無(wú)支撐支護(hù)前排傾斜雙排樁內(nèi)力變形性狀

張松波 宋 志 張 濤 田 野 滕 峰

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. 湖北中建三局建筑工程技術(shù)有限責(zé)任公司 湖北 武漢 430064

雙排樁相較于單排樁能夠提高無(wú)支撐支護(hù)深度，在大面積基坑開(kāi)挖時(shí)具有一定的優(yōu)勢(shì)。武漢地區(qū)雙排樁無(wú)支撐支護(hù)深度在8 m左右，當(dāng)基坑開(kāi)挖深度進(jìn)一步增大時(shí)，雙排樁無(wú)支撐支護(hù)已不再適用。

鄭剛等[1]的模型試驗(yàn)研究結(jié)果表明，傾斜樁抵抗水平荷載的能力要優(yōu)于豎直樁，并且發(fā)現(xiàn)傾斜與豎直樁交替支護(hù)的效果要優(yōu)于傾斜單排樁。徐源等[2]通過(guò)模型試驗(yàn)研究了水平荷載作用下前排傾斜雙排樁的支護(hù)效果，前排傾斜雙排樁樁頂位移和樁身彎矩均小于同等條件下的豎直樁，傾斜雙排樁支護(hù)效果最佳的傾斜角度為10°。Maeda等[3]研究了砂土中開(kāi)挖9.6 m條件下無(wú)支撐傾斜樁墻的支護(hù)效果，通過(guò)模型試驗(yàn)和彈塑性理論對(duì)比分析，驗(yàn)證了土壓力降低和擋墻位移減小的效果。

目前，斜樁在基坑工程中的應(yīng)用并不廣泛，關(guān)于斜樁變形特征的研究成果不是很豐富，也缺乏相應(yīng)的工程實(shí)例。呂凡任等[4]對(duì)任意傾角斜樁承受任意平面荷載進(jìn)行彈性分析，但解的形式過(guò)于復(fù)雜且沒(méi)有應(yīng)用到工程中。韓業(yè)龍[5]利用Plaxis軟件分析了傾斜樁的變形特征，發(fā)現(xiàn)傾斜雙排樁變形的特點(diǎn)與帶支撐的支護(hù)體系的變形規(guī)律相似。

以往的研究表明，傾斜樁支護(hù)效果要優(yōu)于豎直樁，但是這些研究多集中在試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c有限元理論分析上，在基坑工程應(yīng)用中相對(duì)較少，基坑支護(hù)中采用鉆孔施工工藝的斜樁目前還少有報(bào)道。郭建芝等[6]介紹了開(kāi)挖8.5 m的傾斜樁施工經(jīng)驗(yàn)，傾角只有3°，采用人工挖孔樁工藝，對(duì)于鉆孔樁施工的借鑒意義不大。

本文介紹了武漢市首例基坑工程采用傾斜雙排樁支護(hù)的案例，無(wú)支撐開(kāi)挖深度達(dá)10 m，前樁傾斜角度為15°，又整理并分析了實(shí)測(cè)變形資料，同時(shí)進(jìn)一步建立有限元數(shù)值模型分析傾斜雙排樁的內(nèi)力變形性狀，此研究?jī)?nèi)容對(duì)于基坑傾斜樁支護(hù)的設(shè)計(jì)與施工有一定的借鑒意義。

1 基坑工程概況

某基坑工程位于長(zhǎng)江Ⅰ級(jí)與Ⅱ級(jí)階地過(guò)渡區(qū)域，場(chǎng)地地貌屬于河流沖積平原類(lèi)型，場(chǎng)地沉積有厚度達(dá)20 m以上的黏性土層?；娱_(kāi)挖深度9.05～16.10 m，開(kāi)挖面積39 000 m2。

局部塔樓區(qū)域坑中坑先施工，從地面設(shè)計(jì)了傾斜雙排樁，如圖1所示，基坑開(kāi)挖從地面標(biāo)高22.00 m施工至基坑井處基底標(biāo)高12.05 m，樁長(zhǎng)30 m，樁徑1 m，樁間距1.5 m，支護(hù)剖面如圖2所示。

圖1 前排傾斜雙排樁平面布置

圖2 前排傾斜雙排樁支護(hù)剖面示意

斜樁鉆孔施工采用全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)結(jié)合旋挖鉆機(jī)進(jìn)行，鉆機(jī)施工前先施工傾角為15°的斜向平臺(tái)，全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)固定在平臺(tái)上進(jìn)行斜向鉆進(jìn)，旋挖鉆機(jī)配合進(jìn)行斜向取土。

2 變形實(shí)測(cè)資料

監(jiān)測(cè)支護(hù)樁位平面布置與監(jiān)測(cè)點(diǎn)剖面如圖3所示，對(duì)12#與15#樁位的直樁與斜樁進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從樁頂以下0.5 m開(kāi)始向下每隔1 m布置1個(gè)測(cè)斜傳感器，沿樁身共布置29個(gè)。

圖3 監(jiān)測(cè)支護(hù)樁位平面布置與監(jiān)測(cè)點(diǎn)剖面示意

12#與15#樁位前排斜樁和后排豎直樁樁身水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4、圖5所示。從圖4（a）和圖5（a）給出的前排傾斜樁樁身位移結(jié)果來(lái)看，傾斜樁樁身位移最大位置并不在樁頂，而是在樁頂以下一定深度。隨著開(kāi)挖深度的增加，傾斜樁樁身位移增大的幅度相對(duì)較為均勻。

圖4 12#樁身水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖5 15#樁身水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

從圖4（b）和圖5（b）給出的后排豎直樁樁身位移結(jié)果來(lái)看，隨著開(kāi)挖深度的增加，樁身變形逐漸增大，樁頂位移的增大幅度表現(xiàn)得更加劇烈。對(duì)比前排傾斜樁與后排豎直樁樁身變形結(jié)果，發(fā)現(xiàn)前排傾斜樁樁身變形要比后排豎直樁樁身變形大。

3 數(shù)值計(jì)算分析

3.1 計(jì)算模型介紹

為進(jìn)一步分析傾斜雙排樁變形內(nèi)力隨開(kāi)挖過(guò)程的發(fā)展規(guī)律，利用Plaxis軟件建立三維數(shù)值計(jì)算模型（圖6），模型分前排傾斜雙排樁與常規(guī)雙排豎直樁計(jì)算模型，2種支護(hù)結(jié)構(gòu)樁長(zhǎng)都是30 m，只是傾斜雙排樁的前樁傾角為15°，其他條件都相同。土層模型采用軟件自帶的HSS模型，樁身與連梁混凝土材料采用彈性模型，彈性模量為30 GPa，樁身抗彎剛度按照規(guī)范[7]公式進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算模型采用平面應(yīng)變模型，樁體按照等剛度計(jì)算原則轉(zhuǎn)換為平面應(yīng)變計(jì)算模型中的墻體，具體墻厚計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[8]，樁徑1 m、樁間距1.5 m的排樁簡(jiǎn)化為厚0.723 m的板單元。

圖6 三維數(shù)值計(jì)算模型

3.2 水平位移計(jì)算結(jié)果

不同開(kāi)挖深度下樁身水平位移變化結(jié)果如圖7所示。與圖4、圖5進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)開(kāi)挖尚未達(dá)到10 m時(shí)，計(jì)算的樁身水平位移變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)的差別較大，主要是因?yàn)槭┕み^(guò)程快，土體開(kāi)挖過(guò)程由于卸荷土體應(yīng)力尚未達(dá)到平衡，實(shí)測(cè)變形結(jié)果并不是對(duì)應(yīng)開(kāi)挖工況下的最終變形?；娱_(kāi)挖10 m見(jiàn)底后，實(shí)測(cè)的樁身變形趨勢(shì)與計(jì)算結(jié)果較為一致，因?yàn)榛右?jiàn)底的開(kāi)挖工況基本能達(dá)到土體應(yīng)力平衡狀態(tài)，但是計(jì)算結(jié)果要稍大于實(shí)測(cè)的變形結(jié)果，原因是計(jì)算時(shí)支護(hù)樁抗彎剛度按照規(guī)范方法折減，較為保守。總體而言，數(shù)值計(jì)算的結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較為接近，說(shuō)明了數(shù)值計(jì)算的合理性。

圖7 不同開(kāi)挖深度下樁身水平位移變化

開(kāi)挖過(guò)程中樁身的水平位移變化顯示，豎直雙排樁與傾斜雙排樁都表現(xiàn)出前排樁位移大于后排樁位移的特征，這主要是因?yàn)榍芭艠多徑?，與后排樁相比缺少一定的土反力作用。在前后排樁位移之差方面，傾斜雙排樁要大于豎直雙排樁，主要是因?yàn)榍芭判睒稑抖诵毕蚯度胪翆訉?dǎo)致斜樁樁端約束要弱于豎直樁，從而使斜樁變形大于豎直樁。

由于傾斜樁存在斜撐效應(yīng)，故傾斜雙排樁最大位移并不在樁頂。傾斜雙排樁沒(méi)有水平支撐作用，但是前排斜樁相較于后排豎直樁有斜撐的作用，其作用類(lèi)似于斜拋撐，使后排豎直樁在樁頂受到支撐作用，導(dǎo)致樁頂位移不是最大位移。

常規(guī)雙排樁最大位移基本在樁頂附近，傾斜雙排樁最大位移位置受開(kāi)挖面與軟弱土層的位置關(guān)系影響。本工程傾斜雙排樁最大位移深度基本處于8～13 m之間，主要是因?yàn)?.92～21.22 m深度內(nèi)存在較厚的飽和淤泥質(zhì)黏土，屬于軟弱土，該層土力學(xué)性質(zhì)差，存在潛在滑移面的可能性較大。當(dāng)開(kāi)挖深度未超過(guò)8 m時(shí)，最大位移都出現(xiàn)在開(kāi)挖面以下軟弱土層范圍內(nèi)；當(dāng)開(kāi)挖深度達(dá)到10 m時(shí)，最大位移出現(xiàn)在開(kāi)挖面以上約1 m深度。

3.3 樁身彎矩計(jì)算結(jié)果

從不同開(kāi)挖深度下，前排傾斜雙排樁樁身彎矩（圖8）和豎直雙排樁樁身彎矩（圖9）隨開(kāi)挖深度變化的結(jié)果可以看出，2種支護(hù)結(jié)構(gòu)前后排樁都是在反彎點(diǎn)以上迎坑側(cè)受拉、迎土側(cè)受壓，而在反彎點(diǎn)以下則正好相反，且樁頂均有一定彎矩。

圖8 不同開(kāi)挖深度下前排傾斜雙排樁樁身彎矩

圖9 不同開(kāi)挖深度下豎直雙排樁樁身彎矩

雙排樁通過(guò)連梁形成連接剛架，樁頂彎矩為連梁端部彎矩。從圖8的結(jié)果可以看出，傾斜雙排樁連梁彎矩在前排樁一端與后排樁一端較為接近。從圖9的結(jié)果可以看出，豎直雙排樁連梁彎矩在前排樁一側(cè)要小于后排樁一側(cè)，這可能與2種支護(hù)結(jié)構(gòu)在端部的約束差異有關(guān)，傾斜樁端到基坑底的垂直距離相較于豎直樁要短，土對(duì)傾斜樁的約束較弱。

前排樁樁身最大彎矩大于后排樁樁身最大彎矩；前排斜樁樁身最大彎矩的位置隨著開(kāi)挖的進(jìn)行有上移趨勢(shì)，后排豎直樁樁身最大彎矩的位置受開(kāi)挖深度的影響不大。

對(duì)于前排斜樁，反彎點(diǎn)隨開(kāi)挖的進(jìn)行不斷向上移動(dòng)，但移動(dòng)范圍有限；對(duì)于后排豎直樁，反彎點(diǎn)位置基本不變，在18 m（0.6 倍樁長(zhǎng)）深度處。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)監(jiān)測(cè)資料整理出樁身位移隨開(kāi)挖深度變化圖，又建立了前排傾斜雙排樁與豎直雙排樁有限元計(jì)算模型，進(jìn)一步對(duì)比分析了開(kāi)挖過(guò)程中傾斜雙排樁樁身彎矩與位移的發(fā)展規(guī)律，可以得出與前排傾斜雙排樁力學(xué)性狀相關(guān)的幾條結(jié)論：

1）無(wú)支撐支護(hù)傾斜雙排樁樁身最大位移深度并不在樁頂，而是在樁頂以下一定深度，這與前排斜樁對(duì)后排豎直樁的斜撐作用有關(guān)，樁身最大位移深度與開(kāi)挖深度和軟弱土層位置關(guān)系有關(guān)，樁身最大位移深度向開(kāi)挖面方向移動(dòng)。

2）前排斜樁樁身位移要大于后排豎直樁，前排斜樁斜向嵌入土層中，相對(duì)于后排豎直樁，前排斜樁嵌固約束相對(duì)較弱，前排樁位移大于后排樁。

3）前排樁樁身最大彎矩大于后排樁樁身最大彎矩；前排斜樁樁身最大彎矩的位置隨著開(kāi)挖的進(jìn)行有上移趨勢(shì)，后排豎直樁樁身最大彎矩位置受開(kāi)挖深度的影響不大。

4）本次前排傾斜雙排樁的試驗(yàn)，驗(yàn)證了傾斜支護(hù)樁對(duì)豎直樁的優(yōu)勢(shì)，傾斜雙排樁可以實(shí)現(xiàn)無(wú)支撐開(kāi)挖10 m深度，可實(shí)現(xiàn)2層地下室基坑的無(wú)支撐支護(hù)，相較于常規(guī)雙排樁有一定的先進(jìn)性。