排樁支護工程的研究現(xiàn)狀

李 釗,劉君剛,董澤中,熊志勇,李新立,蔣振東

(1.中鐵七局集團武漢工程有限公司,湖北 武漢 430070;2.湖北理工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院,湖北 黃石 435003)

隨著我國經(jīng)濟水平不斷提高,房屋、隧道、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)規(guī)模和數(shù)量不斷提高[1]。作為這些大型建筑物的基礎(chǔ)部分,基坑工程發(fā)展比較迅速[2]。目前,基坑工程的施工難度越來越高,具體表現(xiàn)為基坑工程地質(zhì)條件越來越復(fù)雜[3],開挖深度越來越大[4],如上海中心大廈的基坑深度達86 m,且建在有軟土和大量粘土的河流三角洲上[5];國家大劇院基坑深度達到了32 m[6]。該類深基坑工程所面臨的工程安全問題主要包括地基不均勻沉降、地下水消散、支擋結(jié)構(gòu)變形過大、基坑局部應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴重等。若不能妥善處理,必然會導(dǎo)致基坑失穩(wěn)、坍塌等嚴重的安全事故的發(fā)生。因此,基坑工程的安全問題引起了越來越多工程建設(shè)者和學(xué)者的重視[7]。

排樁結(jié)構(gòu)是一種適用于安全等級為一級、二級、三級的基坑支護形式[8],是我國廣泛采用的一種基坑支護形式[9]。針對排樁結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用,國內(nèi)外專家學(xué)者采用數(shù)值模擬、物理實驗、現(xiàn)場測試、理論計算等形式開展了大量的研究工作,探討了排樁的應(yīng)力分布規(guī)律、降水止水效果、基坑沉降、邊坡穩(wěn)定性、支護效果等指標及其影響因素。這些工作為排樁結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用提供了強有力的理論支撐,然而對于排樁支護工程研究成果的總結(jié)分析較少。

鑒于此,為了促進排樁支護工程的深入研究,本文系統(tǒng)整理了我國排樁支護工程的研究成果,并依次在支護類型的選擇、設(shè)計理論和方法、理論計算、理論研究方法4個方面進行了闡述和分析。

1 支護結(jié)構(gòu)類型

基坑支護結(jié)構(gòu)的類型可根據(jù)材料特性、結(jié)構(gòu)形式、設(shè)置位置、作用機理等進行劃分,工程中常見的支護結(jié)構(gòu)類型包括擋墻式、地下連續(xù)墻式、板樁式、排樁式等。

1)擋墻式支護結(jié)構(gòu)依靠擋墻的自身重量和墻底的摩阻(嵌固)力來抵抗基坑邊坡土的滑動力。其優(yōu)點主要包括施工噪聲小、振動小、防滲漏、造價低等,缺點主要包括用地面積大、墻體厚度大、材料用量多等。

2)地下連續(xù)墻式支護結(jié)構(gòu)是一種沿基坑周邊軸線開挖并澆筑的連續(xù)鋼筋混凝土護壁,兼具擋土、截水、防滲等多種功能。其優(yōu)點主要包括防滲效果好、施工噪聲小、對周圍環(huán)境擾動小、占地面積小等,缺點主要包括不適用于堅硬土(巖)層、施工成本較高、施工產(chǎn)生的廢泥漿難以處理等。

3)板樁式支護結(jié)構(gòu)適用于開挖深度大于4 m的基坑,按照結(jié)構(gòu)特性可分為H型、鎖口型、槽鋼型鋼板樁。其優(yōu)點主要包括施工簡便快捷、材料周轉(zhuǎn)率高、施工費用低等,缺點主要包括結(jié)構(gòu)整體性較差、施工對基坑土體擾動明顯、擋水性能不足等。

4)排樁式支護結(jié)構(gòu)依靠一排或多排相切或相割的樁體形成的護壁結(jié)構(gòu)來維護基坑邊坡的穩(wěn)定性,適用于開挖深度為6～10 m,且不能放坡開挖的基坑。其主要由支護樁、內(nèi)支撐和隔水帷幕組成,結(jié)構(gòu)類型可分為拉錨式、錨桿式、內(nèi)支撐式和懸臂式。排樁是這種結(jié)構(gòu)的支護主體,根據(jù)施工方式的不同可采用鉆孔灌注或人工挖孔的形式施工,具有支護等級高、止水效果好、工程造價低、施工工藝簡單等優(yōu)勢,是基坑工程中使用率很高的支護結(jié)構(gòu)形式。

2 設(shè)計理論和方法

近年來,排樁支護結(jié)構(gòu)主要呈現(xiàn)出了設(shè)計思想和設(shè)計觀念的創(chuàng)新,表現(xiàn)在以下6個方面[10]:①將基坑側(cè)壁變形和強度極限狀態(tài)作為安全設(shè)計的依據(jù)[11];②充分考慮節(jié)能、環(huán)保方面的需求[12];③排樁結(jié)構(gòu)不局限于維護基坑結(jié)構(gòu)的安全,同時可起到隔離地下水的作用[13];④不斷將新材料、新設(shè)備、新工藝、新技術(shù)運用到排樁支護結(jié)構(gòu)設(shè)計中[14];⑤雙排樁、三排樁等改良的排樁支護結(jié)構(gòu)形式不斷出現(xiàn)并逐漸在工程中應(yīng)用[15];⑥預(yù)應(yīng)力和裝配式技術(shù)具有方便施工、高適用性強、安全合理等特性,使得內(nèi)支撐體系的穩(wěn)定性和整體剛度有了極大的提高。如許斌等[16]分析了綠色施工技術(shù)和節(jié)能減排技術(shù)的作用原理,為綠色環(huán)保設(shè)計提供了參考依據(jù);閆貴海等[17]分析了高壓旋噴止水帷幕技術(shù)在富水砂層深基坑中的作用機理,探討了高壓旋噴止水帷幕技術(shù)的設(shè)計使用效果;張相平等[18]介紹了一種三排樁和三角支撐結(jié)合的支護形式,為城市基坑支護的排樁設(shè)計提供了新思路。

3 理論計算

在進行排樁結(jié)構(gòu)支護計算時,要充分考慮排樁的分布間距形狀、樁體和樁間土的荷載分擔(dān)比、結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定性、樁與樁間土的相互作用等因素[19]。

1)修正系數(shù)法。該方法先采用經(jīng)典土壓力理論計算排樁所承受的主動土壓力和被動土壓力,后根據(jù)排樁結(jié)構(gòu)靜力極限平衡狀態(tài)下的變形破壞特征,計算排樁的彎矩極值和彎矩沿樁身的分布規(guī)律。修正系數(shù)法計算較為簡便,但未考慮排樁樁頂?shù)姆聪蛄ε?且無法體現(xiàn)受力狀態(tài)變化時的結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布特征,因而不適用于地質(zhì)條件復(fù)雜多變的排樁結(jié)構(gòu)計算。

2)反力彈簧法。該方法基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和物理模型實驗,常用于計算雙排樁的結(jié)構(gòu)內(nèi)力,運用經(jīng)典土壓力理論計算排樁結(jié)構(gòu)主動區(qū)的土壓力,并根據(jù)排樁樁間土體積與樁后滑動土體體積之間的比值分配結(jié)構(gòu)內(nèi)力。與常規(guī)的比例系數(shù)法相比,該方法無需假設(shè)和考慮結(jié)構(gòu)嵌固點,可以準確描述土的變形情況,但當(dāng)現(xiàn)場監(jiān)測或物理模型實驗受到干擾時,其計算可靠度會降低。

3)彈性地基梁法。該方法根據(jù)Winkler彈性地基梁假設(shè),將排樁間的內(nèi)力及變形調(diào)節(jié)作用作為計算要素,并充分考慮樁與樁間土的協(xié)同作用,利用結(jié)構(gòu)力學(xué)原理計算排樁支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力。該方法強調(diào)了排樁間的相互協(xié)調(diào)作用和樁與樁間土的協(xié)同作用,能較好地反映實際的排樁結(jié)構(gòu)受力特征。

4)彈性支點法。該方法以基坑臨空面為邊界,沿基坑側(cè)壁分段建立力學(xué)微分方程,克服平衡梁法、等值梁法和剛性支撐梁法在計算多道支撐的基坑排樁內(nèi)力時與實際檢測結(jié)果存在較大誤差的問題[20],能充分反映不同分段處的排樁結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布情況。但是,當(dāng)分段較細時,計算量大,常常需要有限元數(shù)值法進行輔助計算。

4 理論研究方法

4.1 現(xiàn)場實驗法

現(xiàn)場實驗又叫現(xiàn)場原位測試,整個實驗過程都在基坑施工過程中開展,獲得的數(shù)據(jù)具有很強的直接性和針對性,可以直接用于指導(dǎo)下一步的設(shè)計和施工工作。

劉暢等[21]以天津市某基坑工程為依托,研究了一種傾斜式排樁和懸臂式排樁結(jié)合的基坑無支撐支護體系;孟祥旭[22]以某深基坑工程為研究背景,分析了不同開挖工況下排樁結(jié)構(gòu)的受力分布規(guī)律、位移變化趨勢、基坑土體變形特征等;周珩等[23]以成渝高速鐵路內(nèi)江北車站雙排樁基礎(chǔ)為研究對象,采用現(xiàn)場實驗與數(shù)值模型相結(jié)合的方式分析了支護結(jié)構(gòu)在不同工況下的變形和受力特征。

采用現(xiàn)場實驗對排樁支護結(jié)構(gòu)開展的研究內(nèi)容主要集中在支護結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化、設(shè)計參數(shù)選取、結(jié)構(gòu)選型等方面,現(xiàn)場實驗常與理論分析、數(shù)值模擬計算、室內(nèi)模型實驗等結(jié)合[24],為排樁支護結(jié)構(gòu)研究提供了豐富多元化的手段。

4.2 模型實驗法

當(dāng)現(xiàn)場實驗遇到空間有限、環(huán)境干擾因素多等影響無法正常開展時,可以通過室內(nèi)模型實驗[25]的方式對排樁支護結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性進行研究,探尋其變化規(guī)律和臨界值[26]。

采用室內(nèi)模型實驗法對排樁支護結(jié)構(gòu)開展的研究較多。在實驗方法方面,離心模型實驗技術(shù)被廣泛采用。張正義[27]結(jié)合離心模型實驗結(jié)果和理論計算資料,研究了小直徑鋼管排樁的抗滑機理及其加固基坑的變形分布規(guī)律;孫柏濤等[28]采用離心模型實驗技術(shù)研究了大連新海上機場項目的地基沉降,得到了柔性加載幅值、固結(jié)時間及含水率對土體沉降的復(fù)合型影響規(guī)律;田曉麗[29]以攀枝花機場某高邊坡為研究對象,模擬了降雨工況下的高邊坡變形破壞,分析了孔隙水壓力在土方開挖過程中的消散特征;郭永春等[30]建立了某緩傾順層邊坡排樁支護的室內(nèi)物理模型,分析了降雨、開挖等因素影響下的排樁支護效果。

模型實驗研究主要用于獲取支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力、土壓力、支護結(jié)構(gòu)位移、基坑變形、樁身位移等設(shè)計施工要素,為工程設(shè)計和施工提供了依據(jù)。但是在設(shè)計模型實驗時,存在一些難以模擬的非關(guān)鍵因素,如石質(zhì)基坑邊坡的巖體裂隙、巖石層面間的填充物、基坑周邊交通動荷載、環(huán)境因素等。通常對這些因素采用理想化處理,導(dǎo)致模型實驗的結(jié)果與實際現(xiàn)場的測試結(jié)果存在不一致性。因此,單一的模型實驗常常用來做定性研究,將模型實驗手段和現(xiàn)場測試等其他研究手段結(jié)合起來,才能充分發(fā)揮模型實驗的優(yōu)勢。

4.3 數(shù)值模擬法

無論是現(xiàn)場實驗還是模型實驗,都存在著實驗難度大、可重復(fù)性差、實驗周期長、實驗環(huán)境影響因素大等問題,而數(shù)值模擬法可以很好地克服現(xiàn)場實驗和模型實驗的缺點,極大地豐富了排樁結(jié)構(gòu)理論研究的手段。

在針對排樁支護結(jié)構(gòu)開展的數(shù)值模擬研究中,有限元法和有限差分法是應(yīng)用最為廣泛的2種方法。在應(yīng)用數(shù)值模擬手段開展的大量排樁支護結(jié)構(gòu)研究工作中,可以根據(jù)模型建立時的設(shè)定條件將這些研究工作劃分為二維有限元和三維有限元兩類。

二維有限元研究較多。楊亞洲[31]在充分考慮排樁支護結(jié)構(gòu)強度、位移、受力的基礎(chǔ)上,采用二維桿系有限單元法對某基坑工程的排樁支護結(jié)構(gòu)進行了配筋優(yōu)化;田野等[32]以武漢長江階地地層的某傾斜樁基坑支護工程為研究背景,分析了傾斜樁支護類型及傾斜角度對基坑支護效果的影響。三維有限元研究較為普及。張何靜[33]建立了移動荷載-土體-排樁的三維有限元模型,計算得到了移動荷載作用下的排樁支護結(jié)構(gòu)的實時位移相應(yīng)曲線,分析了排樁設(shè)計參數(shù)、移動荷載等級等因素對排樁結(jié)構(gòu)支護效果的影響;王洪木等[34]建立了排樁支護結(jié)構(gòu)的三維有限元模型,研究了不同施工階段土拱效應(yīng)的三維分布、支護結(jié)構(gòu)的安全性等問題。

在針對排樁結(jié)構(gòu)開展有限元研究時,空間效應(yīng)、荷載組合、結(jié)構(gòu)平面布置形式都是需要重點考慮的因素。在三維數(shù)值分析方面,應(yīng)充分考慮支護結(jié)構(gòu)與土體的界面性質(zhì),以及排樁支護結(jié)構(gòu)的空間性能,研究在不同施工工況下作用于排樁支護結(jié)構(gòu)上的土壓力和支護結(jié)構(gòu)的受力和變形特性。因此,在研究復(fù)雜地質(zhì)條件下的排樁支護結(jié)構(gòu)時,有限元三維數(shù)值模擬法是極其重要的手段。

5 發(fā)展趨勢

1)支護結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式直接影響基坑工程的安全性、經(jīng)濟性和環(huán)保性,因此排樁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化選型在基坑支護工程中的重要性越來越突顯。

2)隨著越來越多大型建筑物涌現(xiàn),基坑的開挖深度越來越大,基坑支護的難度亦不斷增加,而城市基坑支護的施工作業(yè)空間卻依然十分狹小,因此新型內(nèi)支撐或錨桿等構(gòu)件將會越來越多出現(xiàn)在排樁支護結(jié)構(gòu)中。

3) 保護地下水等環(huán)境問題是城市基坑支護施工中所要解決的棘手問題。在排樁施工時,宜采用旋噴樁、深層攪拌樁、地下連續(xù)墻等形式施作隔水帷幕。

4)在軟土地區(qū)施工時,為避免基坑底部土體隆起造成支護結(jié)構(gòu)變形和沉降過大,宜采用底部注漿、換填、硬化處理等手段加強基坑底部土體強度,減小其隆起變形。

5)為了保證基坑施工安全,減少支護結(jié)構(gòu)占地、節(jié)省支護結(jié)構(gòu)施工造價,宜根據(jù)基坑的工程地質(zhì)條件和區(qū)域位置,在同一基坑中采用不同的支護結(jié)構(gòu)形式和復(fù)合型支護結(jié)構(gòu)形式。

6)為了進一步提升排樁結(jié)構(gòu)的適用性和支護效果,雙排樁、三排樁等改良的結(jié)構(gòu)形式不斷推陳出新。這些改良的排樁結(jié)構(gòu)能顯著提升支護結(jié)構(gòu)的抗傾覆性能,減少支護結(jié)構(gòu)中繁雜的內(nèi)支撐構(gòu)件,在提升結(jié)構(gòu)安全性的同時起到了縮短工期的作用,因此將越來越多地出現(xiàn)在基坑支護工程中。

7)排樁結(jié)構(gòu)的支護應(yīng)用效果較為顯著,但在特殊復(fù)雜工程中的適用性驗證尚不充分,雙排樁、三排樁等改良的排樁結(jié)構(gòu)形式的研究理論應(yīng)進一步完善。

8)信息監(jiān)測監(jiān)控與信息化施工技術(shù)在排樁工程施工中應(yīng)用,實施動態(tài)監(jiān)測、動態(tài)施工、動態(tài)設(shè)計,根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析調(diào)整施工參數(shù),實施信息化施工,才能做到更加安全生產(chǎn)。

6 結(jié)語

隨著人們對地下空間資源的需求不斷增加,排樁結(jié)構(gòu)的支護新技術(shù)無論在工程實踐中還是在理論研究上都會有很大的進展,使得基坑工程更加安全、適用、經(jīng)濟、環(huán)保,從而滿足工程建設(shè)和社會發(fā)展的需求。我國的基坑工程建設(shè)事業(yè)在蓬勃發(fā)展,作為基坑安全防護的重要手段,排樁結(jié)構(gòu)必然會隨著其基礎(chǔ)理論研究日趨成熟、設(shè)計理念不斷創(chuàng)新、施工技術(shù)不斷進步、施工裝備不斷完備,為基坑工程發(fā)展提供堅固的安全保障。在未來如何根據(jù)工程建設(shè)的實際需求對圍護結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,發(fā)展新型基坑圍護體系和圍護新技術(shù),將是深基坑工程領(lǐng)域的主要發(fā)展趨勢。