排樁與抗滑樁在基坑與邊坡支護中的選擇及應用

李鴻賓，程 烈，陳晚華

（1.四川江源工程咨詢有限公司，四川成都 610011；2.四川港航建設工程有限公司，四川成都 610011）

引言

基坑支護主要是確保支護結構能起擋土作用，基坑邊坡保持穩(wěn)定；確保相鄰的建（構）筑物、道路、地下管線的安全；不因土體的變形、沉陷、坍塌受到危害；通過排降水，確保基礎施工在地下水位以上進行。基坑支護結構類型主要分支擋式結構、土釘墻、重力式水泥土墻、放坡等。

基坑主要分為三級[1]：其結構重要性系數(shù)見表1。基坑設計中，對基坑變形監(jiān)測是非常重要的指標，通過變形可觀察支護結構的安全性，對潛在危險進行預警，基坑變形的監(jiān)測值見表2。

表1 基坑支護結構重要性系數(shù)

表2 基坑變形監(jiān)控值

邊坡支護是指為保證邊坡及其環(huán)境的安全，對邊坡采取的支擋、加固與防護措施。常用的支護結構型式有：錨桿支護、抗滑樁支護、重力式擋土墻、錨桿擋土墻支護等。

建筑邊坡安全等級分為三級[2]，其安全系數(shù)見表3。

表3 建筑邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)設計標準

趙尚毅[3]等對抗滑樁設計安全系數(shù)標準進行了討論，基于穩(wěn)定性分析計算得到的側向巖土荷載，滿足穩(wěn)定安全系數(shù)設計標準時不宜再考慮荷載分項系數(shù)，取2 種方法的極大值進行結構設計。

目前，根據(jù)相應規(guī)范[4]，樁頂水平位移限定值可采用懸臂段長度的1/100 控制，且樁頂位移不宜大于10 cm。根據(jù)這個要求，在實際工程設計的時候抗滑樁的樁頂允許變形也是以此為基準進行經(jīng)驗取值。

邊坡抗滑樁支護和基坑排樁支護有共同之處也有不同。抗滑樁是穿過滑坡體深入于滑床的樁柱，用以支擋滑體的滑動力，起穩(wěn)定邊坡的作用，適用于淺層和中厚層的滑坡，是一種抗滑處理的主要措施。抗滑樁是憑借樁與周圍巖、土的共同作用，把邊坡下滑推力或主動土壓力傳遞到穩(wěn)定地層，即利用穩(wěn)定地層的錨固作用和被動抗力來平衡滑坡推力，提高斜坡穩(wěn)定性[5]。土質(zhì)較好時，樁之間也會形成土拱，加大樁基的整體承載力。當滑坡體下滑時受到抗滑樁的阻抗，使樁后滑體達到穩(wěn)定狀態(tài)。使用抗滑樁，土方量小，施工需有配套機械設備，工期短，是廣泛采用的一種抗滑措施。

基坑支護結構是依靠基坑中土層對進入土層的支護結構的水平壓力與支護結構上部的拉錨或支撐提供的與水平壓力方向相同的作用力來抵抗坑壁土和水產(chǎn)生的水平壓力來保證坑壁土的穩(wěn)定，限制坑壁土的變形，保證基坑開挖和基礎結構施工能安全、順利地進行。

楊斌[6]對排樁支護結構設計中計算方法和參數(shù)取用進行了初步探討，經(jīng)典法計算過于保守，易造成浪費，彈性法更加符合實際。程雪松[7]等連續(xù)冠梁的存在可以降低荷載傳遞系數(shù)，使處于同樣局部破壞情況下的基坑降低連續(xù)破壞發(fā)生的可能性，對提高基坑支護結構抗連續(xù)破壞的能力有重要作用。

抗滑樁適用于永久工程，基坑支護適用于臨時工程。若為永久工程，采用基坑排樁支護設計時，應結合樁基永久支護構造要求進行設計，其穩(wěn)定安全系數(shù)應結合永久工程選取。共同之處在于都是利用樁基本身的強度來抵抗土體側壓力作用。結合工程案例，研究排樁和抗滑樁設計，研究支護選擇方式并結合實際進行運用。

1 排樁及抗滑樁應用

1.1 案例1

某房屋建筑工程，用地紅線東西方向道路高程分別283.00 m 和278.00 m，高差約5 m，擬以東側高程為地面高程，西南側回填，建設該房屋建筑。選取典型斷面，建筑紅線內(nèi)設計道路高程283.95 m，建筑紅線外側設計高程277.80 m，現(xiàn)狀地面高程為277.35 m，表層土清理后，擬在原始地面回填6.85 m修筑地下室，回填后形成6.85 m 邊坡，其計算簡圖見圖1。

圖1 計算簡圖

回填土重度取18.5 kN/m3，飽和重度20 kN/m3，粘聚力c=0 kPa，內(nèi)摩擦角25 °，水下粘聚力c=10 kPa，內(nèi)摩擦角25 °。道路荷載取q=17.63 kpa。

建筑區(qū)域內(nèi)地質(zhì)物理力學參數(shù)見表4。

表4 地質(zhì)物理力學參數(shù)表

1）排樁計算

采用排樁支護設計時，破壞后果影響嚴重，支護結構安全等級為二級，結構重要性系數(shù)為1.0，該支護為永久工程，取重要性系數(shù)為1.30。

①模型建立

采用排樁支護進行設計時，通過理正軟件進行計算，其計算模型見圖2。

圖2 基坑計算模型

②計算結果

根據(jù)計算，樁基最大彎矩為16 993 kN·m，最大剪力為2 116 kN。樁長為26 m，樁身最大位移為30.95 mm。樁徑為1.2 m，樁間距為3.0 m，并設冠梁，寬度為1.8 m，高度1.2 m。

2）抗滑樁計算

采用抗滑樁支護設計時[8]，該邊坡為永久邊坡，破壞后果嚴重，安全等級為二級，穩(wěn)定安全系數(shù)為1.30。采用抗滑樁支護進行設計時，樁基嵌固段頂端地面處的水平位移不宜大于10 mm。首先計算下滑力，然后根據(jù)剩余下滑力進行抗滑樁計算。

①模型建立

因回填6.85 m 高，將回填土視為一層，主要計算回填土的下滑力，地基土簡化為一層土，下滑力計算模型見圖3 和計算結果見圖4。

圖3 下滑力計算模型

圖4 計算結果圖

②計算結果

最不利滑動面：

滑動圓心=（-11.708，6.850）m；

滑動半徑=13.563 m；

滑動安全系數(shù)=0.187；

總的下滑力=163 kN；

總的抗滑力=31 kN。

③抗滑樁支護設計

計算方法采用m 法，通過計算滿足設計要求抗滑樁樁總長為16.50 m，錨固點覆土厚度為1.5 m，嵌入深度8.25 m，樁徑為1.50 m，樁間距為4.0 m。

樁最大彎矩為4 755 kN·m，距離樁頂11.41 m，最大剪力為914 kN，距離樁頂16.16 m，樁頂最大位移為54.5 mm。

朱泳[9]等在抗滑樁加固邊坡穩(wěn)定性影響因素的參數(shù)分析，選取樁頭水平位移進行研究，通過對樁頭位移-堆載關系曲線擬合，得出樁頂位移為44.3 mm，與本算例中第1 種情況吻合。

3）對比分析

通過上述兩種設計支護方案，兩者樁長相差9.5 m，樁徑相差0.3 m，樁間距相差1.0 m，兩方案，抗滑樁支護設計較優(yōu)，其計算結果對比表見表5。

表5 計算結果對比表

1.2 案例2

某堤防工程，堤頂高程為354.00 m，堤頂寬度約2.55 m，面坡1:1.5，背坡1:3，堤防高程約5 m。因堤防下游修建航電樞紐，設計洪水位為358.00 m，超出堤頂4 m。對現(xiàn)有堤防進行加高加固。加固堤防一是不能過多侵占河道，影響河流泄洪；二是因堤防工程背坡有重要構筑物，也不能往堤后侵占太多空間。從地質(zhì)情況來看，防止地基沉降過大以及不均勻沉降，新建堤防基礎應置于砂卵石層，根據(jù)斷面條件，新建堤防基礎標高為342.00 m，堤頂取0.5 m 超高，高程為358.50 m，堤防高程約16.5 m，所以采用部分且垂直開挖的保護方式，開挖老堤防，形成基坑深度為12 m 的垂直邊坡。其計算簡圖見圖6，地質(zhì)物理力學參數(shù)見表6。

圖6 某堤防工程計算簡圖

表6 地質(zhì)物理力學參數(shù)表

堤頂荷載取5 kPa，作用寬度為4 m，距離坑邊距離1 m。堤后重要構筑物荷載取10 kPa，作用寬度1 m，距離坑邊距離1 m。

1）排樁計算

①模型建立

采用基坑排樁支護設計時，破壞后果影響嚴重，支護結構安全等級為二級，結構重要性系數(shù)為1.0，通過理正軟件進行計算，其計算模型見圖7。

圖7 基坑計算模型

②計算結果

根據(jù)計算，樁基最大彎矩為12 075 kN·m，最大剪力為1 361 kN。樁長為25 m，樁身最大位移為22.1 mm。樁徑為1.2 m，樁間距為2.5 m，并設冠梁，寬度為1.6 m，高度1.0 m。

2）抗滑樁計算

采用抗滑樁支護設計時，該邊坡為臨時邊坡，破壞后果嚴重，安全等級為二級，穩(wěn)定安全系數(shù)為1.20。設計時，首先計算下滑力，然后根據(jù)剩余下滑力進行抗滑樁計算。

①模型建立

基坑以上分兩層土，厚度分別為1 m 和11 m，下滑力計算模型見圖8 和計算結果見圖9。

圖8 下滑力計算模型

圖9 計算結果圖

圖10 抗滑樁計算簡圖

②計算結果

最不利滑動面：

滑動圓心=(-19.247，11.760) m；

滑動半徑=22.513 m；

滑動安全系數(shù)=0.359；

總的下滑力=433 kN；

總的抗滑力=153 kN。

③抗滑樁支護設計

計算方法采用m 法，通過計算滿足設計要求抗滑樁樁總長為25 m，錨固點覆土厚度為1.5 m，嵌入深度11.5 m，樁徑為1.9 m，樁間距為2.5 m。

樁最大彎矩為10 762 kN·m，最大剪力為1 946 kN，樁頂最大位移為79.5 mm。

3）對比分析

通過上述兩種設計支護方案，兩者樁長相同，樁徑相差0.7，樁間距相同，兩方案，排樁支護設計較優(yōu)。其計算結果對比表見表7。

表7 計算結果對比表

2 拓展分析

對于某建筑工程，通過抗滑樁設計及基坑排樁設計，以軸線100 m 計算，對比經(jīng)濟性，采用抗滑樁支護較優(yōu)，較排樁支護，抗滑樁工程量約為其74 %。此建筑工程回填形成的基坑，采用抗滑樁設計較優(yōu)。

對于某堤防工程，通過抗滑樁設計及基坑排樁設計，以軸線100 m 計算，對比經(jīng)濟性，采用排樁支護較優(yōu)，較抗滑樁支護，排樁工程量約為其40 %。采用軟件計算時，抗滑樁可直接可模擬堤防的背坡實際情況，而采用排樁支護時，排樁背側為半無限體，增加了背側填土，但是，在對比計算時，反而排樁設計較優(yōu)。

因此，對于不同工程，不同的開挖深度，不同的地質(zhì)情況，所采用的支護方式應多方面考慮，選擇最優(yōu)的方案。主要是由于邊界條件的不同，地質(zhì)條件存在差異。

為對比此兩個工程，增加兩組模型計算，一是建筑基坑，將基坑深度增加到12 m 進行計算；二是堤防支護，將基坑深度減小到6.85 m。通過計算對比，計算結果表8 和表9。

表8 計算結果對比表（h=12m）

表9 計算結果對比表（h=6.85m）

通過表中可得知：當基坑深度較深時，堤防與建筑都是排樁支護較優(yōu)，而建筑中抗滑樁直徑和間距相當。

通過表中可得知：當基坑深度較淺時，堤防與建筑都是抗滑樁支護較優(yōu)。

從兩個表對比來看，當基坑深度為12 m 時，排樁支護結構較優(yōu)，兩個案例對比，堤防工程排樁優(yōu)勢比較明顯，其主要原因是地質(zhì)條件相對較好。當基坑深度為6.85 m 時，抗滑樁支護結構較優(yōu)，兩個案例對比，堤防工程抗滑樁優(yōu)勢較明顯。因此，當基坑由6.85 m 向12 m 遞增時，必然會出現(xiàn)，兩種支護結構方式在經(jīng)濟上相當。因各個工程地質(zhì)等邊界條件不相同，因此，無法定性分析臨界具體的深度。但可得知，在支護設計時，若基坑或邊坡開挖受外界條件限制，無法采用放坡型式，采用排樁或抗滑樁支護時，可通過兩種方式對比進行分析，選取最優(yōu)方案進行支護設計。

3 變形監(jiān)測

上述某建筑工程案例于2019 年已完建，完建后通過監(jiān)測水平位移[10]，其監(jiān)測值見表10 和圖11。

圖11 典型斷面水平位移監(jiān)測值圖

表10 位移監(jiān)測值

經(jīng)過完建后1 年的監(jiān)測，該典型斷面位移值最大為14.78 mm，其平均變化速率和累計變化量在控制范圍內(nèi)，后期隨時間變化逐漸趨于穩(wěn)定。結論證明，該建筑工程采用抗滑樁設計基本合理。

4 結語

1）在基坑與邊坡支護中，選用的排樁支護與抗滑樁支護有共同之處也有不同之處。在開挖受外界條件限制，無法采用放坡型式，采用排樁或抗滑樁支護時，可通過兩種方式對比進行分析，選取最優(yōu)方案進行支護設計。

2）不同深度的基坑和邊坡，采取抗滑樁或排樁經(jīng)濟性不同。當深度較小時，抗滑樁支護具有一定優(yōu)勢；當深度較大時，排樁支護具有一定的優(yōu)勢。因此，結構支護時，建議多方案進行比較論證。

3）當永久工程采用基坑排樁支護設計時，應結合樁基永久支護構造要求進行設計，其穩(wěn)定安全系數(shù)應結合永久工程選取。