巖石基坑長短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)技術(shù)及受力特性研究

摘 要：本研究基于巖溶發(fā)育地區(qū)巖石基坑建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合鉆孔灌注樁與吊腳樁的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了巖石基坑新型長短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)技術(shù)。從樁長、樁間距等方面闡述了長短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念及其適用范圍。通過有限元數(shù)值模擬，研究了長短樁基坑受力及變形規(guī)律，分析了長樁與短樁在基坑工程中發(fā)揮的作用及受力機(jī)理，總結(jié)了短樁和鋼圍檁的受力特性，并提出了短樁和鋼圍檁的合理計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞：巖石基坑；地鐵車站；長短樁；圍護(hù)結(jié)構(gòu)；土拱效應(yīng)；樁間距

中圖分類號：TU 75" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 工程概況

巖石基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)常采用吊腳樁、放坡、鉆孔灌注樁、鋼管樁[1]或者板肋式擋土墻等設(shè)計(jì)方案?？紤]錨桿（索）對地下空間影響較大，主城區(qū)道路下方管線較為密集，而放坡開挖的基坑須具備場地條件，因此城區(qū)地鐵車站巖石基坑的主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型往往考慮吊腳樁或鉆孔灌注樁。根據(jù)武漢、濟(jì)南、成都、重慶、貴陽、青島等地的巖石基坑的調(diào)研結(jié)果，吊腳樁應(yīng)用率相對偏低。

徐州地區(qū)巖石基坑主要為中風(fēng)化石灰?guī)r地層，根據(jù)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，其巖溶普遍較為發(fā)育，且發(fā)育、破碎、地層分布情況差異性較大，詳勘很難真實(shí)反映情況。錨桿（索）在巖溶較為發(fā)育的基坑工程中安全度不夠，吊腳樁成功應(yīng)用率較低，基坑風(fēng)險(xiǎn)較高。因此為了規(guī)避巖溶發(fā)育地區(qū)吊腳樁施工存在的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)避免鉆孔灌注樁全部落底后大幅提高工程造價(jià)、增加堅(jiān)硬巖層成樁困難，結(jié)合鉆孔灌注樁及吊腳樁優(yōu)缺點(diǎn)，提出短樁樁底位于坑底以上的“長短樁”組合的新型圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

2 研究現(xiàn)狀

在基坑工程中，國內(nèi)鮮有短樁位于基坑底以上的長短樁支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用案例，短樁設(shè)計(jì)通常還是常規(guī)設(shè)計(jì)，位于基坑底以下。

馮曉臘等[2]通過有限元分析長短樁長支護(hù)樁與短支護(hù)樁在基坑開挖過程變形，發(fā)現(xiàn)變形均呈“鼓肚子”狀，這與一般基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律吻合，短支護(hù)樁變形存在明顯的“踢腳”現(xiàn)象。趙永清等[3]采用理論分析的方法分別對長短樁組合圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的長樁、短樁及冠梁建立計(jì)算模型，從而對其進(jìn)行基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)，并將此方法運(yùn)用到工程實(shí)例中，直到工程結(jié)束未發(fā)生安全事故，也沒有延誤工期，取得了良好效果。

李竹等[4]在砂土中進(jìn)行了11組模型試驗(yàn)，研究了單點(diǎn)水平內(nèi)支撐的長短樁組合排樁的力學(xué)特性，其結(jié)果表明，在長短樁組合圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，當(dāng)短樁具有一定的插入深度時(shí)，在單點(diǎn)水平支撐條件下，長短樁和等長樁的位移相近，但長樁比短樁分擔(dān)更多彎矩。成守澤[5]采用PLAXIS有限元軟件，通過數(shù)值模擬的方法，研究了不同嵌固深度和不同樁間距情況下，短樁樁長變化對圍護(hù)樁受力及變形、坑底隆起和地表沉降的影響。王恒力等[6]基于珠海某地區(qū)采用長短樁組合支護(hù)方案的深基坑工程，采用三維有限元對該工程進(jìn)行數(shù)值模擬，并結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)，分析了長短樁組合圍護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果。結(jié)果表明，當(dāng)深厚軟土地區(qū)進(jìn)行深基坑設(shè)計(jì)時(shí)，采用長樁與短樁組合的支護(hù)形式是可行的，但要滿足長樁和短樁之間的變形協(xié)調(diào)，短樁不能出現(xiàn)“踢腳”等現(xiàn)象。XU C等[7]結(jié)合實(shí)際工程，采用數(shù)值模擬的方法，討論了軟土地區(qū)長短樁支護(hù)體系中短樁長度和長樁數(shù)與短樁數(shù)的比值對樁身水平變形、彎矩的影響，得到可行的長短樁組合形式。

因此，結(jié)合徐州地鐵巖石基坑的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)以及巖溶發(fā)育地層巖石基坑的特點(diǎn)，需要繼續(xù)進(jìn)行巖石基坑相關(guān)設(shè)計(jì)探索及受力特性研究工作。

3 長短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論

本文所述巖石基坑長短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用長樁與短樁的組合設(shè)計(jì)方案，長樁為部分常規(guī)的插入坑底以下一定深度的鉆孔灌注樁，短樁為樁底位于基坑底以上僅進(jìn)入巖層一定深度的鉆孔灌注樁，巖石基坑長短樁設(shè)計(jì)如圖1所示。

3.1 樁長

長樁插入坑底以下中風(fēng)化巖層2.5m，按照進(jìn)入中風(fēng)化巖面以下不小于1m，且低于中板底一定深度進(jìn)控制短樁樁底，同時(shí)須考慮開挖階段小基坑支護(hù)的穩(wěn)定性。

3.2 樁徑

根據(jù)地層情況，可以采用相同樁徑或不同樁徑。根據(jù)徐州工程地質(zhì)情況，建議長樁采用800/1000鉆孔樁，短樁建議采用600/800鉆孔樁或者鋼管樁。

3.3 平面布置形式

在長樁中間，短樁可隔1插1、隔1插2等，須根據(jù)地勘情況綜合確定實(shí)際施工形式。

3.4 樁間距

確定圍護(hù)樁合理間距對基坑支護(hù)工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。目前，學(xué)術(shù)界普遍采用土拱效應(yīng)分析支護(hù)樁合理間距，在基坑工程、邊坡工程及地質(zhì)災(zāi)害防治工程中，均可觀察到明顯的水平土拱效應(yīng)。參考相關(guān)文獻(xiàn)，以徐州地區(qū)典型的5-3-4硬塑黏土地層為例（c=87.9kPa，φ=16.1°）根據(jù)推導(dǎo)公式計(jì)算合理樁間距，見表1。

最大樁間凈距為樁凈距的上限，土拱破壞臨界值。最小樁間凈距為樁凈距的下限，可以使土拱效應(yīng)得到充分發(fā)揮的臨界值。

利用計(jì)算公式得出的最大樁間凈距值最小，其計(jì)算過程如公式（1）～公式（3）所示。

（1）

（2）

（3）

式中：b為樁徑；c、φ分別為土體黏聚力和內(nèi)摩擦角；q為樁外側(cè)水平側(cè)壓力；α為模型參數(shù)。

結(jié)合上述理論分析及工程經(jīng)驗(yàn)，考慮相對軟土地層的存在及地層差異性，并預(yù)留一定安全余量，本研究建議樁間凈距不大于1m，需要結(jié)合詳勘參數(shù)綜合確定具體數(shù)值，且應(yīng)滿足圍護(hù)樁抗彎、基坑抗浮等要求。

3.5 內(nèi)支撐布置方案

建議長短樁基坑第一道支撐采用砼支撐，保證基坑形成穩(wěn)定的框架受力體系；豎向至少設(shè)置兩道內(nèi)支撐。

3.6 計(jì)算原則

短樁主要用于承受土壓力，長樁主要用于滿足基坑穩(wěn)定性。應(yīng)綜合考慮各開挖工況、回筑工況長樁及短樁的受力狀態(tài)，保證強(qiáng)度、穩(wěn)定性能滿足要求。同時(shí)，須按照極限狀況考慮短樁底位于無填充的溶洞范圍內(nèi)，核算冠梁豎向抗彎承載能力。

綜上所述，長短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案仍然采用部分插入坑底一定深度的常規(guī)鉆孔灌注樁，綜合考慮基坑安全、堅(jiān)硬巖層成樁困難、工程造價(jià)等問題，融合鉆孔灌注樁及吊腳樁的優(yōu)點(diǎn)。長短樁與吊腳樁的本質(zhì)區(qū)別如下。1）有部分圍護(hù)樁落到坑底以下，長樁沒有形成吊腳。2）用鋼支撐代替吊腳樁的鎖腳錨桿，圍護(hù)樁具有更加可靠的第二道支點(diǎn)。

4 有限元計(jì)算分析

4.1 模型概述

為簡化計(jì)算，選取兩層地下車站局部標(biāo)準(zhǔn)段進(jìn)行模擬、對徐州地區(qū)典型的半土半巖基坑進(jìn)行研究，模型不考慮淺層填土層，土層為5-3-4硬塑黏土（厚10m），下部均為中風(fēng)化石灰?guī)r（不考慮巖溶分布）。綜合考慮計(jì)算精度后，模型尺寸長70m，寬30m，深30m。計(jì)算模型如圖2所示。

基坑深度取17m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用長短樁+兩道內(nèi)支撐（0.8m×1m混凝土支撐@9m+?609鋼支撐@0.35m）支護(hù)形式。其中，長樁長19.5m，短樁長11m（嵌入巖層1m）。

將模型邊界及底面施加固定或?qū)ΨQ約束，頂部為自由邊界。地面超載取20kPa均布荷載。地層及支護(hù)材料參數(shù)見表2。

4.2 研究技術(shù)路線

為對比分析長短樁模型與常規(guī)模型、不同直徑的短樁受力特征、不同支撐布置方案的長短樁受力特征以及對應(yīng)模型鋼圍檁受力特征，計(jì)算分為以下5個(gè)模型。1）無短樁，長樁樁徑為800mm，間距為3.5m。2）短樁樁徑為600mm（隔1插1），長樁樁徑為800mm，間距為3.5m，鋼支撐撐在長樁上。3）短樁樁徑為600mm（隔1插1），長樁樁徑為800mm，間距為3.5m，鋼支撐撐在短樁上。4）短樁樁徑為800mm（隔1插1），長樁樁徑為800mm，間距為3.5m，鋼支撐撐長樁上。5）短樁樁徑為800mm（隔1插1），長樁樁徑為800mm，間距為3.5m，鋼支撐撐短樁上。

通過以上5個(gè)模型可得出以下4類數(shù)據(jù)組：無短樁模型全工況計(jì)算結(jié)果；有短樁模型（短樁樁徑為600mm和800mm）全工況計(jì)算結(jié)果；有短樁模型（短樁樁徑為600mm和800mm）中開挖至短樁樁底以上0.1m計(jì)算結(jié)果；有短樁模型（短樁樁徑為600mm和800mm）中鋼支撐分別支撐在長樁及短樁位置處的計(jì)算結(jié)果。

本文通過以上5個(gè)模型和4類數(shù)據(jù)組，擬研究解決以下幾個(gè)問題。①長短樁基坑設(shè)計(jì)方案是否可行，短樁的變形是否安全可控。②長短樁基坑中長樁與短樁受力機(jī)理、變形特征及協(xié)同受力特點(diǎn)。③不同直徑短樁對長短樁結(jié)構(gòu)體系的影響。④探求短樁的合理、便捷的計(jì)算方法。⑤鋼支撐布置在不同位置情況下，長短樁樁后土體應(yīng)力特點(diǎn)及對鋼支撐和鋼圍檁的受力影響。

4.3 施工工序

為模擬分析長短樁基坑全部控制性工況，設(shè)置如下施工階段。1）工況1：初始地層應(yīng)力。2）工況2：支護(hù)樁施工。3）工況3：開挖第一層土（冠梁底0.5m）。工況4：布設(shè)砼支撐及冠梁。5）工況5：開挖第二層土（鋼支撐底0.5m）。6）工況6：布設(shè)鋼支撐及鋼圍檁。7）工況7：開挖第三層土（短樁以上0.1m）。8）工況8：開挖第四層土（開挖至坑底）。9）工況9：施工底板、負(fù)二層側(cè)墻、中板，拆除第二道支撐。

4.4 計(jì)算結(jié)果分析

4.4.1 長短樁與無短樁模型對比分析

對比分析模型1和模型2，模型除有無短樁不同外，其余條件均一致。有無短樁模型全工況的變形對比和受力對比見表3和表4。模型1和模型2地層位移如圖3、圖4所示。模型1和模型2的地層應(yīng)力如圖5、圖6所示。

由圖3～圖6結(jié)果分析可知，有短樁支護(hù)結(jié)構(gòu)位移小于無短樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，但相差不大，長短樁、無短樁支護(hù)土拱效應(yīng)均較為明顯，無短樁背后土體應(yīng)力集中在長樁范圍，有短樁背后土體應(yīng)力由長樁與短樁共同承擔(dān)。

由表3～表4結(jié)果分析可知，在模型2中，工況7和工況8兩個(gè)最不利工況的最大的位移和內(nèi)力差別不大，且與模型1同工況計(jì)算結(jié)果相差不大，變形及內(nèi)力累計(jì)絕對值也相對較小，表明長短樁的基坑設(shè)計(jì)方案是合理可行的，短樁的變形安全可控。長短樁模型中的最大位移處在短樁范圍內(nèi)，長樁位移與短樁相比較小，但相差甚微，短樁對減少模型地表沉降、整體變形、長樁內(nèi)力甚至對減少支撐軸力起到了顯著作用，在長短樁設(shè)計(jì)模型中，長樁最大內(nèi)力為126.7kN?m，短樁最大內(nèi)力為95.9kN?m，內(nèi)力分配長樁占57%，短樁約為43%（按照樁徑800mm和樁徑600mm的圓對應(yīng)的抗彎剛度計(jì)算，長樁占75%，短樁占25%）。因此，對半土半巖基坑來說，短樁可同長樁共同參與上部土層受力，在長樁計(jì)算分析中可以適當(dāng)考慮短樁的作用，對比分析有短樁模型中工況7、工況8的模型變形及構(gòu)件內(nèi)力可知，基坑開挖至坑底與基坑開挖至短樁樁底以上0.1m時(shí)相比，短樁內(nèi)力和位移有所增加，但相差甚小。因此，短樁樁底以上0.1m的基坑深度可以采用常規(guī)的計(jì)算方法分析短樁的受力和基坑變形，且不用考慮穩(wěn)定性問題。

4.4.2 不同直徑短樁模型對比分析

對比分析模型2和模型4，模型除短樁直徑不同外，其余條件均一致。不同直徑短樁模型全工況變形對比和受力對比結(jié)果見表5和表6。模型4地層位移和地層應(yīng)力如圖7、圖8所示。

通過圖中的對比分析結(jié)果可知，在位移和內(nèi)力分配上，800短樁比600短樁更均勻。

通過表5和表6結(jié)果分析可知，800短樁相較600短樁對減少模型地表沉降、整體變形、長樁內(nèi)力及支撐軸力起到了一定作用，但效果甚微。

4.4.3 鋼支撐及鋼圍檁內(nèi)力對比分析

對比分析模型2和模型3，模型除鋼支撐布置位置不同外，其余條件均一致。計(jì)算結(jié)果如圖9～圖14所示。

通過對比鋼支撐布置在不同位置的樁后土體應(yīng)力和鋼圍檁受力的變化情況，由圖9、圖10可知，若鋼支撐布置在長樁位置，受土拱效應(yīng)的影響，地層荷載主要由長樁承擔(dān)。若鋼支撐布置在短樁位置，受土拱效應(yīng)的影響，樁后土體應(yīng)力改由短樁主要承擔(dān)。說明土拱效應(yīng)主要受圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度的影響，鋼支撐位置處圍護(hù)樁形成相對不動點(diǎn)，樁后則產(chǎn)生明顯土拱效應(yīng)，與圍護(hù)樁長度、長短樁樁徑關(guān)系不大。提取樁后土體應(yīng)力，計(jì)算其平均值為210kN，鋼支撐軸力為180kN，鋼支撐間距為3.5m，則對應(yīng)計(jì)算支撐每延米軸力為51.43kN/m，按照常規(guī)設(shè)計(jì)方法，采用微機(jī)有限元結(jié)構(gòu)分析通用程序計(jì)算鋼圍檁內(nèi)力。經(jīng)計(jì)算，鋼圍檁彎矩最大值為 62.48kN?m，剪力最大值為138.86kN，均大于有限元三維模型計(jì)算的鋼圍檁彎矩及剪力值。通過上述分析鋼圍檁內(nèi)力，由圖11～圖14可知，在長樁或短樁上布置鋼支撐，鋼圍檁彎矩、剪力大小無明顯變化（模型4和模型5對比結(jié)論也一致），與按照常規(guī)一維連系梁方法計(jì)算得出的內(nèi)力相比較小。因此，考慮現(xiàn)場實(shí)際施工基坑兩側(cè)長短樁位置、鋼支撐位置的差異性，鋼支撐設(shè)計(jì)可以不用受長短樁位置限制，對鋼圍檁受力影響不大，鋼圍檁可以采用常規(guī)的由鋼支撐延米軸力施加的均布荷載計(jì)算方法，按照一維連系梁進(jìn)行計(jì)算分析，且與鋼圍檁實(shí)際內(nèi)力相比，其富余量較大，安全可控。

5 結(jié)語

本文通過三維有限元計(jì)算分析，可得出以下結(jié)論。1）長短樁基坑設(shè)計(jì)方案合理可行，短樁的變形安全可控。2）短樁對減少基坑地表沉降、整體變形、長樁內(nèi)力及支撐軸力均起到了顯著作用，在基坑上部土層段，短樁與長樁協(xié)同受力。長樁計(jì)算可適當(dāng)考慮短樁作用（建議可按照圍護(hù)樁圓直徑對應(yīng)的剛度占比考慮彎矩分配，實(shí)際配筋含鋼量并不多），短樁計(jì)算可考慮長樁作用（建議計(jì)算模型均取短樁直徑，預(yù)留一定的安全余量）。3）基坑中的變形最大值處于短樁范圍，長樁位移與短樁相比較小，但相差甚微。4）可按照短樁樁底以上0.1m的基坑深度，用常規(guī)的計(jì)算方法計(jì)算分析短樁的受力和基坑變形。5）基坑采用與長樁相同直徑的短樁，在位移和內(nèi)力分配上基本呈均勻分布規(guī)律，對減少基坑變形有一定作用，但收效甚微。6）長樁與短樁背后均可產(chǎn)生明顯的土拱效應(yīng)，地層應(yīng)力主要由支撐所在位置的圍護(hù)樁承擔(dān)，與圍護(hù)樁長度、直徑關(guān)系不大。7）長短樁基坑內(nèi)支撐設(shè)計(jì)可不受長樁、短樁位置的限制，對鋼圍檁受力影響不大。8）長短樁基坑鋼圍檁計(jì)算分析仍可采用常規(guī)的均布荷載計(jì)算方法進(jìn)行一維計(jì)算分析，且安全度較高。因此，結(jié)合徐州地鐵巖石基坑的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)、工程水文地質(zhì)條件和基坑周邊環(huán)境，新型“長短樁”圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式可用于半土半巖（上軟下硬）、全巖等巖石基坑的車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可節(jié)約工程造價(jià)、減少施工難度、節(jié)省工期、提高基坑安全度，對類似工程具有借鑒意義。

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