坑內預留土反壓對抗滑樁的影響分析

陳修和 ，董閣 ，汪東林

（1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.公路交通節能與環保技術及裝備交通運輸行業研發中心，安徽 合肥 230088 ；3.安徽建筑大學，安徽 合肥 230601）

基坑土體開挖過程中，可分層、分段、分區域分步開挖，通常先挖除基坑中部的土方，后逐步開挖至坑壁。在對坑壁土體開挖過程中，在不影響后續施工空間的前提下，也盡可能地少開挖、晚開挖，預留一部分土體對圍護結構形成反壓，可達到節省內支撐、降低圍護結構的變形、提高施工過程圍護結構安全性的目的。

目前對基坑預留土反壓的計算方法尚不成熟，各類計算方法尚不統一，顏敬等對常用的四類計算方法進行了對比分析；鄭剛等結合天津市一些工程經驗，建立了考慮反壓土影響時，支護結構內力和變形的計算方法，并結合工程實例進行比較分析；劉暢等基于有限元計算分析了反壓土寬度、高度、坡度、放坡級數、面積等截面特征，對支護結構位移和內力的影響規律，結果表明當反壓土高度為0.5～0.6倍基坑開挖高度時效果最佳。這些研究增強了人們對預留土反壓的認識。

基于巖土工程的復雜性，已有的研究結果可能具有一定的適用范圍。如雙排樁與單排懸臂樁存在較大區別，應分開討論。為此，本文基于有限元法，對單排懸臂樁圍護結構的基坑開挖進行了分析，考察了預留土不同參數對排樁變形的影響，以便深入了解基坑工程中預留土反壓的效果，促進其在工程實踐中的應用。

1 有限元計算模型

現針對某一典型基坑工程中的單排懸臂樁進行分析。樁徑為600mm，樁中心距2000mm，樁頂設置冠梁。樁長15.0m，基坑開挖深度6.8m。通過施工方案優化設計，盡量使圍護結構預留一定的反壓土，以提高基坑的穩定性，計算模型如圖1所示。

圖1 基坑預留反壓土示意圖

根據地勘報告，從上至下各土層可分為①黏土、②粉質黏土、③粉土、④粉土、⑤粉質黏土、⑥粉質黏土，采用Mohr-Coulomb模型對土體進行模擬，土層的計算參數見表1。圖2給出了一種工況的網格劃分情況。

數值計算按平面應變問題考慮，樁等效為板單元，等效后排樁的軸向剛度EA=1.01E7 kN/m，抗彎剛度EI=9.57E4 kN·m/m。挖方工程的計算步驟：原土體自重應力平衡、激活樁單元、分層開挖(殺死開挖面處的土體單元、保留預留土部分)、開挖至底(殺死預留土單元)。

圖2 有限元網格劃分

2 計算結果分析

通過對比計算，得到了預留土高度z、頂寬 b、坡率 z：c 不同取值情況下，土體變形與樁體內力情況。

土層計算參數 表1

2.1 預留土高度z的影響

預留土頂寬b=2.0m、坡率1：1情況下，不同高度z取值情況下土體的水平位移最大值如圖3所示。

z=2.0m時土體水平位移最大值為35.3mm，z=3.6m時土體水平位移最大值為9.2mm。可見，預留土高度越大，土體的水平位移越小，預留土高度的增加對減小土體水平位移效果明顯。但預留土高度越大，其寬度也越大，占地越多，基坑開挖可能無足夠的空間提供給預留土。故預留土的高度應根據實際空間關系選擇合理的高度。

圖3 預留土高度對土體水平位移最大值的影響

計算還表明，不設置預留土(z=0.0m)即基坑開挖至底時，土體水平位移最大值為89.6 mm。可見，設置一定高度的預留土，能大大減小土體的水平位移，提高了施工過程中基坑的安全性，故施工過程中盡可能地預留一定的土體對圍護結構進行反壓。

樁身范圍內的水平位移分布如圖4所示，可見，預留土頂寬b=1.5m、坡率1：1、高度z=3.6m時抗滑樁水平位移最大值為11.75mm，開挖至底(即無預留土)時樁體水平位移最大值為85.5mm。懸臂抗滑樁的最大水平位移發生在樁頂處，設置預留土對減小樁體水平位移具有較大作用。

圖4 排樁沿深度范圍的水平位移分布

預留土頂寬b=2.0m、坡率1：1情況下，不同高度z取值情況下圍護樁的彎矩最大值如圖5所示。z=2.0m時抗滑樁彎矩最大值為92.2 kN·m/m，z=3.6m 時抗滑樁彎矩最大值為29.8 kN·m/m。可見，預留土高度越大，抗滑樁的彎矩越小，預留土高度的增加對減小抗滑樁的彎矩效果明顯。抗滑樁的彎矩越小，其水平位移必然越小，這與土體的變形規律是一致的。

圖5 預留土高度對排樁最大彎矩的影響

樁身范圍內的彎矩分布如圖6所示，可見，預留土頂寬b=1.5m、坡率1：1、高度z=3.6m時抗滑樁彎矩最大值為34.8kN·m/m，開挖至底(即無預留土)時樁體彎矩最大值為193.4 kN·m/m，設置預留土對減小樁體彎矩具有較大作用。

2.2 預留土頂寬b的影響

預留土高度z=3.6m、坡率1：1情況下，不同頂寬b取值情況下，土體的水平位移最大值如圖7所示。b=0.0m時土體水平位移最大值為28.6mm，b=4.0m時土體水平位移最大值為5.7mm。可見，預留土頂寬越大，土體的水平位移越小。但預留土頂寬b＞1.5m后，其對減小土體水平位移的作用逐漸降低。且預留土頂寬越大，占地越多，影響坑內的施工作業。故預留土的頂寬應根據實際空間關系選擇合理值。

預留土高度z=3.6m、坡率1：1情況下，不同頂寬b取值情況下圍護樁的彎矩最大值如圖8所示。b=0.0m時抗滑樁彎矩最大值為75.7 kN·m/m，b=4.0m時抗滑樁彎矩最大值為34.6kN·m/m。可見，預留土頂寬越大，抗滑樁的彎矩越小。同樣，預留土頂寬b＞1.5m后，其對減小樁體彎矩的作用逐漸降低。

2.3 預留土坡率的影響

圖6 排樁沿深度范圍的彎矩分布

圖7 預留土頂寬對土體水平位移最大值的影響

圖8 預留土頂寬對排樁最大彎矩的影響

預留土頂寬b=2.0m、高度z=3.0m情況下，不同坡率取值情況下土體水平位移最大值及樁體彎矩最大值見表2所示。可見，預留土坡度越緩，土體水平位移最大值及樁體彎矩最大值均越小。但預留土坡度越緩占地越大，影響坑內的施工作業。故預留土坡率應根據實際空間關系選擇合理值。

預留土坡率的影響分析(b=2.0m,z=3.0m） 表2

特別是預留土邊坡屬于臨時性邊坡，破壞后果不嚴重，根據相關規范，安全等級應屬于三級 (高度一般不超過10.0m)，安全系數應大于1.15。若預留土高度小于5m，硬塑黏性土坡率不小于1：1；若預留土高度大于5m，硬塑黏性土坡率不小于1：1.25。即預留土邊坡設計過程中，應滿足相關規范要求，避免預留土邊坡在極端條件下，發生破壞而造成不必要的損失。

3 結語

基于有限元法，考察了預留土不同參數對基坑抗滑樁的影響，計算結果表明：設置預留土反壓對減小土體水平位移與樁體彎矩效果明顯，實際工程中應盡可能地設置預留土。預留土頂寬越大，其對減小土體水平位移具有一定作用，但當頂寬超過一定范圍后，該作用越來越不明顯。預留土坡率的設計，應滿足相關規范的要求。預留土的設置應根據基坑實際空間關系選擇合理參數。