軟土深基坑中雙排樁臨時支護與永久結構結合的應用與探討

聶耳清

(廣東省水利電力勘測設計研究院,廣東 廣州 510635)

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軟土深基坑中雙排樁臨時支護與永久結構結合的應用與探討

聶耳清

(廣東省水利電力勘測設計研究院,廣東 廣州 510635)

水利工程施工中,由于周邊建筑物影響,沒有場地條件進行自然放坡開挖需要臨時支護結構來形成基坑,基坑的臨時支護,一般在主體工程完工后,就已完成其功能使命,失去效用。該文以廣東某深厚軟基水閘工程為例,施工期利用雙排樁進行水閘基坑支護,運行期繼續作為上下游連接段翼墻的基礎部分發揮效用,探討雙排樁臨時支護與永久結構相結合的應用經驗。實踐證明,計算模型結果與實測結果較接近,對類似工程有一定的參考價值。

軟土深基坑；雙排樁支護；臨時支護與永久結構結合

1 概述

雙排樁支護結構是深基坑支護中常用的一種支護形式,它是由前、后排兩排平行的鋼筋混凝土樁及樁頂的冠梁及連梁組成的框架式空間結構[1]。水閘工程中,需要的施工空間較大,雙排樁支護結構由于不需要架設內支撐,方便水閘的施工及基坑的形成。雙排樁具有較大的側向抗彎剛度,能有效的限制側向變形,適用對于周邊有密集建筑物的場地。一些學者已經對雙排樁的作用機理做過很多的研究和總結,其中多數是將雙排樁支護結構簡化成平面計算橫型,不同的是在模擬樁土間作用、樁底約束及前后排樁土壓力計算上不同。有學者[2]對各種計算模型作過總結,認為采用土彈簧來模擬前后排樁間土作用,前排樁基基坑底面以下采用土彈簧來提供抗力[3],彈簧剛度系數根據m法來求,后排樁受到主動土壓力的計算模型較為合理。廣東某已建成水閘工程施工期采用雙排樁進行基坑支護,并利用雙排樁支護結構作為翼墻的基礎,繼續發揮效用,本文通過上述模型對雙排樁支護結構及永久的翼墻結構進行模擬分析,并與實測結果進行對比分析。

2 計算模型

本文的計算模型是基于Winkler假定而提出的一種計算方法。雙排樁支護采用門式框架桿系模型進行,排樁之間土體的作用以土彈簧模擬,彈簧系數K=Es/H(Es為土體的壓縮模量,H為樁間土土層厚度)[4]。前排樁入土段亦采用土彈簧進行模擬,彈簧系數根據m法進行計算。本模型假定主動土壓力全部作用于后排樁上,土壓力通過前后排樁間的土彈簧進行傳遞。該模型,設置土彈簧模擬土體與前后排樁的相互作用,避免了人為分配前后排樁的土壓力荷載,與現行《建筑基坑支護技術規范》(JGJ 120—2012)推薦的計算方法基本一致。

圖1 雙排樁計算模型示意

采用ANSYS對雙排樁支護結構進行模擬計算,土彈簧采用COMBIN 14單元模擬,灌注樁采用BEAM 18單元模擬。

3 工程概況

廣東省某水閘,1孔,單孔凈寬60 m,采用升臥式翻板閘門,由于閘門開啟時臥于閘底板上,底板厚度較大,基坑開挖深度較大,緊臨水閘右岸有一廠房,需要進行基坑支護,基坑深度達13.5 m。該水閘工程地質情況復雜,淤泥層厚,呈流塑狀,含水量高。場地地基土分布及物理力學指標見表1。

表1 地層結構及土的物理力學性質指標

4 基坑支護方案

據勘察資料,淤泥含水量達到72.9%,高壓縮性,呈流塑狀,天然承載力40～70 kPa,承載力低。

本工程基坑底高程為-11.5 m,路面高程為2.0 m,基坑深度達到13.5 m。路面距基坑有一定距離,自然坡度為1∶5,自然坡到基坑邊的高程為-3.0 m,基坑垂直開挖高度達到8.5 m。由于基坑深度較大,且地質條件較差,為深厚淤泥層,采用常規的鋼板樁支護、單排鋼性樁支護難以承受如此大的水平側向土地壓力,同時基坑為非封閉的開放式基坑,沒用條件采用排樁加支撐的支護方式,故考慮采用雙樁樁進行支護方案。

施工期采用雙排灌注樁對基坑進行支護,并對雙排樁樁間淤泥采用攪拌樁進行加固,置換率達到25%；主體工程完成后,利該雙排支護結構作為基礎新建擋土墻。施工期支護斷面及擋土墻結構斷面詳見圖2和圖3。

5 計算分析

5.1 計算參數取值

模型中淤泥層的取值直接影響到計算結果。

淤泥層入土段彈簧系數根據m法計算,m值根據《建筑基坑支護技術規范》(JGJ 120—2012)公式4.1.6式計算得淤泥層m值為0.62 MN/m4；前后排樁樁間淤泥采用攪拌樁進行加固,置換率為25%,攪拌樁樁體Es=100fcu=32 MPa,按百分占比計算得加固后土體Es=8.91 MPa。

圖2 施工期支護結構斷面

圖3 完工后擋土墻結構斷面

5.2 樁徑選擇

深基坑鉆孔灌注支護中,常用的樁徑有1.0 m和1.2 m樁徑。本文選取該兩種樁徑進行比選。考慮前后兩排均采用密排布置進行模擬分析,計算工況選取施工期支護工況。水平位移及內力計算結果見圖4和圖5。由結果云圖可知,1 m樁徑的最大水平位移為64.4 mm,樁體最大變矩為1 960 kN·m；1.2 m樁徑的最大水平位移為48.1 mm,樁體最大變矩為2 580 kN·m。1 m樁徑的水平位移較大,由于樁徑較小,計算出的最大彎矩值較小。雖然相對1.2 m樁徑,1.0 m樁徑的工程投資較優,但考慮到基坑周邊有廠房,64.4 mm的位移偏大,為安全起見,選取1.2 m樁徑。

5.3 樁間矩選擇及排間選擇

1) 樁距分析

由于本工程淤泥為流塑狀,為防止淤泥從樁間流出,前排樁采用密排布置,后排樁間距選取密排布置,2d(樁徑)及3d(樁徑)3種方案進行分析。比選工況選取施工期支護工況。后排樁密排布置計算結果見圖6和圖7；計算結果對比見表2。

表2 后排樁不同樁距計算結果對比

圖4 1 m樁徑位移云圖

圖5 1 m樁徑彎矩云圖

圖6 1.2 m樁徑位移云圖

圖7 1.2 m樁徑彎矩云圖

由表2可知,2d樁距及3d樁距整體位移過大,且后排樁彎矩較大,經比選,選擇水平位移較小密排布置方案。

2) 排距選擇

排距選擇,已有不少學者做過研究,本文不在進行比選,樁距選擇采用參考文獻4中的建議值,取5d(樁徑)[1]。

6 計算結果

根據上述分析成果,施工期采用雙排灌注樁支護樁徑為1.2 m,前后排樁均采用密排布置,排距為 6 m；支護樁施工完成后,先澆筑擋墻底板作為前后排樁的連系結構,等基坑內主體結構完工回填完成后,澆筑擋墻面板并填土至設計高程。擋墻底板頂高程為-3.0 m,擋墻墻頂高程為1.0 m,墻高為4 m。結構斷面見圖2和圖3。

本文采用ANSYS軟件建模進行支護結構的內力及位移計算。施工期支護計算結果見圖6和圖7；完工后擋墻結構計算結果見圖8和圖9。

計算結果統計表見表3。施工期水平位移與完工后水平位移相差不大,均小50 mm,樁身彎矩略有變小。兩種工況計算結果均滿足設計要求。

圖8 完工后位移云圖

圖9 完工后彎矩云圖

表3 各工況計算成果

7 實測結果

施工開挖過程中,在前后樁各布置一個測斜管觀測樁體水位位移,由于觀測費用有限,沒有對樁體的內力進行觀測。觀測結果見圖10和圖11(注：圖中每條每條曲線代表一個觀測日期的數據)。

圖10 前排樁測斜孔實測值

圖11 后排樁測斜孔實測值

擋墻填土至設計高程后,對擋墻墻頂位移進行觀測,墻頂水平位移基本穩定在38.9 mm附近。計算結果與實測結果見表4。實測水平位移曲線與計算位移曲線走勢基本一致,最大水平位移計算值均比實測值大了10 mm左右,計算精度滿足設計要求,表明本次選取的計算模型對實際情況模擬度較好。

表4 計算結果與實測結果對比

8 結論與建議

本文通過對雙排支護樁樁徑及樁距的選取進行了對比分析,對雙樁排臨時支護與永久結構結合結構進行計算并與實測結果對比分析,主要結論與建議如下：

1) 本文選取的計算模型以土彈簧模擬樁間土的作用是合理的,對實際情況模擬滿足工程精度要求。

2) 本工程淤泥為流塑狀,含水量高,敏感性高,施工時應盡量減少對該土層的擾動,本文采用雙排樁進行支護,有效減少了對淤泥的開挖和擾動,永久擋墻對臨時支護進行了有效的利用。工程建成后,永久擋墻運行穩定良好,為相關類似工程積累了一定經驗。

3) 增加樁徑,能在一定程度上減少結構的整體水平位移,但會較大幅度的提高工程投資,在選取樁徑時應綜合考慮安全與經濟的最大化,必要時對前后排樁選取不同樁徑進行比選。

4) 對于流塑性淤泥,由于樁間土無法形成土拱效應,建議前排樁密排布置,防止淤泥從樁間空隙流出。

[1] 王昱蘅,董必昌,馮曉臘,等.雙排樁支護結構受力參數影響分析[J].科技導報,2009(14):64-68．

[2] 馬鄖,徐光黎.深基坑雙排樁支護結構計算方法及工程應用[J].人民長江,2012(10):20-23．

[3] 陳小惠.錨桿排樁深基坑圍護工程實踐[J].廣東水利水電,2004(S2):46-47．

[4] 何亞飛,楊敏.雙排樁支護結構的計算模型對比分析[J].低溫建筑技術,2009(9):109-111.

(本文責任編輯 馬克俊)

Application and Discussion of Double-row Piles Temporary Supporting Combined with Permanent Structures in Deep Soft Clay Foundation Pit

NIE Er’qing

(Guangdong Water Power Investigation and Design Institute, Guangzhou 510635, China)

During water conservancy construction, due to the influence of surrounding buildings, there is no condition to form a foundation pit by large-scale excavation, so the temporary supporting structure is used in this case. Usually the temporary supporting structure will lose its function when the main project is completed. Through an engineering case of deep soft clay foundation sluice in Guangdong Province, which supporting the temporary foundation pit by double-row piles structure, and also use the double-row pile structure as the foundation of the upstream and downstream wing wall to explore the application experience of combine with double-row piles temporary support structure and permanent structure. Practice has proved that, the calculation model result closer by the measured result, it has reference value for similar project.

deep soft clay foundation pit； double-row piles supporting；combine with temporary supporting structure and permanent structure

2016-05-16;

2016-06-06

聶耳清(1985),男,碩士,工程師,從事水工結構工程設計工作。

TU471+.8

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1008-0112(2016)06-0018-04