錨索雙排樁深基坑開挖受力特性研究

王義軍

(成都市勘察測繪研究院，四川 成都 610081)

隨著城市的發展以及城市空間的限制，高層建筑成為現代城市建筑的主體,而高層建筑的深基坑工程也廣泛的出現在城市建設之中。由于城市建筑密集，基坑變形必須控制在一定范圍之內，所以各種新型的支護方法應用于基坑工程之中。由于錨索雙排樁能很好的控制變形[1-2]，所以錨索雙排樁如今被廣泛應用于具有較高變形要求的基坑工程之中。

目前雙排樁的研究主要集中于基坑變形及雙排樁的設計計算，如：王鴻運等[1]結合現場實際監測成果，分析了基坑變形性狀以及對周邊建筑物變形的影響；周應華[2]研究了門架式雙排樁樁身的內力位移分布特征及相應的設計施工技術；馬鄖等[3]基于Winkler 假定提出了雙排樁支護結構計算方法的改進模型；吳剛等[4]考慮了滑移面和排距對作用在前后排樁上的土壓力的影響，在彈性地基梁法的基礎上，提出了一種新的雙排樁支護結構設計計算模型。這些研究為雙排樁的設計計算提供了重要參考依據。

本文通過對錨索雙排樁的受力分析，分析開挖過程中基坑變形特征以及雙排樁的內力變化，為雙排樁在實際工程的應用提供參考。

1 基坑工程背景概況

1.1 工程概括

工程位于成都市。工程設四層地下室，南側局部設一層地下室，主樓采用筏板基礎，裙樓采用柱下獨立基礎，雙排樁支護側基坑周圍建筑物較多，距離基坑10 m有兩棟6層磚砌體結構，采用條形基礎，基礎埋深2.5 m左右，雙排樁處基坑開挖深度為7.85 m(圖1)。

1.2 工程地質概況

場地位于成都市區，場地范圍內采用井點降水，場地降水深度23 m。場地主要土層為卵石土層，土層頂部為粉質黏土和雜填土，地層從上至下依次為：

1)人工填土層：灰色，主要由黏性土組成，混少量植物根系、磚瓦塊等，可塑為主，場地人工填土層分布連續，厚度3.2 m。

圖1 基坑支護樁平面布置圖Fig.1 Foundation pit support pile plane layout

2)粉質黏土：灰、灰黃色。含鐵錳質氧化物，鈣質結核；可塑為主，分布基本連續，厚度3.5 m。

3)細砂：灰、灰黃色。系長石、石英、云母細片、巖屑及暗色礦物等顆粒組成，局部相變為礫砂或中砂，松散，飽和，呈透鏡體狀及層狀分布于卵石土層頂部，大部分地段分布，厚度1.5 m。

4)卵石：灰、灰黃色，卵石成分系巖漿巖及變質巖類巖石組成。多呈圓形～亞圓形。一般粒徑3～6 cm，部分粒徑大于8 cm；上部卵石以弱風化為主，一般25 m以下卵石以中～強風化為主，充填物以中砂為主,混少量礫石，含量約15%～45%，飽和?？蓪⑵鋭澐譃樗缮⒙咽?、稍密卵石、中密卵石和密實卵石4個亞層。卵石層頂板埋深在8.2 m。

表1 地層主要物理力學參數
Tab.1 Main physical and mechanical parameters of the stratum

層號土類名稱層厚/m重度/kN·m-3黏聚力/kPa內摩擦角/(°)1雜填土3.2019.03.0010.002粉質黏土3.5019.520.0010.003細砂1.5019.00.0025.004稍密卵石5.6021.00.0035.005密實卵石5.5023.00.0040.006中密卵石1.0022.00.0038.007中砂0.6020.00.0025.008密實卵石3.7023.00.0040.009中密卵石1.9022.0——

5)中砂：灰、灰黃色，系長石、石英、云母細片、巖屑及暗色礦物等顆粒組成，松散～稍密，飽和，呈透鏡體狀分布于卵石土層中，部分地段中砂混15%～30%的卵石，卵石粒徑2～5 cm。中砂厚度1 m。

2 雙排樁計算模型

雙排樁的計算模型采用的是平面鋼架模型(圖2)。其外荷載為土壓力。前排樁主要承受被動土壓力，后排樁承受主動土壓力，樁間土壓力可按照靜止土壓力計算，但誤差較大;其次樁間土壓力一般采用土壓力分配模型進行計算[5]。雙排樁由于樁間土的作用和“拱效應”影響，前后排樁的排列形式對土壓力分布起關鍵作用。

圖2 雙排樁計算模型Fig.2 Double row pile calculation model

2.1 梅花形布置

由圖3(a)所示，前后排樁均有主動土壓力σa，但是由于樁間土對前后排樁產生土壓力Δσa，則前后排樁的土壓力分別為：

前排樁土壓力:

paf=σa+Δσa

(1)

后排樁土壓力:

pab=σa-Δσa

(2)

Δσa=βσa

(3)

式中：β為比例系數，由式(4)確定。

(4)

式中參數由圖4確定。

(a)梅花形排列 (b)矩形排列圖3 雙排樁不同布樁形式時樁間土壓力的傳遞Fig.3 Transmission of soil pressure between piles in different arrangement of double-row piles

圖4 β計算簡圖Fig.4 β calculation sketch

2.2 矩形布置

由圖3(b)所示主動土壓力作用于后排樁上，樁間土壓力為Δσa，則前后排樁的土壓力分別為：

前排樁土壓力：

paf=Δσa=βσa

(5)

后排樁土壓力:

pab=σa-Δσa

(6)

樁體采用基于彈性地基梁m法的彈性抗力法進行分析，地基模型采用文克爾(E.Winkler)地基模型。

3 基坑開挖錨拉雙排樁受力分析

3.1 梅花形布置

雙排樁前后排間距2.7 m，護壁樁直徑1.20 m，樁長21.85 m，嵌固段深度4.0 m，采用矩形布樁方式。前后排護壁樁樁頂均設一道1.2 m×0.8 m冠梁，連梁尺寸為1.2 m×0.8 m。雙排樁樁心距2.50 m。前排設三排預應力錨索：第一排錨索設置在現場地坪下6.5 m，長20.0 m，預應力為250 kN，錨索為3S15.2鋼絞線;第二排錨索設置在現場地坪下9.0 m，長20.0 m，預應力為350 kN，錨索為4S15.2鋼絞線；第三排錨索設置在現場地坪下11.5 m，長20.0 m，預應力為400 kN，錨索為6S15.2鋼絞線；錨索均設置在樁上。護壁樁樁芯砼強度C30,樁頂冠梁C30，連梁C30。樁間采用φ8@0.20 m×0.20 m鋼筋網與植筋連接，噴砼護壁。噴射砼強度等級C20，厚度80 mm(圖5)。

圖5 錨拉雙排樁設計方案Fig.5 Anchored double-row pile design

3.2 計算結果分析

基坑的施工順序是影響雙排樁受力的重要因素之一，合理安排施工順序是保證工程施工安全的重要前提。此工程的施工順序為：旋挖成孔—澆筑混凝土—澆筑冠梁—開挖基坑—樁間網噴，施工錨索—開挖基坑。

當開挖深度7 m時，土壓力全部由雙排樁承擔。如圖6 所示，前排樁(紅色曲線)和后排樁(藍色曲線)土壓力相對較??；雙排樁受冠梁約束，樁頂位移一致，但樁頂以下位移后排樁位移大于前排樁位移，且由于前后排樁剪力零點位置不同，最大彎矩點不同，且最大彎矩方向相反。在6.5 m處設置第一道錨索，并預加250 kN預應力(圖7)，則雙排樁內力僅剪應力有較大變化，彎矩和土壓力無較大變化，造成此受力特征的原因為，錨索在基坑底部，所以對雙排樁上部內力和土壓力影響較小。

圖6 基坑開挖深度7 m雙排樁內力及土壓力分布Fig.6 Internal force and earth pressure distribution of double-row pile with excavation depth of 7 m

圖7 基坑開挖深度7m加錨索雙排樁內力及土壓力分布Fig.7 Internal force of anchored cable double-row pile and earth pressure distribution of foundation pit with excavation depth of 7m

當開挖深度9.5m 時，如圖8所示，土壓力進一步增大，但前排樁(紅色曲線)在坑底以上為被動土壓力，坑底以下土壓力為較小的主動土壓力，后排樁(藍色曲線)坑底以上為主動土壓力，坑底以下為被動土壓力。此時雙排樁的位移加大，但曲線形狀未變，最大彎矩點和剪力零點位置下移，且最大剪力值、彎矩值和第一道錨索拉力值增大。在基坑底部9 m處設置第二道錨索，并預加350 kN預應力(圖9)，雙排樁內力僅剪力曲線有變化，其它曲線未有較大變化。

圖8 基坑開挖深度9.5 m雙排樁內力及土壓力分布Fig.8 Internal force and earth pressure distribution of double-row pile with the excavation depth of 9.5 m

圖9 基坑開挖深度9.5 m加錨索雙排樁內力及土壓力分布Fig.9 Internal force and earth pressure distribution of anchored cable double-row pile in foundation pit of excavation depth 9.5 m

當開挖深度12 m時，由圖10所示，前排樁被動土壓力最大值達197.8 kN/m，樁后主動土壓力值達到76.05 kN/m。后排樁最大主動土壓力為411.58 kN/m,最大被動土壓力值為148.44 kN/m，前后排樁的土壓力零點下移。由剪力圖和彎矩圖可知，前排樁最大彎矩點下移較多，但后排樁最大彎矩點變化較小。在11.5 m處設置第三道錨索并預加400 kN預應力，位移、彎矩和剪力最大值未有較大變化，但剪力曲線形狀在新設錨索處發生變化。

圖10 基坑開挖深度12 m雙排樁內力及土壓力分布Fig.10 Internal force and earth pressure distribution of double-row pile with excavation depth of 12 m

圖11 基坑開挖深度12 m加錨索雙排樁內力及土壓力分布Fig.11 Internal force and earth pressure distribution of anchored cable double-row pile in foundation pit with excavation depth of 12 m plus

當開挖深度17.85 m時，由圖12所示，前排樁約在14 m以上為主動土壓力，在14 m到坑底為被動土壓力，基坑以下為主動土壓力；基坑開挖到設計深度，前排樁最大位移值為18.54 mm,后排樁最大位移為19.23 mm。最大彎矩點前后排樁位置在15 m處，但方向相反。在坑底前后排樁有方向相反的最大剪力值。

圖12 基坑開挖深度17.85 m雙排樁內力及土壓力分布Fig.12 Internal force and earth pressure distribution of double-row pile with excavation depth of 17.85 m

4 結論

通過對實際深基坑錨索雙排樁支護計算結果的分析，可以得到如下幾點結論:

1)錨索只對雙排樁的剪力分布有較大影響，對彎矩分布、最大彎矩位移的影響較小。

2)受冠梁的約束，前后排樁頂部位移相同，但樁頂以下前排樁的位移小于后排樁的位移。

3)前排樁基坑開挖面以上因為前排樁位移小于后排樁，土壓力為被動土壓力，在基坑開挖面以下土壓力為主動土壓力。

4)后排樁基坑開挖面以上為主動土壓力，在基坑開挖面以下土壓力主要為被動土壓力。