高層建筑深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及內(nèi)力分析

王洪木，陳金鋒，劉佳，穆銳，李治霞，曹繼東

（1重慶建工第二建設(shè)有限公司，重慶 400030；2陸軍勤務(wù)學(xué)院軍事設(shè)施系，重慶401331；3招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067；4重慶建筑科技職業(yè)學(xué)院，重慶 401311；5中國(guó)人民解放軍32080部隊(duì) 建設(shè)方案室，北京 100091）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及西部大開發(fā)戰(zhàn)略的進(jìn)一步深化，西部很多地區(qū)正處于城市化加速發(fā)展進(jìn)程中[1]。而城市化的一個(gè)標(biāo)志就是，各類建筑的興建。在重慶等西部山地城市中，大量建筑將在有深厚回填土的地基上建設(shè)，同時(shí)也將伴隨越來(lái)越多的深基坑工程問(wèn)題[2]。由于重慶的深厚回填土地基大多填筑時(shí)間不長(zhǎng)，其均勻性和密實(shí)度均不如老黏土，錨固性能不太好，這就限制了錨桿、錨索等支護(hù)體系的采用。尤其對(duì)于新填方的基坑邊坡，若采用錨拉式支護(hù)，新填土沉降壓縮及固結(jié)變形尚未完成，會(huì)增大土中錨桿、錨索的拉力，甚至造成支護(hù)體系失效等工程問(wèn)題。研究表明，懸臂式樁板擋墻支護(hù)結(jié)構(gòu)可避免類似工程問(wèn)題[3]。本文以重慶某高層建筑深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)為背景，運(yùn)用彈性支點(diǎn)法，通過(guò)理正巖土軟件，對(duì)該大樓基坑的懸臂式樁板擋墻進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)及內(nèi)力分析，對(duì)懸臂樁板擋墻施工要點(diǎn)及建議也進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述，旨在拋磚引玉，為山地城市深厚回填土基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 工程概況

重慶市某高層建筑的辦公樓共26層，地下車庫(kù)3層，在其四周形成深度2.3～13.2m的基坑邊坡（圖1）；基坑除裙房北側(cè)一角開挖至基巖，開挖巖石厚度1～1.5m，形成土巖混合基坑邊坡外，其余都為土質(zhì)基坑?；舆吰氯斯ぬ钔翞榈谒南等斯ぬ钔粒穸却?，物質(zhì)成分為砂巖、泥巖碎塊石和少量建筑垃圾，局部含少量卵石，回填時(shí)間2～3年，其結(jié)構(gòu)主要為稍密，結(jié)構(gòu)分層比較混亂，填土的均一性差。從基坑邊坡的組成分析，該邊坡易坍塌，且較深（最深處有13.2m）。為確保坡腳擬建建筑物的施工安全及坡頂公路的正常使用，必須對(duì)該基坑邊坡進(jìn)行有效支擋。

2 支護(hù)方案

2.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置

由于場(chǎng)地存在深厚的新近回填土，其沉降壓縮及固結(jié)變形尚未完成，且該土層結(jié)構(gòu)分層比較混亂、均一性差，因此該土層錨固性能不太好，采用錨拉式的支護(hù)方式不太合適。根據(jù)場(chǎng)地的工程地質(zhì)特征，結(jié)合基坑的平面布置要求，采用懸臂式樁板擋墻支護(hù)體系進(jìn)行永久性支護(hù)（圖1），其中懸臂抗滑樁共分為四種，分別為KHZ-1、KHZ-2、KHZ-3、KHZ-3a。 為了節(jié)省造價(jià)，將抗滑樁設(shè)置在地下室框架柱下（如圖2所示，KHZ-1上涂黑的矩形塊即為地下室靠土體一側(cè)的邊框架柱，該矩形塊的標(biāo)高為238.0～239.6m）。入口處樁頂標(biāo)高往上至室外地坪處不再填土，而是設(shè)置架空平臺(tái)（圖1、圖2）。KHZ-1樁頂標(biāo)高為238.0m，可作為邊框架柱（該柱標(biāo)高為238～239.6m）的基礎(chǔ)，也可以兼作抗滑樁樁頂標(biāo)高以下（226.5～238m）的邊框架柱；樁間擋板亦可兼作地下室側(cè)墻擋板使用。另外，為了盡量減少抗滑樁上的土壓力，抗滑樁外土體從道路紅線往基坑方向按1:1.19放坡，土體實(shí)際標(biāo)高低于此放坡線標(biāo)高時(shí)，可維持原狀。由于KHZ-2、KHZ-3、KHZ-3a離公路比較遠(yuǎn)，因此放坡后樁頂標(biāo)高可顯著降低，分別為229.8m、231.1m、231.1m，各樁板擋墻上的土壓力亦可大大減小。施工時(shí)，先采用“跳樁施工”的方式施工抗滑樁，待所有抗滑樁施工完畢且樁身混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后，再用逆作法施工樁間擋板。

圖1 懸臂式樁板擋墻及入口處架空平臺(tái)基礎(chǔ)平面布置圖

圖2 抗滑樁與框架柱位置關(guān)系圖

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2.1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)

由于基坑周邊存在受影響的道路，根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120—2012）可將基坑的安全等級(jí)定為一級(jí)，因此基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1[4]。

2.2.2 巖土參數(shù)

（1） 人工填土

懸臂樁后為第四系人工填土，回填時(shí)間2～3年，結(jié)構(gòu)主要為稍密，填土的結(jié)構(gòu)均一性差，填土的天然容重為20.6kN/m3，綜合內(nèi)摩擦角為30o。

（2）中風(fēng)化泥巖

中風(fēng)化泥巖的天然單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為15.48MPa。

（3）坡頂附加荷載

考慮到道路靠近基坑一側(cè)的邊線離基坑的距離為12.5m，與道路至基坑底面的高度接近，且施工期間該公路上通行的車輛非常少，因此，可不考慮施工期坡頂?shù)母郊雍奢d。

3 懸臂樁板設(shè)計(jì)及內(nèi)力分析

下面以KHZ-1為例對(duì)抗滑樁、擋板及護(hù)壁等進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 樁內(nèi)力計(jì)算原理及計(jì)算參數(shù)

（1） 計(jì)算原理

雖然此建筑基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，但是由于抗滑樁板墻兼作地下室外墻，當(dāng)幾個(gè)月后地下室施工完畢，地下室樓層的梁板會(huì)對(duì)抗滑樁產(chǎn)生側(cè)向支撐作用。因此，地下室梁板形成強(qiáng)度之前，抗滑樁及擋板可以按照臨時(shí)邊坡進(jìn)行考慮，同時(shí)應(yīng)按永久性支護(hù)驗(yàn)算地下室梁板強(qiáng)度達(dá)到要求后，樁板式擋墻與地下室梁板結(jié)構(gòu)共同作用時(shí)的安全性。根據(jù) 《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330—2013）表3.2.1，該邊坡高度為13.2m，處于10～15m范圍內(nèi)，且邊坡破壞后果嚴(yán)重，故邊坡安全等級(jí)為二級(jí)；再根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330—2013）表5.3.2，安全等級(jí)為二級(jí)的臨時(shí)邊坡，安全系數(shù)不小于1.2[5]。綜上所述，取1.2倍的主動(dòng)土壓力作為樁的外荷載；將承受水平荷載的單樁視作彈性地基（由水平彈簧組成的線性變形體）上的豎直梁，并假定地基水平抗力系數(shù)隨深度增加。采用m法[5]對(duì)樁進(jìn)行計(jì)算（由理正巖土軟件計(jì)算）。

（2）主要計(jì)算參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告，結(jié)合重慶當(dāng)?shù)毓こ虒?shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)土層參數(shù)進(jìn)行取值，得到土層參數(shù)，見表1。

表1 土層參數(shù)

由于抗滑樁兼作地下室側(cè)墻柱基，樁不僅承受水平荷載，還須承擔(dān)豎向荷載，因此將KHZ-1嵌入中風(fēng)化巖層3m，以便提供足夠的豎向承載力（圖3）。

圖3 KHZ-1計(jì)算模型（單位：m）

樁的材料及尺寸參數(shù)：

樁混凝土強(qiáng)度等級(jí)：C40；樁縱筋級(jí)別：HRB400級(jí)；板混凝土強(qiáng)度等級(jí)：C40；板縱筋級(jí)別：HRB400級(jí)；墻后填土內(nèi)摩擦角：30°；墻背與墻后填土摩擦角：15°。樁總長(zhǎng)23.2m，其中懸臂段長(zhǎng)11.2m，嵌入深度為12.0 m，樁底假定為鉸接；樁截面形狀為矩形，樁截面寬度為1.5m，樁截面高度為2.5m，樁間距為8.49m。

3.2 懸臂樁板內(nèi)力計(jì)算結(jié)果分析

圖4為抗滑樁遠(yuǎn)離基坑一側(cè)庫(kù)倫主動(dòng)土壓力的大小、分布情況及合力作用點(diǎn)位置。由圖可知，樁深度為11.2m處的庫(kù)侖主動(dòng)土壓力的第一破裂角為34.02°，庫(kù)侖土壓力合力Ea為518.7 kN，作用點(diǎn)高度為4.106m，庫(kù)倫土壓力的水平分量Ex為501.0kN。

圖4 全墻的土壓力（只有第一破裂面）

圖5為內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，由圖5 a）樁身彎矩沿樁深度分布圖可知，懸臂段樁身彎矩隨著樁深度增大而迅速增大，到達(dá)基坑底面時(shí)，彎矩隨樁深增大的速度明顯變小，這主要是由于基坑底面以下樁前土體對(duì)樁產(chǎn)生的被動(dòng)土壓力隨著樁進(jìn)入坑底面以下土層深度加深的增大速度遠(yuǎn)大于樁后主動(dòng)土壓力隨深度加深的增大速度（樁前被動(dòng)土壓力的增大速度大約為樁后主動(dòng)土壓力增大速度的3倍）。基坑底面往下4.2m（距離樁頂深15.4m）處，樁后彎矩達(dá)到最大值32395kN·m。當(dāng)樁深度繼續(xù)增大時(shí)，樁身彎矩逐漸減小；到底端時(shí)，彎矩降為零。這與計(jì)算時(shí)樁底端為鉸接的基本假定是一致的。

由圖5 b）樁身剪力沿樁深度分布圖可知，基坑底面以上，樁身剪力為負(fù)值，其絕對(duì)值隨著樁深度的增大而增大，當(dāng)樁深度到達(dá)基坑底面時(shí)，樁身剪力的絕對(duì)值達(dá)到一個(gè)局部極大值4914kN；基坑底面以下，隨著樁深度的增大，樁身剪力的絕對(duì)值逐漸減小至零，然后又反向增大，當(dāng)樁深度為22.7m時(shí)，樁身剪力達(dá)到最大值7515kN。

由圖5 c）樁水平位移沿樁深度分布圖可知，樁身最大水平位移在樁頂處，為87mm；隨著樁深度的增大，樁水平位移逐漸減小，至底端處，樁水平位移降至零。這亦與計(jì)算時(shí)樁底端為鉸接的基本假定是一致的。

由圖5 d）樁側(cè)土體反力沿樁深度分布圖可知，樁側(cè)土體反力在18.6m深度處達(dá)到最大值927.2kPa，此處為強(qiáng)風(fēng)化巖頂面往下0.5m處；隨著深度的進(jìn)一步增大，樁側(cè)土體反力逐漸減小。建議對(duì)支護(hù)樁附近這些土反力較大的土層及強(qiáng)風(fēng)化巖層進(jìn)行注漿處理，以提高坑底以下支護(hù)樁的錨固效果，減小支護(hù)樁的水平位移。

圖5 樁內(nèi)力及位移沿樁深度分布

3.3 共同作用時(shí)支護(hù)樁的內(nèi)力驗(yàn)算

為驗(yàn)算地下室梁板強(qiáng)度達(dá)到要求后，樁板式擋墻與地下室梁板結(jié)構(gòu)共同作用時(shí)的安全性，利用PKPM的SATWE計(jì)算分析模塊，將主體結(jié)構(gòu)與樁板墻建在一個(gè)模型里，將土體自重及運(yùn)營(yíng)期公路的車輛荷載對(duì)樁板墻產(chǎn)生的土壓力折算成柱子的水平方向恒荷載，作用到柱子（支護(hù)樁）上，恒荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.35。運(yùn)營(yíng)期公路的車輛荷載按20kPa考慮，根據(jù) 《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120—2012）第3.4.7條[4]，車輛荷載作為局部附加荷載按45°往下擴(kuò)散。道路邊線距離KHZ-1外側(cè)邊最近處為10.7m，因此只需考慮公路表面10.7m以下的KHZ-1才會(huì)受到公路車輛荷載的影響。經(jīng)過(guò)計(jì)算可得出各個(gè)樓層的內(nèi)力，如表2所示。

表2 共同作用時(shí)，KHZ-1的內(nèi)力

比較表2與圖5 a）、圖5 b）可知，共同作用時(shí)，KHZ-1的彎矩及剪力遠(yuǎn)小于該支護(hù)樁懸臂受力時(shí)的彎矩及剪力。共同作用時(shí)，KHZ-1的軸壓比為0.05，非常小，當(dāng)柱子偏心受壓時(shí)，可視其為大偏心受壓構(gòu)件；另外，該構(gòu)件計(jì)算跨度與寬度的比值為5/1.5=3.3＜8，故該構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)等于1。因此，共同作用且偏心受壓時(shí)，將KHZ-1按受彎構(gòu)件比按壓彎構(gòu)件進(jìn)行配筋更安全。下面，將共同作用工況及懸臂受力工況時(shí)，支護(hù)樁的最大彎矩與剪力沿樁深度分兩段進(jìn)行比較如下：

距離樁頂0～7m處，共同作用時(shí)的最大彎矩、剪力分別為1289kN·m、1096kN，而懸臂受力工況時(shí)的最大彎矩、剪力分別為5867kN·m、2256kN，共同作用工況最大彎矩、剪力僅為懸臂工況的22%與49%；距離樁頂7～11.2m處，共同作用時(shí)的最大彎矩、剪力分別為3471kN·m、3150kN，而懸臂受力工況時(shí)的最大彎矩、剪力分別為20912kN·m、4914kN，共同作用工況最大彎矩、剪力僅為懸臂工況的17%與64%。

實(shí)際上，由于共同作用時(shí)KHZ-1的彎矩及剪力均較小，SATWE的計(jì)算結(jié)果亦表明，共同作用時(shí)，KHZ-1的縱向受力主筋及箍筋均只需要按照構(gòu)造配筋即可。

3.4 抗滑樁配筋

（1）抗滑樁縱向鋼筋配筋

由于共同作用時(shí)，KHZ-1的縱向受力主筋及箍筋均只需要按照構(gòu)造配筋即可。因此，判斷懸臂受力時(shí)的工況為支護(hù)樁的最不利工況，只需根據(jù)懸臂受力時(shí)的樁身彎矩沿深度分布圖 （圖5a）對(duì)支護(hù)樁進(jìn)行配筋即可，可分段配筋如下：

距離樁頂0～7m：面?zhèn)群捅硞?cè)所需縱向鋼筋面積均為7920mm2，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1，一根直徑32mm的鋼筋面積為803mm2，故面?zhèn)群捅硞?cè)縱筋根數(shù)均為7920×1.1/803=10.7根，取11根[6]。

距離樁頂7～23.2m：面?zhèn)瓤v筋計(jì)算方法同上，面?zhèn)瓤v筋取11根。背側(cè)縱筋15.4m處最大，為40310mm2，故背側(cè)縱筋根數(shù)為40310/803=50.2根，取51根[7]。這里之所以不再將縱筋乘以結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1，主要基于以下幾個(gè)方面的考慮：

①雖然此建筑基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，但是由于抗滑樁板墻兼作地下室外墻，當(dāng)幾個(gè)月后地下室施工完畢，地下室樓層的梁板會(huì)對(duì)抗滑樁產(chǎn)生側(cè)向支撐作用，此時(shí)抗滑樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性將大大提高；

②面?zhèn)蠕摻钜逊糯?0%，能部分提高抗滑樁在7～23.2m深度處的抗彎承載力；

③ 此時(shí)背側(cè)配筋已經(jīng)很大，如果再乘以結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1，則每根KHZ-1抗滑樁需多配5根直徑32mm、長(zhǎng)度16.2m的縱筋，很不經(jīng)濟(jì)。

（2）抗滑樁嵌入深度驗(yàn)算

由于懸臂樁嵌入段為巖層，地基橫向承載力特征值fH可由文獻(xiàn)[5]第13.2.8條第1款計(jì)算：

式中：KH為在水平方向的換算系數(shù)，根據(jù)巖層，根據(jù)巖層構(gòu)造可取0.5～1.0；η為折減系數(shù)，根據(jù)巖層的裂縫、風(fēng)化及軟化程度可采用0.3～0.45；frk為巖石天然單軸極限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）[5-6]。

由圖5 d）土反力分布圖可知，懸臂樁嵌入中風(fēng)化巖3m時(shí)樁側(cè)最大橫向壓應(yīng)力在距離樁頂18.6m處，其數(shù)值為927.2kPa，再乘以結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1[7]，得：

綜上可知，抗滑樁懸臂樁嵌入中風(fēng)化巖3m滿足要求[7]。

（3）樁間擋板及其護(hù)壁設(shè)計(jì)

將樁間擋板看作兩端固支的單向板（樁作為支座），并取1m深度單位計(jì)算寬度計(jì)算配筋，分段配筋結(jié)果如表3。

表3 樁間擋板表

護(hù)壁厚度取200mm，護(hù)壁混凝土等級(jí)為C20，坡頂無(wú)外荷載；人工挖孔樁護(hù)壁所承受的土壓力取地面以下5m處的主動(dòng)土壓力值[4]，由圖3庫(kù)倫土壓力沿深度分布情況可知，地面以下5m處的主動(dòng)土壓力值為43.4kPa。取1m深度為護(hù)壁單位計(jì)算寬度計(jì)算配筋，將護(hù)壁長(zhǎng)邊按兩端固支板計(jì)算，則最大彎矩設(shè)計(jì)值為[7]：

式中：qx為地面以下5m處作用在護(hù)壁上的主動(dòng)土壓力值（kPa）；l為護(hù)壁長(zhǎng)邊的計(jì)算跨度（m）。

護(hù)壁結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1，經(jīng)計(jì)算可得，護(hù)壁的橫向受力配筋為：每米深度需配置HRB335級(jí)鋼筋509mm2，實(shí)配鋛12@200（鋼筋面積為565 mm2），雙層配置[6]。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)場(chǎng)地基坑的工程地質(zhì)特征及場(chǎng)地基坑的平面布置要求，結(jié)合內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，選用懸臂式樁板擋墻對(duì)深基坑進(jìn)行永久性支護(hù)是合理的、可行的。

（2）內(nèi)力分析表明，懸臂段樁身彎矩隨樁深的增大而急劇增大，在基坑底面時(shí)，彎矩隨樁深增大的速度明顯變小，基坑底面往下4.2m處，樁內(nèi)側(cè)彎矩達(dá)到最大值；當(dāng)樁深度繼續(xù)增大至樁底端時(shí)，樁身彎矩逐漸減小至零。基坑底面以下，隨著樁深度的增大，樁身剪力的絕對(duì)值逐漸減小至零，而后樁身剪力反向增大，當(dāng)樁深度為22.7m時(shí)，樁身剪力達(dá)到最大值。樁側(cè)土體反力在強(qiáng)風(fēng)化巖頂面往下0.5m處達(dá)到最大值；隨深度的進(jìn)一步增大，樁側(cè)土體反力逐漸減小。

（3）在支護(hù)設(shè)計(jì)中，將抗滑樁外土體從道路紅線往基坑方向適當(dāng)放坡，減少抗滑樁上的土壓力，同時(shí)，降低基坑支護(hù)高度，抗滑樁可兼作地下室框架柱基礎(chǔ)，抗滑樁擋板亦兼作地下室的側(cè)墻擋板，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)受力比較大的樁及擋板盡量采用HRB400級(jí)鋼及強(qiáng)度等級(jí)高的混凝土，可有效節(jié)省工程材料及費(fèi)用。