深厚砂層中衡重式雙排樁深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)實(shí)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(shí)驗(yàn)學(xué)校項(xiàng)目位于深圳市坪山區(qū)坪山街道竹青路草埔小區(qū)東北約300m 處，場(chǎng)地北側(cè)緊鄰竹青路，南側(cè)為農(nóng)田，西側(cè)為盈典實(shí)業(yè)有限公司廠區(qū)，東側(cè)為正在建設(shè)中的綠蔭路。場(chǎng)地現(xiàn)狀為荒廢的農(nóng)田。擬建教科研培訓(xùn)中心、多層教學(xué)樓、體藝科技綜合樓、行政樓、培訓(xùn)教室等。場(chǎng)地±0.00 標(biāo)高為絕對(duì)標(biāo)高34.50m，場(chǎng)地西側(cè)為兩層地下室，開(kāi)挖深度為8.9m（局部電梯井基坑深12.2m）；場(chǎng)地東側(cè)為一層地下室，開(kāi)挖深度為4.4m～6.2m。基坑開(kāi)挖面積約26710m2，周長(zhǎng)約664m。

圖1 基坑平面布置俯瞰圖

2 地質(zhì)和水文地質(zhì)條件

場(chǎng)地原始地貌為沖洪積平原，后經(jīng)人工挖填后較為平坦開(kāi)闊，場(chǎng)地現(xiàn)狀為荒廢的農(nóng)田。本基坑開(kāi)挖主要涉及土層為素填土層和粉質(zhì)粘土、含礫粉質(zhì)粘土及礫砂層等，大部分為強(qiáng)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(zhì)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(jí)配良好。層厚0.60m～18.60m，平均厚度6.40m。

⑷含礫粉質(zhì)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(zhì)粘土：黑、灰黑、灰褐色，主要成分為粉質(zhì)黏土，稍濕～濕，硬塑狀態(tài)。層厚5.10～43.00m，平均厚度19.05m。以下為微風(fēng)化巖。

根據(jù)場(chǎng)地勘察報(bào)告，選取基坑典型的地層分布工況，表1 給出了在基坑開(kāi)挖影響深度范圍內(nèi)地層的主要巖土物理力學(xué)參數(shù)。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

3 基坑設(shè)計(jì)方案

3.1 支護(hù)選型

基坑支護(hù)設(shè)計(jì)選型條件如下：①基坑周邊2 倍深度范圍內(nèi)無(wú)重要建筑物、管線等，基坑變形限值可適當(dāng)放寬；②學(xué)校項(xiàng)目工期進(jìn)度要求緊，支護(hù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)選型考慮不干擾地下室外墻施工和基坑土方開(kāi)挖；③項(xiàng)目跨度大，分東、西兩塊分期出地面，基坑支護(hù)選型不宜采用內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)；④強(qiáng)透水層很厚，普遍在6m 以上，基坑設(shè)計(jì)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(xiàn)涌水、涌砂等問(wèn)題，排除錨索方案。⑥本基坑深度約9m，懸臂樁無(wú)法滿(mǎn)足基坑安全穩(wěn)定性要求。

綜上所述，基于國(guó)標(biāo)基坑規(guī)范[1]表3.3.2 中所列常用基坑支護(hù)形式無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足上述條件，本項(xiàng)目支護(hù)設(shè)計(jì)方案引入了衡重式雙排樁結(jié)構(gòu)。

3.2 設(shè)計(jì)方案

錨索、土釘?shù)葌鹘y(tǒng)基坑支護(hù)形式對(duì)地下空間及對(duì)周邊環(huán)境影響極大，在深厚砂層中容易出現(xiàn)涌水、涌砂現(xiàn)象，基坑開(kāi)挖施工過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)性較大。劉國(guó)楠等[2]首次提出了衡重式雙排樁結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由上部L 型，基形衡重臺(tái)(冠梁、連梁、水平連接板、側(cè)擋土板)和下部雙排樁組成見(jiàn)圖2。

圖2 衡重式雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

L 形衡重臺(tái)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(kāi)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(jiàn)圖3）。

4 有限元數(shù)值分析

4.1 模型建立

圖3 衡重式雙排樁支護(hù)典型剖面

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

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

⑵土層采用三維實(shí)體單元模擬，采用二維板單元模擬基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，采用一維梁?jiǎn)卧M基坑的冠梁、連梁等（見(jiàn)圖3）。土體采用四面體網(wǎng)格劃分單元。

⑶基坑的止水帷幕采用滲透系數(shù)為0 的界面單元模擬。

⑷模型水平尺寸按基坑邊外擴(kuò)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(jì)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(cè)1:1.0（坑外）/1:1.5（坑內(nèi)）開(kāi)挖至雙排樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)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(shí)密實(shí)度不低于0.93→施工排水溝以及安全護(hù)欄→基坑分層分段開(kāi)挖至坑底。

表2 給出了數(shù)值分析各模擬工況。

表2 數(shù)值分析各模擬工況

4.3 數(shù)值分析計(jì)算模型

衡重式雙排樁結(jié)構(gòu)結(jié)合了雙排樁和衡重式樁板墻結(jié)構(gòu)兩者的受力特性，參考胡榮華等[3-5]對(duì)衡重式樁板墻和顧問(wèn)天等[6]對(duì)衡重式雙排樁的研究成果，其計(jì)算基坑側(cè)壁主動(dòng)土壓力分布采用土壓力分配法，本文采用衡重式雙排樁設(shè)計(jì)計(jì)算模型如圖4 所示。

4.4 數(shù)值分析計(jì)算結(jié)果

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

圖4 衡重式雙排樁設(shè)計(jì)計(jì)算模型

圖5 三維計(jì)算模型網(wǎng)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(jiān)測(cè)

5.1 監(jiān)測(cè)方案

基坑主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)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(jiān)測(cè)布置方案見(jiàn)圖8 所示。

5.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

本項(xiàng)目共設(shè)置了13 組深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)（圖10給出了#7 點(diǎn)、#8 點(diǎn)、#9 點(diǎn)的數(shù)據(jù)），前后排樁樁身水平位移變形趨勢(shì)基本一致，呈現(xiàn)“傾覆式”橫向側(cè)移。#7 點(diǎn)的樁身最大水平位移為19.28mm，其余點(diǎn)位的樁身最大水平位移均介于7.99～19.28mm。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件分析，#7 點(diǎn)測(cè)點(diǎn)變形較大原因是：施工單位在坑邊5.0～10.0m 范圍設(shè)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(jiān)測(cè)布置方案

圖9 基坑監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)圖

圖10 支護(hù)樁各監(jiān)測(cè)斷面樁身側(cè)移隨深度關(guān)系曲線

圖11 和圖12 分別給出了坑頂豎向沉降、水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果隨時(shí)間變化曲線圖，180d 時(shí)基坑挖至坑底后，坑頂水平側(cè)向變形和豎向沉降基本無(wú)明顯變化。

圖11 坑頂豎向位移隨時(shí)間變化關(guān)系曲線

圖12 坑頂水平位移隨時(shí)間變化關(guān)系曲線

5.3 對(duì)比數(shù)據(jù)分析

有限元數(shù)值分析與實(shí)際基坑監(jiān)測(cè)樁身深層水平位移結(jié)果對(duì)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(duì)比結(jié)果可知：

⑴有限元數(shù)值分析所得支護(hù)樁身橫向變形分布規(guī)律與實(shí)測(cè)結(jié)果變化趨勢(shì)基本一致，水平變形曲線呈現(xiàn)為傾覆式。

⑵有限元數(shù)值分析結(jié)果前后排樁的側(cè)移量均大于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

⑶有限元數(shù)值分析結(jié)果與實(shí)測(cè)值的樁頂位移差距較小，樁端差異較大，其主要原因與數(shù)值分析采用的土層變形模量取值有關(guān)。

6 結(jié)論

⑴有限元數(shù)值分析所得支護(hù)樁身橫向變形分布規(guī)律與實(shí)測(cè)結(jié)果變化趨勢(shì)基本一致，水平變形曲線呈現(xiàn)為傾覆式。

⑵衡重式雙排樁作為一種新型支護(hù)結(jié)構(gòu)可用于在深度9m 的深基坑，無(wú)需額外其他支錨結(jié)構(gòu)即可滿(mǎn)足基坑安全性要求，便利于土方開(kāi)挖。

⑶衡重式雙排樁在深度為9m 的基坑可以滿(mǎn)足一級(jí)基坑水平變形30mm 規(guī)定的限值，適用于周邊環(huán)境復(fù)雜、變形環(huán)境對(duì)變形較敏感，對(duì)于更深的基坑設(shè)計(jì)可以另結(jié)合其他支護(hù)型式。