長短樁組合在水利工程軟土基坑中的應用

葉 明

（廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司,廣東 廣州 510635）

目前在軟土基坑中,設計的主要目標是尋找同時滿足整體穩定、抗傾覆穩定、抗隆起穩定及變形控制等多方面因素下的最小嵌固深度[1-2]。但多目標就必然導致個別目標的安全系數較大,造成浪費。在軟土基坑中,常見的浪費有為滿足各項穩定性安全系數,設計結果普遍采用等長排樁穿透軟土層,樁身長且無法充分發揮支護樁的抗彎能力[3-5]。而支護樁投資恰恰是整個臨時支護工程中投資占比最大的,為此設計工作者對長短樁結合的研究由此展開。

在長短樁組合工作機理方面,鄭剛、程雪松[6]通過1/20幾何相似比的懸臂模型試驗得出長樁起嵌固與抗傾覆作用,短樁起擋土和傳遞土壓力作用；李竹、鄭剛[7]等通過砂土模型試驗總結帶水平支撐的長短組合樁,由于腰梁的作用,短樁樁身的應力規律與長樁相似,且可通過腰梁將力傳至長樁；丁士龍、張昊[8]等通過杭州某基坑實例分析認為,長樁控制基坑的整體穩定,短樁增強支護結構的剛度。

結合上述模型試驗的方法,本文對汕尾供水項目某頂管井基坑采用長短組合的灌注樁作為研究對象,通過有限元Midas GTS軟件模擬不同嵌固比例的短樁,在坑底土體不加固與加固兩種工況下,對比其樁身最大彎矩和坑底土體隆起兩方面敏感值。對長短樁組合情況下的三維工作情況進行分析,為日后其他項目的設計工作提供參考。

1 工程概況

汕尾市區供水節水改造工程解決汕尾市區、紅海灣開發區和海豐縣區域內淡水資源緊缺而新建的一宗供水工程,其跨東溪河段,采用頂管過河方案,根據勘察資料,揭露工作井基坑位的巖土層主要有：

1層：黃褐色人工填土,呈粉質黏土狀,粘性差,可塑,底部有拋石；揭層底面高程-0.9 m～0.6 m,厚度0.6 m～2.4 m,分布于東溪河兩岸。

2-1層：深灰色淤質黏土,質均,粘性好,軟塑；揭層頂面高程-2.5 m～0.7 m,厚度4.6 m～14.2 m,分布于河床及河岸兩側。

全風化帶（Ⅴ）：風化透徹,呈褐黃色礫質粉質黏土狀為主,粘性一般,中細～中粗礫石英顆粒含量15%～25%為主,硬塑-堅硬狀為主。

其土層主要物理力學參數建議值（見表1）。

表1 土層主要物理力學參數建議值表

2 方案設計

頂管出發井基坑為長21 m,寬9 m的矩形基坑,基坑深度10 m且處于2-1淤泥質黏土地層。基坑設計安全等級為二級,地面施工超載q取20 kPa,位于基坑北側用于吊裝及出渣,支護結構采用“灌注樁+對撐”的剛性支撐方式,灌注樁采用Φ800@1000的C30 砼灌注樁。壓頂梁層及腰梁層采用C30砼支撐尺寸600 mm×800 mm。基坑支護設計剖面見圖1。

圖1 基坑支護設計剖面圖

為了初定長樁長度,先通過理正深基坑軟件7.5版本進行試算。滿足各項穩定安全系數要求后,確定長樁長度為20 m,嵌固深度10 m。開挖至坑底支護結構位移與內力包絡圖見圖2。

圖2 支護結構位移與內力包絡圖

理正計算結果顯示,全部等長樁的樁頂水平位移為13.31 mm,深層水平位移52.31 mm,基坑抗隆起系數2.0＞1.9,均滿足本等級基坑安全系數要求。

實際設計工作中,優化支護投資的常用措施有兩個：一是通過長短樁組合,減少支護樁工程量；二是通過坑內土體加固,優化坑內土體參數,也可減少支護樁用量。尤其是一些建基面無法避讓依然處于軟土地層的基坑,坑底軟土承載力不足,臨時工程可結合永久地基加固同步處理,進一步節省投資。

3 不同長度短樁的影響對比

為研究不同比例的短樁長對基坑的影響,通過Midas GTS有限元分析軟件建立三維模型。計算模型方面,淤泥質黏土本構采用修正莫爾庫倫,其余地層采用莫爾庫倫。長短組合樁采用1 長1 短的間距模式,短樁分別嵌入8 m、6 m、4 m和2 m四種長度,全長樁采用嵌入10 m,總計5 個計算模型,三維模型圖見圖3、圖4,布置具體描述見表2。

圖3 基坑三維有限元分析整體模型圖

圖4 長短組合樁支護三維模型圖

表2 長短組合樁特征描述

加固方案擬加固坑底土體4 m。根據三維模型計算結果,整理可得在不同模型設置下,基坑開挖至底時,原狀土和加固后土體兩種狀態下,樁身彎矩及坑底土體隆起值的差異。

3.1 樁身彎矩

選取矩形井長邊跨中支護樁作為研究對象,典型模型樁身彎矩極值結果見圖5,匯總提取樁身彎矩最大值與長短組合樁配合比曲線見圖6。

圖5 樁身彎矩圖——原狀土

圖6 樁身彎矩與組合樁配合比曲線圖

從圖6中可見,當短樁長度可以穿透淤泥地層時,嵌入全風化硬土地層2 m（模型3）和等長樁（模型1）的樁身彎矩極值幾乎相同,可認為當短樁穿透軟土地層時,其樁身可與長樁共同受力,此時短樁收樁性價比最高；而當短樁長度無法穿透軟土地層時,樁身彎矩轉由長樁負擔,且隨短樁嵌固深度的縮短,長樁彎矩的極值也同步增加。當短樁僅嵌固2 m（模型5）,即只有規范建議的最低起步要求時,原狀土長樁彎矩極值幾乎是等長樁（模型1）彎矩值的兩倍,此時短樁僅起到傳力作用,無法分擔長樁的受力。但經土體加固后,模型5樁身彎矩極值會得到小幅改善。

3.2 坑底土體隆起

選取坑底開挖面高程處2m深度厚地層為研究對象,典型模型坑底土體隆起結果見圖7,提取土體豎向位移隆起值與長短組合樁配合比曲線見圖8。

圖7 坑底土隆起云圖——加固后

圖8 坑底土體隆起與組合樁配合比曲線圖

實際基坑工程中,雖不允許發生失穩破壞,但是允許基坑底部發生一定程度的隆起。根據國標《建筑基坑工程監測技術標準》（GB 50497-2019）對于二級基坑的坑底隆起累計值要求為30 mm～60 mm。模型1 和模型2 計算結果均滿足規范要求。

從圖8中可見,隨著短樁與長樁嵌固長度比值的減少,坑底隆起值也緩慢增加；即使進行坑底土體加固后,隆起值的改變也并不明顯。理論上土體經攪拌樁加固能夠提高被動區土體的土抗力,減少支護結構側向坑內的變形,從而協調減小由支護結構側向坑內的變形而引起的坑底隆起量。但模型結果并不顯著,究其原因,可能是坑底隆起主因是坑底土體的圓弧滑動破壞,其與嵌固深度及坑底土體的內摩擦角相關性較大,而長樁已經滿足其嵌固深度的情況下,短樁的長短并無多少影響,故實際設計時可不考慮短樁對隆起影響；而土體加固對土體的粘聚力改善較為明顯,而對土體內摩擦角提升較小,從而導致加固措施對坑底土體的隆起穩定影響也較為有限。

4 結論

（1）長短樁因為存在內支撐及冠梁腰梁的協同受力,短樁在模擬中（短樁與長樁嵌固長度比0.6～1）是可以幫助長樁部分受力的,前提是短樁亦需要穿透淤泥地層,可用長樁的配筋量的小幅提升,換取短樁減少成樁工程量,優化投資。

（2）坑內土體加固對坑底土體隆起數值影響有限,但其對樁身彎矩的極值幅度有改善作用。

（3）土體加固對結果的改善幅度不如加長樁長直接,如何根據基坑支撐布置及周邊荷載優化長短樁數量搭配比例及部位,是可進一步利用長樁樁身抗彎的研究方向。