深基坑前排傾斜雙排樁設(shè)計與施工技術(shù)研究*

馬雪兵，余地華，鄭 剛，黃曉程，葉 建，賴國梁，程雪松

(1.中建三局集團(tuán)有限公司工程總承包公司，湖北 武漢 430064； 2.天津大學(xué)土木工程系，天津 300072)

1 前排傾斜雙排樁概述

前排傾斜雙排樁由前排傾斜樁、后排垂直樁、前排樁頂冠梁、后排樁頂冠梁、前后樁間連梁組成。前后排樁都采用大直徑鉆孔灌注樁，整個支護(hù)體系為一整體受力的空間結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 前排傾斜雙排樁示意

本支護(hù)體系受力機理為：后排垂直樁承受樁后主動區(qū)土壓力作用，支護(hù)樁后土體通過樁頂連梁，向前樁輸出水平推力；前排傾斜樁承受樁前被動區(qū)土壓力作用，通過連梁為后樁提供水平抗力；同時因傾斜角度的存在，也可承受軸向荷載，通過連梁為后排提供水平支抗力；樁間土體相當(dāng)于土彈簧，在樁間受壓。

本支護(hù)體系最大受力優(yōu)勢為：前排傾斜樁相對于常規(guī)垂直樁，可承受的樁前被動土壓力更大，承受的樁間主動土壓力更小；因傾斜角度的存在，在支護(hù)結(jié)構(gòu)整體向坑內(nèi)變形時，可承受軸向力，通過連梁為后排垂直樁提供水平抗力。

2 前排傾斜雙排樁結(jié)構(gòu)參數(shù)影響研究

以武漢地區(qū)常青三金潭深基坑項目坑中坑某區(qū)段設(shè)計工況為例，采用Plaxis2D2018有限元軟件進(jìn)行前排傾斜雙排樁的多種結(jié)構(gòu)參數(shù)組合計算分析，包括前后樁樁長、樁間距、連梁長度等主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對前排傾斜雙排樁性狀的影響。

表1 土體模型參數(shù)

2.1 工程地質(zhì)條件及模型概況

場地地貌屬于河流沖積平原類型，相當(dāng)于I，II級階地，為第四系全新世運動中地殼升降形成的沖、洪積地貌形態(tài)，地層具有二元地層結(jié)構(gòu)特性，模型采用土體及材料參數(shù)如表1，2所示。

表2 材料模型參數(shù)

因塔樓區(qū)坑中坑先施工，擬從地面開始設(shè)計施工前排傾斜雙排樁，基坑開挖從地面標(biāo)高22.000m至集水井基底標(biāo)高12.050m，開挖深度取10m計算。計算采用的前后灌注樁直徑均為1m，前后排樁之間的連梁截面尺寸0.9m×0.9m，前樁傾斜角度15°。雙排樁支護(hù)采用板單元模擬，土體采用小應(yīng)變硬化本構(gòu)模型，土體的小應(yīng)變參數(shù)依據(jù)勘察報告結(jié)合工程經(jīng)驗確定。

表3 結(jié)構(gòu)模型

2.2 樁身受力變形特征

以組合2的計算結(jié)果為例，前樁傾斜雙排樁樁身受力變形情況如圖2所示。

圖2 樁身位移與彎矩曲線

從圖2可以看出，后樁的樁身位移小于前樁、彎矩略大于前樁，這從連梁受壓也能反映雙排樁前后樁的位移與彎矩大小關(guān)系。從位移曲線可以看出，樁身位移最大點在開挖面以上一定距離，不在樁頂，主要因前樁為傾斜樁起到一定的支撐作用；從彎矩曲線可以看出，前樁彎矩相對較小，后樁相對大，主要因前樁受一定軸力作用，且傾斜狀態(tài)受樁間土壓力作用相對小；前后樁的受彎方向正好相反。

2.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)影響分析

將結(jié)構(gòu)參數(shù)組合2與組合10進(jìn)行對比如圖3所示。由圖3可知，隨著樁體長度增加，基坑水平位移及基坑外沉降均減小，支護(hù)樁內(nèi)力減小。當(dāng)樁長由30m減小為28m時，基坑位移增加幅度較大，主要是由于樁長30m時，斜樁和直樁均可進(jìn)入土質(zhì)相對較好的粉細(xì)砂層。

圖3 位移與內(nèi)力隨前樁長度變化曲線

將結(jié)構(gòu)參數(shù)組合2與組合10進(jìn)行對比如圖4所示。由圖4可知，隨著后樁樁體長度增加，基坑水平位移及基坑外沉降均減小，變化規(guī)律與效果同前樁相似，但整體效果提升沒有前樁增長好，圖3中位移減小約18mm，圖4中位移減小13mm。

圖4 位移與內(nèi)力隨后樁長度變化曲線

將結(jié)構(gòu)參數(shù)組合2、組合5、組合7進(jìn)行對比如圖5所示。由圖5可知，隨著連梁長度增加，基坑水平位移及基坑外沉降均減小，支護(hù)樁及連梁彎矩呈減小或平穩(wěn)趨勢。

圖5 位移與內(nèi)力隨連梁長度變化曲線

將工況1，2，3進(jìn)行對比如圖6所示。由圖6可知，隨著樁體間距增加，基坑水平位移及基坑外沉降均略有增加，其原因為樁體間距增加會導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度減弱，進(jìn)而引起位移增大。

圖6 位移與內(nèi)力隨樁體間距變化曲線

通過綜合分析12種結(jié)構(gòu)參數(shù)計算結(jié)果可得出以下結(jié)論。

1)隨著樁體長度的增加，樁體嵌固進(jìn)入粉細(xì)砂層，可以有效減小基坑變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力。在本工程中，由于軟土層較厚，建議直樁與斜樁樁長均取30m。

2)本工程中，當(dāng)前后排樁間距適當(dāng)增大時，支護(hù)性能較好。但前排樁間距不宜過大，否則會占用較大的空間，建議本工程前后排樁間距取3m。

3)在每排樁內(nèi)，隨著樁間距增大，支護(hù)結(jié)構(gòu)位移略有增加，但增加幅度不大，因此為了降低造價，可以適當(dāng)增加樁間距。但樁間距過大將使得樁間土容易塌落，本工程建議樁間距取1.5m左右。

4)綜上所述，建議本工程采用結(jié)構(gòu)參數(shù)組合2的支護(hù)結(jié)構(gòu)方案，即樁直徑1m，前后排樁中心距3m，每排樁內(nèi)樁間距1.5m，直樁與斜樁樁長均取30m。此方案基坑最大變形約為50mm，但由于前排傾斜雙排樁應(yīng)用區(qū)段位于基坑內(nèi)，具有試驗應(yīng)用性質(zhì)，能滿足支護(hù)要求。

3 前排傾斜雙排樁支護(hù)體系設(shè)計

本工程應(yīng)用前排傾斜雙排樁區(qū)段的設(shè)計大樣如圖7所示。在解決雙排樁前樁與坑內(nèi)主體工程樁空間碰撞問題時，主要采用將雙排樁往坑外后退一定距離，同時盡量將前排傾斜樁設(shè)計在2個承臺與工程樁之間，避開工程樁，在無法避開的個別區(qū)域，采用縮小前樁的方式，如傾斜角度采用12°以避開工程樁。

在前樁配筋時，主要考慮受彎與受剪進(jìn)行樁身配筋；因支護(hù)樁樁徑較大，前排傾斜樁樁身抗壓能力較土層提供的軸向承載力大，因此軸向受壓為驗證性計算，同時在土層差異較大時，在考慮經(jīng)濟(jì)合理狀況下，盡量使前樁進(jìn)入較硬土層，以提高軸向承載力。

圖7 前樁傾斜雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計大樣

支護(hù)樁與冠梁、冠梁與連梁之間節(jié)點的可靠連接是保證支護(hù)體系整體受力的關(guān)鍵。為此，依據(jù)GB50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(2015版)，支護(hù)樁主筋錨入冠梁的長度、連梁主筋應(yīng)錨入前后冠梁的長度均不應(yīng)少于1.5La(La為受拉鋼筋錨固長度)。

4 傾斜鉆孔灌注樁施工技術(shù)

4.1 施工難點

1)成孔困難 因傾斜鉆孔灌注樁施工成孔時為斜向，容易形成塌孔，特別是在軟土區(qū)域，即便是在泥漿護(hù)壁作用下，依然容易塌孔，若在高承壓水頭區(qū)域，塌孔現(xiàn)象更為嚴(yán)重。

2)施工設(shè)備特殊要求 現(xiàn)階段能進(jìn)行斜向成孔，特別是大直徑斜向成孔的設(shè)備較少。類似旋挖鉆機等設(shè)備，設(shè)計都基于垂直施工，斜向時在重力作用下，鉆桿剛度不足，容易彎曲，成孔中心線成曲線形下墜，動力頭易發(fā)熱。

3)鋼筋籠吊裝困難 斜向狀態(tài)下鋼筋籠吊放困難，容易造成卡籠，且在重力作用下鋼筋籠緊貼下部孔壁，無法居中，較難保障支護(hù)樁保護(hù)層厚度。

4)導(dǎo)管下放困難 由于傾斜下放及重力作用，吊放導(dǎo)管容易卡籠，下放過程中頂?shù)戒摻罨\，導(dǎo)管無法居中下放。

4.2 主要設(shè)備與機械原理

本項目傾斜鉆孔灌注樁施工主要采用全回轉(zhuǎn)鉆機下壓全套管形成孔壁支護(hù)，在套管下壓過程中，采用改進(jìn)的旋挖鉆機進(jìn)行套管內(nèi)取土；在下籠與混凝土灌注過程中，形成全套管支護(hù)，混凝土灌注過程中不斷回拔回收套管，如圖8所示。

圖8 全回轉(zhuǎn)全套管傾斜灌注支護(hù)樁施工原理

全套管全回轉(zhuǎn)鉆機工作裝置一般包括：楔形夾緊裝置(包含直徑變更裝置)、套管回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置、套管壓拔裝置、輔助夾緊裝置、水平調(diào)節(jié)裝置。

全套管全回轉(zhuǎn)鉆機可帶動套管360°回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、回拔，是一種機械性能好、成孔深、樁徑大、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、高效的鉆進(jìn)技術(shù)，適合各類復(fù)雜地質(zhì)地層。

4.3 主要工藝流程

主要施工流程如下：平整土地→測放樁位→混凝土導(dǎo)向墊層澆筑→樁中心定位→全回轉(zhuǎn)鉆機就位→通過調(diào)節(jié)支腿油缸確保施工角度→下放套管→全回轉(zhuǎn)夾緊套管進(jìn)行回轉(zhuǎn)下壓施工→旋挖鉆機套管內(nèi)部取土→持續(xù)取土及套管跟進(jìn)→成孔至設(shè)計孔深→清孔→下放鋼筋籠→下放導(dǎo)管→灌注混凝土，逐節(jié)起拔套管及導(dǎo)管→測定混凝土樁面→成樁。

4.4 主要施工技術(shù)

4.4.1混凝土導(dǎo)向墊層

設(shè)置傾斜導(dǎo)向混凝土墊層，提前定位傾斜樁孔位，設(shè)置固定環(huán)與固定牛腿，用于固定全回轉(zhuǎn)鉆機，使其在斜向回轉(zhuǎn)下壓套管時，有足夠的反力，如圖9所示。本導(dǎo)向墊層不僅起設(shè)備固定與使設(shè)備成角度的作用，同時起地面硬化作用。

圖9 斜樁施工導(dǎo)向墊層

4.4.2雙層鋼筋籠

在本項目傾斜鉆孔灌注樁施工中，鋼筋籠采用內(nèi)外雙籠的形式，如圖10所示，以確保導(dǎo)管能順利下放，并且居中放置。內(nèi)外層鋼筋籠之間通過連接鋼筋連接在一起。其中內(nèi)籠導(dǎo)向鋼筋采用8號圓鋼，固定在內(nèi)籠的內(nèi)部，在混凝土導(dǎo)管吊裝過程中，導(dǎo)管隨內(nèi)籠導(dǎo)向鋼筋向下滑動。

圖10 斜樁雙層鋼筋籠大樣

在全回轉(zhuǎn)鉆機的全套管中，節(jié)與節(jié)之間有內(nèi)部凸起，且在套管端部有20mm的鉆齒外凸，因此成孔直徑大于內(nèi)徑，在套管提起后，混凝土?xí)鲁粒纬杀Ｗo(hù)層。在套管內(nèi)節(jié)與節(jié)連接處20mm的凸出可起支點作用，保障鋼筋籠居中并平順下放，同時保障保護(hù)層厚度。

5 結(jié)語

1)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，簡單介紹了前排傾斜雙排樁支護(hù)的受力機理，相對于常規(guī)雙排樁，前樁傾斜樁可承受軸向力，通過連梁為后排樁提供水平支抗力，為該支護(hù)體系的最大受力優(yōu)勢。

2)前排傾斜雙排樁的后樁樁身位移小于前樁、彎矩略大于前樁，因前樁起到一定的支撐作用，樁身位移最大點不在樁頂。

3)在樁徑和傾角一定時，增加前后樁樁長、縮小樁間距、縮短樁間連梁，都可以提高支護(hù)效果，特別是土層差異比較大時，前樁進(jìn)入底部硬層土，對支護(hù)效果提高明顯。

4)前樁傾斜雙排樁設(shè)計時，重點需考慮與坑內(nèi)工程樁碰撞問題，采用后退空間、調(diào)整前樁樁位、個別減小傾斜角度的方式以避開工程樁；前樁配筋主要考慮受彎受剪，軸向承載力以土層承載力為主。

5)前排傾斜樁施工采用全套管全回轉(zhuǎn)鉆機結(jié)合旋挖鉆機斜成孔施工，在成孔、下籠、灌注的成樁過程中形成全過程套管護(hù)壁，采用雙層鋼筋籠等專項技術(shù)措施解決斜樁成樁特殊工藝問題。