復(fù)雜深基坑咬合樁支護(hù)的工作性能分析

洪胤 ,檀昆 ,吳黎明 ，耿彥斌 ,王情 ,盛鵬 ，朱亞林 ,2

(1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.土木工程結(jié)構(gòu)與材料安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230009；3.中鐵四局集團(tuán)第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215131)

0 引言

咬合樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為新型的連續(xù)排樁支護(hù)，是一種樁身相互切割融合形成的具有防滲作用的連續(xù)擋土支護(hù)結(jié)構(gòu)，近年來由于其造價(jià)相對(duì)較低、防水性能較好的特性被廣泛應(yīng)用于一些防滲要求較高的工程中[1-4]，并在國(guó)內(nèi)外的各大工程中都取得了較好的效果。相關(guān)的學(xué)者也對(duì)咬合樁這一支護(hù)方式進(jìn)行了大量研究，王安龍等其他學(xué)者[5-7]從施工角度分析，探討了咬合樁施工方案的選擇、施工工藝及特殊工況的處理等問題；廖少明[8]通過模型試驗(yàn)的方式，發(fā)現(xiàn)咬合樁極限荷載取決于葷樁的抗彎能力；李文林[9]通過室內(nèi)試驗(yàn)的方式，提出在模型受彎時(shí)，咬合面的強(qiáng)度是保證葷素樁共同變形的關(guān)鍵因素；羅積勝[10]、付長(zhǎng)春[11]、葉帥華[12]等也從數(shù)值模擬的角度建立了咬合樁模型，探究其在基坑開挖過程中的位移情況。

目前相關(guān)研究大多將咬合樁利用等剛度原則等效成地連墻進(jìn)行數(shù)值分析，雖然在一定程度上簡(jiǎn)化了建模工作量，但其計(jì)算結(jié)果可能與實(shí)際情況存在一定偏差。本文基于某一大型深基坑，利用MIDAS/GTS軟件建立了實(shí)體咬合樁模型，從樁身側(cè)向位移、錨桿軸力、坑底隆起以及周邊地表沉降四個(gè)方面較為全面的探究了其在實(shí)際工程中的支護(hù)效果及工作性能，并通過與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過將沖孔灌注樁及止水帷幕等效成地連墻并設(shè)置在與咬合樁相同位置處，探討兩種支護(hù)形式下基坑的穩(wěn)定性情況。計(jì)算結(jié)果對(duì)實(shí)際工程具有一定的參考價(jià)值。

1 工程概況

本工程為某一深基坑的開挖支護(hù)工程，該工程基坑占地面積約為4萬m2，深約14.0m，基坑輪廓大體為矩形，長(zhǎng)寬分別為226m、179m。基坑所在區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，由于處于人工填海區(qū)，各土層的厚度分布不均，土質(zhì)較差，填土填石層較厚。同時(shí)水文地質(zhì)情況復(fù)雜，地下水位以下含水量較為豐富，水位變化受季節(jié)性大氣降水量和地表水系下滲影響較大。場(chǎng)地地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有中的鋼筋在長(zhǎng)期侵水條件下具微腐蝕性、在干濕交替條件下具弱侵蝕性。

基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，東側(cè)鄰近河流，地下水補(bǔ)給較豐富，對(duì)防水體系的要求較高，基坑南側(cè)鄰近市政道路及地鐵線路等交通結(jié)構(gòu)，施工擾動(dòng)情況需要得到充分控制。考慮到以上情況，基坑南側(cè)、西南側(cè)30m以及東南側(cè)50m左右范圍內(nèi)均采用咬合樁+預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)的形式，以避免沖孔樁施工對(duì)地鐵隧道的擾動(dòng)，基坑其他區(qū)域由于遠(yuǎn)離市政工程結(jié)構(gòu)，可采用沖孔灌注樁+樁間旋噴止水帷幕的形式進(jìn)行支護(hù)。其中咬合樁樁身長(zhǎng) 23.5m，樁徑為 1.2m，間距 1.0m，咬合200mm；沖孔灌注樁段灌注樁樁徑為1.2m，間距 1.5m，樁間布置直徑 0.8m的旋噴樁，搭接厚度235mm。

為保證基坑穩(wěn)定，在四邊均設(shè)置了預(yù)應(yīng)力錨索。錨索按四排布置，錨索豎向間距為3m，水平間距1.5m，傾角為30°，采用4束7*Φ5預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度低松弛鋼絞線制作而成。各排錨索布置長(zhǎng)度及施加預(yù)應(yīng)力情況見圖1所示。

圖1 錨索布置情況示意圖

2 計(jì)算模型

2.1 模型建立

本工程基坑開挖范圍較廣，在構(gòu)建實(shí)體模型時(shí)工作量過大，利用有限元軟件計(jì)算速度慢，而基坑咬合樁的分布范圍主要集中在基坑?xùn)|南側(cè)，因此文章僅對(duì)東南側(cè)坑角30m范圍內(nèi)的咬合樁進(jìn)行研究。利用MIDAS/GTS軟件建立三維有限元模型，為消除邊界效應(yīng)的影響[13]將模型長(zhǎng)、寬設(shè)為80m，高度設(shè)為60m。咬合樁采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬使計(jì)算結(jié)果更符合工程實(shí)際，通過先建立咬合樁外側(cè)輪廓面，再利用軟件中“分割”命令，將整個(gè)土體劃分為坑外土體、坑內(nèi)土體及咬合樁實(shí)體部分。土體及錨桿部分分別采用實(shí)體單元和植入式桁架單元進(jìn)行模擬。網(wǎng)格劃分時(shí)將基坑開挖部分及咬合樁單元?jiǎng)澐志o密以保證精確性，將坑外土體網(wǎng)格尺寸隨遠(yuǎn)離坑邊逐漸增大以加快計(jì)算過程。具體計(jì)算模型如圖2、圖3所示。

圖2 咬合樁實(shí)體模型

圖3 幾何模型

整體模型較為規(guī)則，模型左右兩面設(shè)置X方向約束，前后兩面設(shè)置Y方向約束，底面設(shè)置全方向約束。錨桿方面由于設(shè)置了植入式錨桿屬性，程序會(huì)自行對(duì)錨桿的自由端進(jìn)行相應(yīng)約束，僅需保證錨固端端頭與土體網(wǎng)格耦合即可。除此之外，在基坑外側(cè)10m范圍內(nèi)還施加了20kPa的法向力以模擬施工荷載。

2.2 計(jì)算參數(shù)

模型中土體部分從上至下分為素填土、填石層、淤泥層、礫砂層以及粉質(zhì)黏土五層，而Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則由于其自身計(jì)算精度較高且參數(shù)取得較容易的特點(diǎn)[14]，在有限元分析中常被用于土體部分的變形計(jì)算，故本模型土體也選用該準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算。咬合樁中葷樁樁身為水下C30混凝土，素樁則采用C20混凝土進(jìn)行澆筑，錨桿材料選用HRB335鋼筋進(jìn)行制作，彈性模量均較大，故可采用彈性模型進(jìn)行計(jì)算。具體計(jì)算參數(shù)如下表所示。

計(jì)算參數(shù)

2.3 施工工況

實(shí)際工程中設(shè)置了止水帷幕，在整個(gè)施工過程中會(huì)充分降水，故進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)無需考慮地下水滲流帶來的影響。利用MIDAS/GTS中的“施工階段助手”選項(xiàng)定義基坑開挖的過程，定義了包括初始地應(yīng)力計(jì)算、咬合樁施工及施工荷載的施加以及基坑的五次開挖支護(hù)七個(gè)工況，其中五次開挖分別開挖至基坑深度為 2.5m、5.5m、8.5m、11.5m 及14.0m，在各開挖面以上0.5m處施作錨桿，并按圖1對(duì)各層錨桿施加預(yù)應(yīng)力。

3 計(jì)算結(jié)果分析

為充分研究咬合樁在基坑開挖階段的支護(hù)效果，本小節(jié)主要從樁身側(cè)移、錨桿軸力、基坑周邊地表沉降以及基坑坑底隆起四個(gè)方面進(jìn)行計(jì)算。為比較咬合樁在支護(hù)效果上與沖孔灌注樁的優(yōu)劣之處，文章利用文獻(xiàn)[15]方法將工程中沖孔灌注樁實(shí)際參數(shù)等效成了0.965m厚的地連墻，設(shè)置在與咬合樁相同位置處。計(jì)算結(jié)果具體如下。

3.1 樁身側(cè)向位移

為減小坑角效應(yīng)對(duì)位移結(jié)果的影響，選取咬合樁東側(cè)距坑角30m位置處截面，沿樁身深度方向每0.5m取一點(diǎn)進(jìn)行分析，側(cè)向位移結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同開挖步下咬合樁樁身側(cè)向位移情況

由圖可知，隨著開挖深度逐漸增大，咬合樁樁身側(cè)向位移的分布趨勢(shì)有所改變，在開挖深度較淺時(shí)，樁身上部區(qū)域呈現(xiàn)出向坑外移動(dòng)的趨勢(shì)，側(cè)移值隨深度增加逐漸減小，在達(dá)到一定深度后樁身開始向坑內(nèi)位移，這一趨勢(shì)在第三次開挖支護(hù)之前均有所體現(xiàn)；在進(jìn)行第四次開挖后，樁身沿深度方向側(cè)移呈現(xiàn)出“中間大兩邊小”的趨勢(shì)，且整個(gè)樁身均向坑內(nèi)移動(dòng)。數(shù)值方面，前三次開挖樁身側(cè)移量變化并不明顯，樁頂位移分別為坑外向的 3.85mm、5.05mm 及 2.32mm，第二次開挖支護(hù)反而使得樁身上部區(qū)域進(jìn)一步向坑外位移，但樁底區(qū)域則隨著開挖逐漸向坑內(nèi)位移，究其原因可能是因?yàn)榍皟蓪渝^桿預(yù)應(yīng)力施加較大對(duì)樁身產(chǎn)生了一定的拉力造成的。由于后兩次開挖時(shí)錨桿施加預(yù)應(yīng)力均較小，這兩個(gè)工況下樁身的最大位移分別為4.41mm和10.42mm，相較前三次位移增幅較為明顯，但整體位移均在合理范圍內(nèi)。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，各樁頂水平位移觀測(cè)累計(jì)位移量介于-10mm～28mm之間，平均位移量為7.24mm，從側(cè)面證明了計(jì)算結(jié)果的可靠性。

圖5為不同施工工況下沖孔灌注樁沿樁身的側(cè)向位移情況，由圖可以看出其變化趨勢(shì)與咬合樁相似，開挖深度較淺時(shí)呈現(xiàn)出上部外移下部?jī)?nèi)移的趨勢(shì)，開挖較深后樁身中部側(cè)移增大較為明顯，樁底側(cè)移增幅可以忽略不計(jì)。從數(shù)值可以看出沖孔灌注樁支護(hù)形式下前四次開挖中樁頂均向坑外移動(dòng)，相比于咬合樁更為明顯；在最后一次開挖中，灌注樁樁身側(cè)移最大值為9.81mm，要略小于咬合樁的10.42mm，兩種支護(hù)形式下樁身側(cè)移的差值主要體現(xiàn)在樁中上部區(qū)域，樁底區(qū)域相差不大。可見咬合樁在減小樁身側(cè)向位移的效果與沖孔灌注樁相差不大，雖然咬合樁在施工工藝上的復(fù)雜程度要大于灌注樁，但鑒于咬合樁工程成本較小，防水效果更好，因此對(duì)于一些重要的工程而言，咬合樁無疑是更好的選擇。

圖5 不同開挖步下沖孔灌注樁側(cè)向位移情況

3.2 錨桿軸力

與側(cè)移類似選擇咬合樁東側(cè)距坑角30m處的截面，提取該截面處的四層錨桿自由段的軸力進(jìn)行分析，為簡(jiǎn)化計(jì)算，僅挑選最后一個(gè)工況下的軸力結(jié)果進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 兩種支護(hù)形式下各層錨桿的軸力情況

由圖可以看出，兩種支護(hù)形式下四層錨桿所受軸力的趨勢(shì)是一致的，軸力大小均呈現(xiàn)出二層>三層>一層>四層的趨勢(shì)，主要是因?yàn)樵诘谖宕伍_挖時(shí)，咬合樁和沖孔灌注樁的樁身側(cè)移在中部最大而兩端較小。此外，實(shí)體咬合樁四層錨桿的軸力大小均略大于灌注樁支護(hù)時(shí)的情況，差值均在10kN左右。數(shù)值方面，兩種形式下的軸力最大值分別為342.9kN 和 351.0kN，均在對(duì)應(yīng)錨桿的抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，基坑的安全性能得到保障。

3.3 基坑坑底隆起

提取了部分開挖步下基坑中心位置處坑底的隆起情況進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 兩種支護(hù)形式各開挖步下基坑坑底隆起情況

兩種支護(hù)形式下坑底隆起隨開挖深度的增大均呈現(xiàn)出不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但增長(zhǎng)幅度會(huì)隨著深度的增加有所減小，即開挖的進(jìn)行對(duì)坑底隆起的影響會(huì)逐漸減小。數(shù)值方面，兩種支護(hù)形式在各個(gè)施工步驟時(shí)坑底的隆起值相差無幾，均未超出0.2mm，且咬合樁和沖孔灌注樁在基坑開挖結(jié)束時(shí)的坑底隆起值分別為4.86mm 和 4.77mm，均在規(guī)范要求范圍內(nèi)，可見采用咬合樁支護(hù)能夠在降低工程造價(jià)的前提下較好的保證基坑的變形穩(wěn)定。

3.4 周邊地表沉降

為進(jìn)一步探究咬合樁支護(hù)形式下基坑的變形性狀，本小節(jié)選擇與上文相同截面處基坑外圍15m范圍內(nèi)地表的沉降情況進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8 兩種支護(hù)形式周邊地表沉降情況

兩種支護(hù)形式下周邊地表的沉降趨勢(shì)基本一致。在坑邊的5m范圍內(nèi)，由于施工荷載的作用，地表由隆起逐漸變?yōu)橄鲁翣顟B(tài)，且在距坑邊2m～5m范圍內(nèi)沉降值迅速增大，咬合樁和沖孔灌注樁兩種支護(hù)形式均在5m范圍內(nèi)土體沉降達(dá)到最大值，分別為 6.6mm和10.4mm，說明咬合樁在靠近坑邊范圍內(nèi)對(duì)周邊土體沉降的控制作用不佳；在距坑邊10m～15m的范圍內(nèi)，土體沉降值有所減小，咬合樁沉降值在這一范圍內(nèi)減小了3.2mm，這一降幅在灌注樁支護(hù)下為2.9mm，相差不多；5m～10m范圍內(nèi)，正常狀態(tài)下隨著土體位置遠(yuǎn)離坑邊，土體沉降會(huì)逐漸減小，但灌注樁在這一范圍內(nèi)的沉降值幾乎沒有變化，差值僅為0.5mm，主要是由于施工荷載在一定程度上加重了沉降程度，咬合樁支護(hù)下，這一范圍內(nèi)周邊土體的沉降值減幅卻達(dá)到了 4.6mm，并在距坑邊 9.5m 處的沉降值開始小于灌注樁，幾乎沒有受到施工荷載的影響。

總體上看，沖孔灌注樁形式下周邊地表沉降分布更為均勻，而咬合樁形式下的沉降分布跨度更大，沉降最大值也略大于沖孔灌注樁，故在實(shí)際工程中應(yīng)用咬合樁支護(hù)時(shí)，更應(yīng)重視施工荷載的大小及分布情況。

綜上所述，相比于傳統(tǒng)的沖孔灌注樁，咬合樁作為一種造價(jià)更低、防水效果更好的支護(hù)形式，在對(duì)基坑穩(wěn)定性上的貢獻(xiàn)也并未落后，雖然咬合樁的支護(hù)形式下樁身側(cè)移、錨桿軸力、坑底隆起及坑外地表沉降均略大于沖孔灌注樁，但兩者之間的差距并不大，因此在實(shí)際施工時(shí)，若施工工藝較為成熟，咬合樁為更合理的支護(hù)方式。

4 施工工藝

咬合樁作為一種新型的的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，由于其防水效果較好、施工對(duì)周圍環(huán)境擾動(dòng)較小以及施工成本較低的特性，在某些特定的工程條件下，具有很好的適用性和優(yōu)勢(shì)[16]，但由于咬合樁施工工藝復(fù)雜、施工難度較大，有必要在此對(duì)樁體施工工藝及流程進(jìn)行介紹。

本次工程咬合樁采用MAC2000型液壓搖動(dòng)式全套管鉆機(jī)配合履帶式起重機(jī)進(jìn)行施工。單樁的施工方式較為簡(jiǎn)單：先施工導(dǎo)墻，在導(dǎo)墻混凝土有足夠強(qiáng)度后，開始取土成孔，在保證樁身垂直度的前提下邊抓土邊下壓套管，成孔結(jié)束后清除孔內(nèi)虛土和沉渣，對(duì)鋼筋混凝土葷樁進(jìn)行吊放鋼筋籠的操作，最后灌注混凝土并拔管成樁。

咬合樁是由未配筋的混凝土素樁與鋼筋混凝土葷樁間隔布置而成，施工時(shí)先澆筑兩根相鄰的素混凝土A樁，后澆筑施工鋼筋混凝土B樁，通過在B樁成孔時(shí)利用套管鉆機(jī)的切割能力切割掉相鄰A樁的部分混凝土，實(shí)現(xiàn)相互咬合，因此在A樁灌注混凝土中需摻入適量的混凝土減水劑，延緩混凝土初凝時(shí)間確保施工方案的實(shí)施。施工流程如圖9所示。

圖9 咬合樁施工順序圖

5 結(jié)論

文章利用某一深基坑開挖項(xiàng)目作為基礎(chǔ)，利用MIDAS/GTS軟件建立了實(shí)體咬合樁模型，計(jì)算了基坑在咬合樁支護(hù)形式下基坑整體的穩(wěn)定性情況，并利用等剛度原則將沖孔灌注樁及止水帷幕等效成一定厚度的地連墻，設(shè)置在相同位置處以比較兩種支護(hù)形式的優(yōu)劣性能，具體得出了以下結(jié)論。

①在基坑開挖深度較淺時(shí)，咬合樁及沖孔灌注樁樁身上部區(qū)域均向坑外位移，且開挖深度的增加對(duì)樁身各點(diǎn)側(cè)向位移的影響均不大；當(dāng)開挖深度達(dá)到一定值后，兩種支護(hù)形式下樁身均向坑內(nèi)呈現(xiàn)出“中間大兩邊小”的趨勢(shì)，在最后一次開挖時(shí)兩者樁身的最大側(cè)移分別為10.42mm及9.81mm，差值并不明顯。

②咬合樁及沖孔灌注樁兩種支護(hù)形式下四層錨桿的軸力均呈現(xiàn)出二層>三層>一層>四層的趨勢(shì)，但咬合樁形式下各層軸力均略大于沖孔灌注樁，兩種形式下基坑坑底隆起變化情況相似，且數(shù)值差距也僅在0.2mm左右。

③由于施工荷載的影響，兩種支護(hù)形式下坑邊地表的沉降均較大，并隨著遠(yuǎn)離坑邊沉降值逐漸減小；兩者坑邊沉降最大值均發(fā)生在距坑邊5m左右，但咬合樁沉降值更大，差值達(dá)到了3.8mm，說明咬合樁受施工荷載的影響更大。

④介紹了咬合樁的施工工藝流程，先澆筑相鄰兩側(cè)素混凝土樁，再利用全套管鉆機(jī)進(jìn)行葷樁成孔的同時(shí)，切割掉相鄰的部分素樁以實(shí)現(xiàn)相互咬合，整個(gè)過程施工擾動(dòng)小、咬合面結(jié)合緊密，在工程中支護(hù)效果也較好。