yīng)各自直樁和后排樁的最大彎矩值，原因可能是斜樁和前排樁分配到的土壓力更多。與雙排樁相比，斜直交替支護(hù)樁身彎矩的反彎點(diǎn)更靠近樁底，并且樁身最大正彎矩較大，這也說明了斜直交替支護(hù)對變形的控制能力優(yōu)于雙排樁支護(hù)。

圖8 3 種支護(hù)形式的樁身彎矩對比

5 結(jié)語

該文以天津金鐘河大街南側(cè)地塊項(xiàng)目基坑工程為基礎(chǔ)，對預(yù)制樁斜直交替支護(hù)在基坑工程中的變形進(jìn)行了對比和分析。得出如下結(jié)論：1）斜直交替樁的斜樁對直樁的斜撐作用使斜直交替支護(hù)的樁身位移模式為“內(nèi)凸式”，坑外沉降曲線為凹槽形，類似于帶水平支撐的排樁支護(hù)。2）斜直交替支護(hù)的帽梁將直樁與斜樁剛接，起到了協(xié)調(diào)斜直樁變形和傳遞相互作用力的作用，因此在設(shè)計(jì)和施工時(shí)要使帽梁截面滿足剛度和受力要求，確保帽梁能夠起到將直樁和斜樁剛接的作用。3）在支護(hù)樁剛度和樁長相同的情況下，斜直交替支護(hù)限制樁頂水平位移和坑外沉降的能力介于帶支撐的排樁支護(hù)和雙排樁支護(hù)之間，并且樁身最大水平位移、彎矩與帶支撐的排樁支護(hù)較接近。4）當(dāng)基坑開挖深度較小但傳統(tǒng)懸臂支護(hù)的計(jì)算變形過大時(shí)，可以考慮采用斜直交替的預(yù)制矩形樁支護(hù)的形式，避免設(shè)置水平支撐體系，既能節(jié)省造價(jià)，又能加快基坑開挖進(jìn)度。