基于樁—彈簧模型蕪申運河城區段三排樁支護受力驗算分析

錢大心　劉文藝

摘 要：蕪申運河蕪湖城區段退建工程采用三排樁支護結構形式，通過本項目實際工程案例，介紹了工程地質條件、支護設計參數和施工流程，并基于樁-彈簧模型對典型斷面（K0+480）樁基受力情況進行驗算分析;分析得到三排樁樁頂水平位移基本一致，達到19.4mm，樁基最大彎矩達到1067.7kNm，樁基最大剪力達到468.4kN，兩者都位于前排樁;樁基最大軸力為652.5kN，位于后排樁;蕪申運河蕪湖段退建工程三排樁支護形式開創先河，為類似工程提供寶貴經驗。

關鍵詞：樁-彈簧模型;三排樁支護;受力驗算;彎矩;剪力

中圖分類號：U615? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）05-0063-02

蕪申運河蕪湖市城區段擴建拓寬工程中，其因周邊高層林立及地質條件較差，為控制周年建筑位移，工程支護結構采用多排樁支護形式;我國對多排樁圍護結構的研究起始于20世紀90年代初，目前主要集中于基坑工程中雙排樁的受力機理與設計計算方法研究，國內雙排樁支護結構尚未有成熟可靠的設計方法，受力機理、邊界條件與計算方法等缺少系統的研究[1-2]。三排樁的研究成果則幾乎空白，設計并無規范可依，在邊坡工程中僅有少數的應用與研究，其工作機理、樁-土相互作用規律以及滑坡推力分配等問題研究結果仍不太豐富，設計計算仍處于半理論半經驗階段[3-4]。

1 工程概況

蕪申運河原稱蕪太運河，古稱胥河，是溝通長江、水陽江、青弋江與太湖的人工運河，位于長江三角洲河網地區，橫跨安徽、江蘇、上海兩省一市，全長296公里。蕪申運河蕪湖市城區段自青弋江入江口至袁澤橋，長約4.3公里。

（1）水文地質條件。蕪申運河蕪湖段設計最高通航水位：清弋江入江口～大礱坊9.6m（城市防洪要求）、清水10.89m（20年一遇）;設計最低通航水位（98%保證率）：清弋江入江口1.39m、大礱坊1.46m、清水1.69m。

（2）地形地貌。蕪申運河青弋江口～荊山河口段航道位于長江下游南岸的平原地帶，大部分為地形平坦開闊、河渠交錯的平原圩區，主要有蕪當聯圩、麻風圩（城南圩）、荊山圩;另有少量微丘分布，主要有荊山。圩內地面高程一般在5.0～10.0m，地勢基本上呈東低西高趨勢。

（3）工程地質。①1層雜填土（Q4ml）：雜色，主要由碎磚、碎砼、碎石混灰土等組成，結構復雜，松密程度不等。①2層素填土（Q4ml）：黃灰、黃色，主要由可塑粘性土組成，局部含少量碎磚、碎石。②層重粉質壤土（Q4al）：黃褐、黃灰色，可塑～軟塑狀態，含少量鐵錳氧化物，局部夾、間粉砂、細砂。③層淤泥質重粉質壤土（Q4al）：深灰、灰黑色，流塑狀態，有腥臭味。④層重粉質壤土（Q4al）：灰綠、灰色，軟塑～可塑狀態。為軟土和硬土的過渡層。⑤1層粉質粘土（Q4al）：黃灰、灰黃、褐黃等色，硬塑，局部堅硬、可塑狀態，含鐵、錳結核，夾重粉質壤土。⑤2層重粉質壤土（Q4al）：黃灰、褐黃、黃等色，硬塑～堅硬狀態，含有鐵、錳結核。⑥層重粉質壤土夾中粉質壤土（Q4al）：灰、深灰色，可塑，局部軟塑，夾多層砂壤土、薄層粉砂、細砂。⑦層粉質粘土（Q3al）：黃褐色，硬塑，局部可塑，夾重粉質壤土，局部含礫石，礫石含量隨深度增加而增大，為巖石風化殘積土。

（4）斷面選取。選取依托工程典型的K0+480斷面（B區段）作為研究分析斷面，計算斷面施工現場環境如圖1所示。

2 設計及施工方案

樁基礎設計與布置如圖2，前排樁采用φ1200@1500鉆孔灌注樁，中后排樁采用φ1200@2400鉆孔灌注樁，樁長均為28.8m，持力層為中風化安山質角礫巖，鋼筋混凝土底板厚1500mm;灌注樁樁間以及岸坡采用φ600水泥攪拌樁框格型布置;所有圍護結構均采用C30混凝土。

三排樁結構施工方案如圖3，防洪墻退建工程施工步驟：①新防洪墻鉆孔灌注樁及樁間水泥攪拌樁施工;②新防洪墻底板及墻身施工;③原防洪墻拆除及樁前岸坡從地表10.60m高程開挖至高程7.0m處;④岸坡開挖至高程5.5m處;⑤岸坡開挖至高程4.0m處;⑥灌注樁掛板施工及樁前水泥攪拌樁施工;⑦岸坡開挖至高程2.5m處;⑧岸坡開挖至河底高程-1.8m處;⑨護坡施工及岸坡壓腳施工;⑩擋水圍堰挖除。

由于三排樁支護結構設計無規范可循，缺乏工程實踐經驗，方案設計與結構抗傾覆驗算時，暫未能考慮中間一排樁的有利作用。設置三排樁實際上縮短了排樁的間距，增強了三排樁結構整體剛度與空間組合效應，同時影響了樁間土拱效應，理論上相對于雙排樁結構能更好地阻止樁間土流失發生繞樁破壞。

3 樁-彈簧計算模型及分析

3.1 計算模型

荷載結構法是我國目前廣為采用的地下結構設計方法，計算時先按地層分類法或由實用公式確定地層壓力，保證襯砌結構能安全可靠地承受地層壓力等荷載的作用下，按彈性地基上結構物的計算方法計算襯砌的內力，并進行結構截面設計[5]。三排樁看作彈性地基上的剛架結構，開挖引起的不平衡土壓力作用在三排樁結構上。具體土層參數如表1。

計算時考慮4.0m以下邊坡自身穩定，考慮墻前三角形坡土體對抗滑樁的有利作用高度為1/3坡高。簡化后，深基坑深度取10.6-（-1.80）-1/3×（4.0+1.80）=10.5m。

按三排樁計算，樁頂標高為地面下2.6m，樁長28m，入土深度20.1m。前排樁徑1.2m，樁間距1.49m;后兩排樁徑1.2m，間距2.4m;連梁厚度1.5m。前中排樁間距4m，中后排樁間距3.8m。彈性模量均按照C30混凝土計算（E=30000MPa），按樁土間的面積計算樁的等效剛度。坑外水位按地面下2m計算，坑內水位按坑底計算，按后排樁外地面超載10kPa計算。

3.2計算結果

通過同濟大學曙光分析軟件計算可得每排樁內力計算結果如表2：

3.3監測分析

現場監測結果顯示：①隨著開挖進行，新防洪墻灌注樁測斜累計值逐漸增加，防洪墻樁基變形明顯受到岸坡土方卸載施工影響，且越接近坡底土方卸載施工步對樁基傾斜影響越大，尤其是從高程2.5m卸載至高程-1.8m的施工步;②土方卸載至坡底-1.8m時，新防洪墻灌注樁累計最大位移達到9.53mm，經過多次監測，數據已趨于穩定，在規范允許值范圍以內，表明圍護方案可靠，并且比較經濟合理。

4 主要結論

基于樁-彈簧模型對蕪申運河蕪湖城區退建工程三排樁支護結構受力驗算，得出如下主要結論：

（1）基于樁-彈簧模型三排樁支護形式受力分析可知，三排樁樁頂水平位移一致，可達到19.4mm，樁頂連梁剛度較大，可保證樁基頂部變形位移協調。

（2）三排樁支護形式中，前排樁所受彎矩最大值可達到1067.7kN×m，前排樁剪力最大值達到468.4kN，軸力最大位于中排樁，可達652.5kN。

（3）測斜監測數據顯示，隨著開挖深度增加，測斜數值不斷增加，三排樁最終樁頂水位位移可達到9.53mm，在規范允許值范圍以內，圍護方案可靠。

（4）采用樁-彈簧模型可為河道邊坡卸載設計與施工提供有益的參考，為后續的類似工程積累經驗、提供參考。