富水軟弱地層雙排樁深基坑力學特性研究

孫劍平孟祥旭何天武江宗寶韓健勇

(1.山東建筑大學土木工程學院，山東 濟南 250101；2.山東建筑大學工程鑒定加固研究院有限公司，山東 濟南 250013)

0 引言

對于富水軟弱場地，在基坑開挖時常遇到兩個問題:(1) 地下水位高，土體軟弱，支護結構承受的水、土壓力大，結構自身的內力和變形量大；(2) 基坑降水會引起周邊場地的土體固結及不均勻沉降現象，對周圍環境的安全和周邊建筑的正常使用造成影響。 為了解決上述問題，通常需要提高支護結構的剛度、設置止水帷幕及采用回灌等措施。

雙排樁支護結構是一種由兩排鋼筋混凝土樁、樁頂連梁和樁頂冠梁構成的空間門架結構。 相較于單排懸臂樁，雙排樁具有更高的抗側移剛度，可以有效地控制側向變形；與樁錨支護結構相比，可以有效地防止因鉆孔而引起的滲漏和涌水流砂的風險；而對比內支撐圍護結構，其施工更方便且工期更短。因此，采用雙排樁支護結構結合水泥土攪拌樁進行截水、帷幕外回灌的支護技術，已廣泛用于富水軟弱場地的基坑開挖。 考慮到土層軟弱，為了更好地控制支護結構的變形，可以在樁頂加一道預應力錨桿。

學者們針對雙排樁支護結構體系力學特性的研究已開展了大量工作，在計算模型[1-5]、模型試驗[6-8]、數值模擬[9-12]等方面均取得了一定的研究成果，JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規程》[13]中也給出了雙排樁支護結構的設計方法。 聶慶科等[14]研究了某一雙排樁支護結構的土壓力、樁身內力、冠梁內力、土體位移，分析了基坑開挖的空間效應、冠梁剛度對土壓力的影響、支護結構的變形與土壓力分布的關系。 左殿軍等[15]研究了某一非等長雙排樁的樁身內力，并通過規范法計算后排樁不同嵌固深度下的樁身內力變化，但其開挖深度較淺。周鵬華等[16]監測了雙排樁的樁身內力、樁頂連梁內力、土體深層位移，并結合Midas 有限元軟件展開了分析。 雙排樁-錨桿支護結構在工程實踐中也有應用，學者們采用數值模擬的方法研究了受力機理和變形特征等[17-22]，對于現場工程實例開展了現場監測分析，但尚未有系統的理論研究和較為完整的現場測試，亟需對雙排樁支護結構體系支護力學特性進行深入研究。

針對聊城市某富水軟弱場地深基坑的工程特點，現場監測了雙排樁樁身內力、樁頂位移、土壓力、土體深層位移、錨桿應力等，得出了不同工況下支護結構的受力特征及變化規律；結合現場試驗數據，通過數值模擬分析了不同工況下支護結構的內力和變形規律，為同類支護結構的設計和計算提供了參考依據。

1 工程概況

1.1 基坑工程介紹及場地周邊環境條件

某基坑工程位于黃河下游沖積平原，地下結構外墻線長為172.0 m、寬為68.7 m，基底自天然地面算起為12.6 m。 地下室外墻線北側距紅線18.5 m，距4 棟4～6 層砌體結構住宅樓(天然地基、淺基礎)外墻最近處19.6 m；西側邊線距紅線20.5 m，距5 層砌體結構住宅樓(天然地基、淺基礎)外墻30.9 m；東側距人行道邊緣線24.6 m；南側距已建建筑物地下室外墻線6.8 m，南側已建建筑物地上19 層，地下1 層(樁筏基礎)。 基坑平面布置圖如圖1 所示。

圖1 基坑平面布置圖(單位:m)

1.2 場地工程地質與水文地質條件

場地工程地貌單元單一，地形較為平坦。 場地內土層主要為雜填土、粉質黏土、粉土、粉砂、粉細砂等，各土層厚度及物理、力學參數見表1。

表1 各層土物理參數

場地地下水為上部第四紀孔隙潛水和粉細砂中的弱承壓水，場地地下水位埋深為3.0 m。

1.3 基坑支護方案選擇及設計概況

基坑工程存在的難點有:(1) 上部5 層土體較軟；(2) 地下水位偏高，下部有弱承壓水；(3) 基坑西側和北側受紅線控制；(4) 西、北邊的居民樓基礎埋深淺、建造時間較長、整體性差。 若采用樁錨支護，由于預留肥槽和上部土層條件不佳，錨桿長度難以達到要求，而在粉砂、粉土層中鉆孔后，在鉆孔后易出現滲漏、涌水、流砂等風險，而帷幕滲漏則會因水位降低，導致居民樓開裂的風險。 如果采取支護樁(設止水帷幕)、咬合樁、地下連續墻結合內支撐等支護方案，施工周期將延長3 個月，成本也將成倍增長。

針對現場地質條件和周邊環境的情況，采取了雙排樁-錨桿支護結構；選用了三軸攪拌樁止水帷幕，帷幕內管井降水，帷幕外設置回灌井的地下水控制方案，止水帷幕設置在坑壁外10 m 處，在后排樁處及坑內設降水井。 采用該方法可有效地改善坑壁與帷幕之間的土體的物理力學性能，并提高坑后土體的穩定性。 由于采用了雙排樁支護方式，且錨桿在后排樁頂，故基坑未設肥槽，在前排樁采用混凝土噴面用作防水基層，可減少挖土量、增加基坑與周邊建筑物的距離。

支護樁樁徑為0.8 m、樁排距為4.0 m、樁間距為1.6 m，樁頂冠、連梁尺寸分別為0.8 m×0.8 m 和0.9 m×0.8 m；支護樁、冠梁和連梁混凝土強度等級為C30。 預應力錨桿長22.0 m、自由段5.0 m、預加力180 kN、間距為1.6 m。 場地地層及基坑支護結構剖面圖如圖2 所示。

圖2 支護剖面圖(單位:m)

2 現場試驗方案設計

測試了不同開挖階段的支護樁的鋼筋應力、土壓力、錨桿內力、土體深層位移、樁頂水平位移、樁頂豎向位移，并根據實測結果計算支護樁的彎矩，研究了不同開挖階段雙排樁-錨桿支護結構的內力、土壓力和位移之間的關系，為雙排樁-錨桿支護結構的設計提供了可靠資料，并為雙排樁-錨桿設計方案的優化提供了依據。

沿著基坑周邊布設樁頂變形監測點，每間隔20～25 m設一個監測點。 為了盡可能減少基坑空間效應對試驗的影響，以基坑邊的中部為試驗點，測點位置(圖1 已標明)。 在試驗樁處設置深層水平位移監測點，并在雙排樁后埋設測斜管，測斜管底與樁底處于同一標高。

支護樁的鋼筋應力用振弦式鋼筋應力計測試。樁身鋼筋計設于前、后兩排樁的內側外側，也就是沿開挖側及迎土側的主筋，從樁頂2.30 m 起，每隔2.25 m設一對鋼筋計，共設9 對18 支鋼筋應力計。支護樁主筋和鋼筋計之間用套管連接。

樁間土壓力測點從樁頂8.0 m 處每隔5.0 m 設置一個土壓力計；被動區土壓力測點在距基坑底部3.7 m處每隔2.0 m 設置一個土壓力計。 測試儀器布置情況如圖3 所示。

3 現場試驗結果分析

3.1 位移測試分析

樁頂位移曲線圖如圖4 所示，其中，He為基坑開挖深度。 在基坑開挖前，預降水并將基坑的水位降至開挖面以下6.0 m，而基坑開挖后，保證水位處在施工面以下2.0 m。 由于進行了預降水，故在基坑開挖之前已有一定的豎向位移。 試驗點的水平和豎向位移遠小于規范規定值。 測點處開挖到基坑底一段時間后，樁頂水平位移、豎向位移、樁身彎矩、連梁彎矩都在持續增加，同時測點附近土體的卸載也會對測點產生影響，這反映了基坑的時空效應。

雙排樁后土體深層位移如圖5 所示。 在相同位置上，測斜管所得到的支護結構的頂部位移與相同部位的冠梁頂水平位移相近，說明試驗結果是可靠的。 深層水平位移集中在基坑底部以下0 ～5 m 范圍內。 由于樁頂預應力錨桿的限制作用，最大變形發生在樁頂以下4.5 m 處，而不是在樁頂處。

3.2 樁身內力測試分析

樁身的鋼筋軸力圖如圖6 所示。 由圖6(a)和(b)可看出，在前排樁迎土側鋼筋在開挖面上以上為受壓，而在開挖面以下則是受拉，并且拉壓界限有向下移動的趨勢；最大壓應力發生在6.8 m 處，最大拉應力發生在15.8 m 處；鋼筋應力圖的形狀為S形。 當開挖深度為4.0 和6.5 m 時，2.30 m 處鋼筋承受的壓應力＞4.55 m 處鋼筋的壓應力，而隨著開挖深度的增加，4.55 m 處鋼筋的壓應力逐漸＞2.30 m處的壓應力。 當開挖深度為4.0 和6.5 m時，6.80 和9.05 m處的鋼筋為受拉鋼筋，而當開挖深度為10.5 m時，鋼筋由受拉轉為受壓。 前排樁開挖側的鋼筋在開挖深度為4.0 m 時，除了2.30 m處為受壓鋼筋外，其他均為受拉鋼筋。 在13.05、15.80、18.05 m處，隨著開挖深度的增加，鋼筋從受拉轉為受壓并逐漸增大；在基坑開挖面以上的區域，單排樁在開挖側為受拉，而在該工程中，由于樁頂冠梁的限制作用，相當于樁頂處施加了一個橫向約束力和轉動彎矩，使樁頂不能自由轉動，結構整體剛度大；由于頂部設置了一道錨桿，在其共同作用下，雙排樁開挖側樁頂處受壓；其最大拉應力發生在6.80 m 處。

由圖6(c)和(d)可知，后樁樁開挖側鋼筋主要為受拉，其最大拉力點在4.55 m 處。 當開挖深度為4.0、6.5 m 時，9.05 m 處鋼筋為受壓鋼筋；當開挖深度繼續增加，轉為受拉鋼筋且拉應力逐漸增大。 當開挖深度為4.0、6.5 m 時，13.55 m 處鋼筋為受拉鋼筋；當開挖深度為10.5 m 后，鋼筋從受拉轉為受壓。后排樁的迎土側鋼筋主要受壓，其最大的壓力點在2.30 m處。 由于錨桿設在后排樁頂，當開挖深度增加時，2.30 m 處鋼筋的應力增大幅度明顯高于4.55 m處鋼筋的應力。

根據材料力學關于梁的彎曲變形和應力分析理論，樁身彎矩的換算由式(1)表示為

式中M為樁身彎矩，kN·m；E為樁體的復合模量，kPa；I為樁截面的慣性矩，m4；b0為拉壓測點的間距，m；Δε為支護樁同一截面上兩個鋼筋計之間的軸向應變差，由式(2)表示為

式中σs為鋼筋計測得的應力，kPa；Eg為鋼筋彈性模量，MPa。

如圖7 所示，與雙排樁樁頂不設置錨桿時相比，設置了錨桿的前、后排樁樁身應力出現明顯變化。

圖7 樁身彎矩圖

由圖7(a)可知，前排樁的樁身彎矩呈S 形，其反彎點隨開挖深度的增加逐漸下移至開挖面附近。前排樁的最大正彎矩在前排樁上部的1/3 處，而最大負彎矩在前排樁下部1/4 處，最大正彎矩是最大負彎矩的1.78 倍。

由圖7(b)可知，后排樁樁身彎矩基本表現為正彎矩，即其前側受拉。 當開挖深度為4.5 m 時，由于錨桿的限制作用，2.30 m 處的彎矩＜4.55 m 處的彎矩，樁身彎矩呈S 形，在開挖6.5 m 后，樁身彎矩呈拋物線形。

在樁排距較小時，雙排樁表現出懸臂樁特性，且前、后排樁的受力特征相似。 樁排距較大時，后排樁有拉錨的特征[10]。 工程的樁排距為5D(D為樁徑)，前排樁彎矩為S 形，后排樁為拋物線形，具有拉錨的特征。 與后排樁彎矩相比，前排樁彎矩顯著大于后排樁彎矩。 在測點處開挖至坑底后，繼續向南側挖土，樁身彎矩仍在增加，而后排樁彎矩的變化更加顯著，因此雙排樁的受力并非單純的平面應力狀態，而是具有顯著的空間效應，在測點附近的開挖會對測點處支護結構的受力產生一定影響。

3.3 土壓力測試分析

雙排樁的土壓力如圖8 所示。 隨著開挖深度的增加，樁間土壓力整體呈下降趨勢，在土體開挖6.5 m后第15 天土壓力最小，土體開挖11.1 m 時土壓力增大，在其后第6 天土壓力逐漸降低，并隨后土壓力略微增大并逐漸穩定。 被動區土壓力總體上呈減小趨勢，土體開挖6.5 m 后第15 天土壓力最小，開挖11.1 m后的土壓力持續增大并逐漸穩定。 坑內土體的卸載和土體回彈是導致土壓力下降的主要原因。 當開挖至11.1 m 時，土壓力急劇增大，其原因是基坑中土體卸載作用引起了樁身變形增加，從而使土體受到擠壓，導致土壓力變大，之后土壓力趨于穩定。

圖8 雙排樁土壓力圖

基坑未開挖時的土壓力對比圖如圖9 所示，不同開挖深度土壓力對比如圖10 所示。 土壓力的分布呈三角形。 從未開挖到開挖4.0 m 時的土壓力減小，可看作從靜止土壓向主動土壓力的轉化。 被動區土壓力基本呈三角形，但比極限平衡條件下的被動土壓力(398 kPa)小得多。 對比同一時間的被動區和樁間土壓力，可看出未開挖時樁間土壓力比被動區的土壓力要大，而在開挖后樁間土壓力小于被動區的土壓力，表明在開挖過程中，樁與被動區土體產生擠壓，從而導致被動區土壓力比樁間土壓力大。

圖9 未開挖土壓力對比圖

圖10 不同開挖深度土壓力對比圖

4 有限元模型

采用ABAQUS 有限元程序模擬了基坑的動態開挖過程。 黃河典型沖積土的強度特征與莫爾庫倫屈服準則相一致，且莫爾庫倫模型的材料參數易于獲得，故文章中土體選用莫爾庫倫模型。 數值模擬中土體的力學參數參照巖土工程勘察報告取值。 根據已有研究成果，基坑開挖對周圍環境的影響范圍是3～5 倍開挖深度，因此在建立模型時，土體采用4 倍開挖深度的方法。 在考慮了支護結構的布置和計算資源的前提下，選擇了5 對支護樁(2 跨連梁)建立模型，模型尺寸為60 m×8 m×50 m。

土體參數和支護結構參數按照實際工程參數取值。 支護樁樁徑為0.8 m、樁排距為4 m、樁間距1.6 m；冠、連梁截面尺寸分別為0.8 m×0.8 m 和0.9 m×0.8 m；預應力錨桿的預加力為180 kN；基坑的開挖深度為11.1 m。 有限元分析模型圖如圖11 所示，樁后的超載取10 kPa、建筑物荷載為45 kPa，其與基坑邊的距離為30.9 m。 模型分為5 步實現開挖，除了第一步開挖為3.1 m 外，其余每一步均開挖2 m，通過對土體的分步鈍化，實現了基坑的動態開挖過程。開挖至基坑底部的支護結構應力云圖如圖12 所示。

圖11 有限元分析模型

數值模擬彎矩圖如圖13 所示。 對比實測結果與數值模擬，二者之間的規律大致相同。 隨著基坑的開挖，前、后排樁和連梁的彎矩逐漸增大，其排樁和連梁的彎矩形狀與實測數據大致相同。

5 結論

通過現場監測及相關研究得到以下結論:

(1) 雙排樁-錨桿支護結構的樁頂位移為5.5 mm，土體深層最大位移為6.3 mm，均遠小于規范限制值，對于黃河沖積形成的富水軟弱地層的深基坑工程，雙排樁-錨桿支護結構具有較好的支護效果。

(2) 雙排樁-錨桿支護結構中，由于樁頂錨桿的作用，加之冠梁和連梁的存在，改變了雙排樁的受力特性；前排樁彎矩呈S 形，反彎點位置在開挖面附近，后排樁彎矩主要為正彎矩，其數值小于前排樁。樁后土壓力受基坑開挖深度與樁體變形影響顯著，支護結構的變形會對雙排樁的受力產生影響，雙排樁支護結構的內力和變形受多種因素共同影響。