深厚砂層中衡重式雙排樁深基坑支護設計實例

于 亮 程振宇 李 力

(深圳市大升高科技工程有限公司)

1 工程概況

坪山第二實驗學校項目位于深圳市坪山區坪山街道竹青路草埔小區東北約300m 處，場地北側緊鄰竹青路，南側為農田，西側為盈典實業有限公司廠區，東側為正在建設中的綠蔭路。場地現狀為荒廢的農田。擬建教科研培訓中心、多層教學樓、體藝科技綜合樓、行政樓、培訓教室等。場地±0.00 標高為絕對標高34.50m，場地西側為兩層地下室，開挖深度為8.9m（局部電梯井基坑深12.2m）；場地東側為一層地下室，開挖深度為4.4m～6.2m。基坑開挖面積約26710m2，周長約664m。

圖1 基坑平面布置俯瞰圖

2 地質和水文地質條件

場地原始地貌為沖洪積平原，后經人工挖填后較為平坦開闊，場地現狀為荒廢的農田。本基坑開挖主要涉及土層為素填土層和粉質粘土、含礫粉質粘土及礫砂層等，大部分為強透水層，地下水非常豐富。地下水地下水位埋深埋深介于0.70m～5.10m，高程介于27.79m～33.24m，平均高程為30.57m。孔隙水主要賦存于第四系人工填土層、礫砂層中。砂層中的孔隙水具微承壓性。

地層自上而下依次為：

⑴雜填土：褐紅、褐黃、灰褐色，稍濕，松散～稍密，主要由粘性土堆填而成。層厚0.50m～2.60m，平均厚度1.28m。

⑵粉質粘土：褐紅、褐黃、灰褐色，濕，可塑～硬塑。層厚0.50m～17.70m，平均厚度5.40m。

⑶礫砂：淺黃、灰白、灰褐色等，飽和，稍密為主，局部中密，級配良好。層厚0.60m～18.60m，平均厚度6.40m。

⑷含礫粉質粘土：褐黃、灰黑、灰褐色，濕，可塑～硬塑。層厚2.00m～35.50m，平均厚度12.56m。

⑸含碎石粉質粘土：黑、灰黑、灰褐色，主要成分為粉質黏土，稍濕～濕，硬塑狀態。層厚5.10～43.00m，平均厚度19.05m。以下為微風化巖。

根據場地勘察報告，選取基坑典型的地層分布工況，表1 給出了在基坑開挖影響深度范圍內地層的主要巖土物理力學參數。

表1 土層物理力學參數

3 基坑設計方案

3.1 支護選型

基坑支護設計選型條件如下：①基坑周邊2 倍深度范圍內無重要建筑物、管線等，基坑變形限值可適當放寬；②學校項目工期進度要求緊，支護設計結構選型考慮不干擾地下室外墻施工和基坑土方開挖；③項目跨度大，分東、西兩塊分期出地面，基坑支護選型不宜采用內支撐結構；④強透水層很厚，普遍在6m 以上，基坑設計必須考慮較好的止水帷幕；⑤砂層具有承壓特性，錨索在深厚砂層中容易出現涌水、涌砂等問題，排除錨索方案。⑥本基坑深度約9m，懸臂樁無法滿足基坑安全穩定性要求。

綜上所述，基于國標基坑規范[1]表3.3.2 中所列常用基坑支護形式無法同時滿足上述條件，本項目支護設計方案引入了衡重式雙排樁結構。

3.2 設計方案

錨索、土釘等傳統基坑支護形式對地下空間及對周邊環境影響極大，在深厚砂層中容易出現涌水、涌砂現象，基坑開挖施工過程風險性較大。劉國楠等[2]首次提出了衡重式雙排樁結構，該結構由上部L 型，基形衡重臺(冠梁、連梁、水平連接板、側擋土板)和下部雙排樁組成見圖2。

圖2 衡重式雙排樁支護結構示意圖

L 形衡重臺下雙排樁前后排距為3.6m，前排樁為咬合樁(素樁和葷樁咬合形成)，主要起擋土作用兼做止水帷幕，直徑1.0m，鋼筋樁間距1.6m；后排樁采用旋挖灌注樁，直徑1.0m，布置間距3.2m。基坑開挖深度約9.0m，前排樁嵌固深度為13.0m，后排樁嵌固深度為11.0m（見圖3）。

4 有限元數值分析

4.1 模型建立

圖3 衡重式雙排樁支護典型剖面

本文采用有限元分析軟件MIDAS GTS-NX 簡化并選取關鍵施工階段建模分析，主要建模原則及基本假設如下：

⑴土層采用修正摩爾-庫倫模型，各土層假定為各向同性理想彈塑性體，基坑圍護樁、冠梁、連梁、擋板等均假設為線彈性體。

⑵土層采用三維實體單元模擬，采用二維板單元模擬基坑的圍護結構，采用一維梁單元模擬基坑的冠梁、連梁等（見圖3）。土體采用四面體網格劃分單元。

⑶基坑的止水帷幕采用滲透系數為0 的界面單元模擬。

⑷模型水平尺寸按基坑邊外擴不小于5 倍的基坑深度即45m，豎向地層坑底以下取3 倍基坑深度。

4.2 計算工況

施工順序：放線施工前排咬合樁及后排灌注樁→分段放坡兩側1:1.0（坑外）/1:1.5（坑內）開挖至雙排樁頂設計標高→施工鋼筋混凝土冠梁、連梁和壓板→施工300mm 厚鋼筋混凝土擋板→擋板后回填土壓實密實度不低于0.93→施工排水溝以及安全護欄→基坑分層分段開挖至坑底。

表2 給出了數值分析各模擬工況。

表2 數值分析各模擬工況

4.3 數值分析計算模型

衡重式雙排樁結構結合了雙排樁和衡重式樁板墻結構兩者的受力特性，參考胡榮華等[3-5]對衡重式樁板墻和顧問天等[6]對衡重式雙排樁的研究成果，其計算基坑側壁主動土壓力分布采用土壓力分配法，本文采用衡重式雙排樁設計計算模型如圖4 所示。

4.4 數值分析計算結果

三維計算模型網格及邊界條件如圖5 所示。圖6 和圖7 分別給出了數值分析計算水平位移云圖和豎向位移云圖。

圖4 衡重式雙排樁設計計算模型

圖5 三維計算模型網格及邊界條件

圖6 水平位移云圖(最大值18.3mm)

圖7 豎向位移云圖(最大值30.4mm)

5 基坑變形監測

5.1 監測方案

基坑主要監測項目：坡頂水平位移、坡頂沉降、地下水位，樁身深層水平位移。基坑監測布置方案見圖8 所示。

5.2 監測數據分析

本項目共設置了13 組深層水平位移監測點（圖10給出了#7 點、#8 點、#9 點的數據），前后排樁樁身水平位移變形趨勢基本一致，呈現“傾覆式”橫向側移。#7 點的樁身最大水平位移為19.28mm，其余點位的樁身最大水平位移均介于7.99～19.28mm。結合現場條件分析，#7 點測點變形較大原因是：施工單位在坑邊5.0～10.0m 范圍設置了約50t 的鋼筋加工棚，約增加了78.5kPa 附加荷載。

圖8 基坑監測布置方案

圖9 基坑監測現場圖

圖10 支護樁各監測斷面樁身側移隨深度關系曲線

圖11 和圖12 分別給出了坑頂豎向沉降、水平位移監測結果隨時間變化曲線圖，180d 時基坑挖至坑底后，坑頂水平側向變形和豎向沉降基本無明顯變化。

圖11 坑頂豎向位移隨時間變化關系曲線

圖12 坑頂水平位移隨時間變化關系曲線

5.3 對比數據分析

有限元數值分析與實際基坑監測樁身深層水平位移結果對比如圖13 所示。

圖13 樁身橫向變形隨深度變化曲線

從圖13 樁身橫向變形隨深度變化曲線對比結果可知：

⑴有限元數值分析所得支護樁身橫向變形分布規律與實測結果變化趨勢基本一致，水平變形曲線呈現為傾覆式。

⑵有限元數值分析結果前后排樁的側移量均大于實測數據。

⑶有限元數值分析結果與實測值的樁頂位移差距較小，樁端差異較大，其主要原因與數值分析采用的土層變形模量取值有關。

6 結論

⑴有限元數值分析所得支護樁身橫向變形分布規律與實測結果變化趨勢基本一致，水平變形曲線呈現為傾覆式。

⑵衡重式雙排樁作為一種新型支護結構可用于在深度9m 的深基坑，無需額外其他支錨結構即可滿足基坑安全性要求，便利于土方開挖。

⑶衡重式雙排樁在深度為9m 的基坑可以滿足一級基坑水平變形30mm 規定的限值，適用于周邊環境復雜、變形環境對變形較敏感，對于更深的基坑設計可以另結合其他支護型式。