組合式雙排樁支護結構在軟土地區基坑工程中的設計與實踐

上海建工集團工程研究總院 上海 201114

1 基坑工程概況

1.1 工程概況

浦江鎮125-4地塊位于上海市閔行區，北鄰陳行公路，南側毗鄰周浦塘，西側為浦秀路，東側為浦錦路。主體工程包括地上多幢高層公寓、多層商業，以及商業街、企業會所與酒店式公寓3個區域的地下1層整體車庫，地下車庫均為鋼筋混凝土框架結構，采用樁筏基礎。

基地內部地勢較平坦，東側和北側的周邊環境比較復雜：基坑東側浦錦路下分布有3條市政管線（最近的1根電力管線進入場地內部），與基坑之間的距離為1.28～5.40 m，且在基坑開挖過程中不予搬遷，成為該側支護結構施工的關鍵；基坑北側陳行公路下埋設有多條市政管線，最近的電力管線與基坑間距4.80 m，對圍護選型有一定限制。基坑南側23 m外為周浦塘防汛通道，西側浦秀路下的管線與基坑間距均在8.50 m之外。

基坑平面形狀接近矩形，總面積約為4.70×104m2，周長約為974 m，普遍開挖深度為5.30 m。

1.2 工程地質條件

根據所掌握的地質勘察資料，本工程場地為上海地區濱海平原典型軟土地層，擬建場地深55.00 m范圍內的地基土屬第四紀全新世及上更新世沉積物，主要由飽和黏性土、粉性土及砂土組成，一般呈水平層理分布。本基坑開挖涉及的土層主要有：②褐黃-灰黃色粉質黏土，③灰色淤泥質粉質黏土夾黏質粉土，④灰色淤泥質黏土，⑤1a灰色黏土，⑤1b灰色粉質黏土夾黏質粉土，⑥暗綠-草黃色粉質黏土。

對本工程設計及施工有影響的地下水主要是淺部土層的潛水，對混凝土有弱微腐蝕性。擬建場地潛水受大氣降水及地表徑流補給，地下水靜止水位埋深為1.40～2.01 m，其絕對高程為2.63～3.75 m。

2 基坑支護方案

2.1 方案選型

受用地紅線的限制，本基坑除西南側的企業會所區域可采用水泥土重力式圍護墻外，其他側均缺乏足夠的施工空間。

在綜合考慮各方意見、場地土層條件、施工可行性、經濟性等因素后，本工程在北側商業街區域單獨分坑并采用SMW工法樁+1道水平鋼支撐的支護形式；東側酒店式公寓區域為保護場地內的電力管線，在東北和東南角均采用SMW工法樁+1道鋼筋混凝土角撐的支護形式，該側中部則采用水泥土重力式圍護墻內套打雙排樁的懸臂自立式組合支護結構，避免了內支撐的設置，結合合理的挖土施工方案，能有效控制圍護體變形，確保鄰近管線的安全和正常使用[1,2]。

2.2 組合式雙排樁支護結構

雙排樁支護結構將前后排鉆孔灌注樁通過壓頂梁和橫向連梁連接形成空間門架式支護結構體系，具有較大的側向剛度，可以有效控制基坑的變形，且雙排樁支護結構為超靜定結構，在復雜多變的外荷載作用下能自動調整結構本身的內力，使之適應復雜的荷載條件。在本工程基坑中利用雙排樁側向剛度大的特點，作為水泥土重力式圍護墻的補強措施，而搭接施工的水泥土重力式圍護墻也彌補了雙排樁不具隔水功能的缺陷，二者各盡所長，協同作用，形成了有效的新型擋土止水結構。

本工程中組合式雙排樁支護結構的具體布置形式如圖1、圖2所示：水泥土重力式圍護墻采用格柵式φ700 mm@500 mm雙軸水泥土攪拌樁，擋墻寬4.70 m；墻內設置雙排鉆孔灌注樁，灌注樁選用φ700 mm@2 000 mm，呈前后排矩形對齊布置。

圖1 組合式雙排樁支護結構平面示意

圖2 組合式雙排樁支護結構剖面示意

2.3 挖土施工方案

本工程基坑面積達4.70×104m2，屬于超大面積的基坑工程，施工工期較長，時間較難把握，大規模的土方開挖對周邊環境影響較大，容易造成基坑暴露時間過長，對保證相鄰環境的安全存在一定的風險。

因此，有必要制定合理的施工方案，通過優化挖土施工工序，并對東側、北側坑外管線采取針對性的保護措施，以達到控制變形的目的。具體如下[3-7]：

1）根據時空效應原理，結合基礎底板和后澆帶的分布情況，將整個基坑分成面積不超過2 500 m2的19個區塊分層、分段進行土方開挖；

2）土方開挖過程中，應盡量縮短基坑無支撐暴露的時間和減少無支撐暴露的空間，圍護體無支撐暴露時間不超過24 h，無支撐暴露寬度應小于30.00 m；

3）開挖到基底時，應及時澆筑施工墊層底板，形成剛性換撐機制，并及時反壓回填土體，控制變形；

4）對于東側、北側緊鄰管線區域，除分層、分段、跳槽開挖外，還應視情況采取諸如開挖暴露、懸吊保護等措施，以確保安全。

3 計算理論

雙排樁的計算較為復雜，首先是作用在雙排樁結構上的土壓力難以確定，特別是樁間土的作用對前后排樁的影響難以確定，樁間土的存在對前后排樁所受的主動及被動土壓力均產生影響；再者，由于有后排樁的存在，雙排支護結構墻背土體的剪切角將發生改變，剪切破壞面不同，將導致土體的主動土壓力發生變化。

筆者認為應綜合考慮上述因素的作用，以對前后排樁所受土壓力進行修正，并將水泥土重力式圍護墻的抗側剛度作為強度后備，僅考慮其防滲作用，從而建立合理的組合式雙排樁支護結構簡化計算模型。

3.1 計算模型

彈性抗力法是我國建筑行業規程規定的支護結構計算方法，既可計算支護結構的內力，又能粗略地考慮支護結構與土的相互作用，從而估算支護結構的水平位移，因此，在支護結構設計計算中得到了廣泛的應用。

由于單樁常采用桿系有限元分析法，在該法基礎上，提出基于彈性地基梁m法的彈性抗力法來考慮前后排樁土相互作用的模型。在該模型中，樁體采用彈性地基梁單元，地基水平反力系數采用m法確定，在一定程度上考慮了樁與土在水平方向上的相互作用；在樁側設置考慮樁與土摩擦的彈性約束，并在前排樁樁端處設置彈性約束以模擬樁底反力對抗傾覆的作用，如此建立組合式雙排樁支護結構簡化計算模型如圖3所示。

圖3 前后排樁土相互作用計算模型

該模型的另一個重要特點是：考慮到雙排樁間距一般較小，樁間土類似水平方向受壓縮的薄壓縮層，因此，采用在前后排樁之間設置彈性約束的方式來反映樁間土體壓縮性的影響。

3.2 計算過程

根據上述計算模型，考慮前后排樁與連梁的變形協調，假定連梁與前后排樁頂冠梁均為剛性連接，計算本工程組合式雙排樁典型剖面，具體計算過程簡述如下：

1）基坑開挖深度為5.30 m，前后排樁呈矩形布置，樁徑0.70 m，樁間距為2 m，入土深度均為11.20 m，樁長15.85 m；

2）連梁截面尺寸為600 mm×600 mm，排距為2.00 m，與樁頂的連接按剛接考慮；

3）樁頂冠梁截面尺寸為1 100 mm×700 mm，剛度為3.00 MN/m；

4）彈簧的反力系數計算采用m法，m值按土層性質在1.50～3.00 MN/m4間取值，樁底采用單鏈桿支承約束，以此代替樁土之間摩擦力的作用，水平向不約束；

5）土壓力采用郎肯主動土壓力計算，并考慮20 kPa的地面施工超載，內力計算按分步增量法模擬。

從計算結果（圖4）可見，樁身位移呈現出典型的懸臂式撓曲變形曲線，最大位移22.60 mm發生在樁頂附近，在設計允許的變形控制值范圍內[8]。

圖4 內力、變形包絡示意

4 有限元模擬分析

在計算分析上，傳統的豎向彈性地基梁法計算簡單，但是通過單一參數考慮土與結構的相互作用偏經驗性，缺乏統一的標準，且無法分析基坑開挖對周邊環境的影響。利用有限元法能夠對鄰近建（構）筑物復雜環境下的基坑施工進行模擬，并對環境的變形進行預測和分析，從而積極地采取一些措施，保護周邊建筑和基坑本身的安全。

4.1 有限元模型的建立

在本基坑有限元分析中，土體采用Hardening-Soil模型，同時考慮剪切硬化和壓縮硬化，圍護結構采用線彈性模型，按平面應變考慮，利用對稱性進行分析，并遵循Mohr-Coulomb破壞準則。

在參數方面考慮了3種應變參數：主偏量加載引起的塑性應變、主壓縮引起的塑性應變以及彈性卸載或重加載的卸荷模量。

模型邊界條件采用標準邊界，土體采用15節點2-D等參單元，模型以開挖深度的5倍寬度為基坑影響范圍，最終確定本基坑模型的總尺寸為60 m×30 m。

4.2 有限元計算結果分析

當基坑開挖至基底時，圍護結構、地表沉降及電力管線位移計算結果如圖5～圖9所示。

圖5 開挖至基底時總位移

圖6 開挖至基底時水平位移

圖7 開挖至基底時豎向位移

圖8 雙排樁前、后排樁的水平位移

圖9 管線豎向位移

由圖7可見，當基坑開挖至基底時，水泥土重力式圍護墻頂最大側移24.10 mm，坑外地表最大沉降-20.00 mm，對照規范允許的變形控制值尚有一定余量，表明在本基坑采用水泥土重力式圍護墻內套打雙排樁的組合支護方案是穩定可靠的。

圖8顯示開挖至基底時，組合支護結構中前排樁最大水平位移22.80 mm，后排樁最大水平位移16.90 mm，變形曲線非常接近，表明連梁剛接能夠調整雙排樁的變形和內力特征，減小結構位移，協調正負彎矩。

由圖9可見，在基坑開挖過程中，坑外電力管線豎向最大沉降為13.00 mm，表明基坑開挖對周邊地下管線的影響可控制在其允許的范圍之內[9]。

5 實測數據對比分析

在本基坑施工過程中，對基坑支護體系及周邊環境安全進行了有效的監測，為信息化施工提供參數。施工期間還可根據監測資料及時控制和調整施工進度及施工方法，對施工全過程進行動態控制。

現將基坑東側組合式雙排樁支護區域的基坑頂部變形及坑外管線沉降等數據整理后匯總如下：

從實際監測曲線可以看到，圍護樁頂部側向變形隨基坑開挖深度的增加而迅速增長，日變量約2 mm；這種變形增長在基坑開挖至基底，底板墊層澆筑施工后逐漸趨于穩定，該階段變形約占總位移量的15%。在土方開挖過程中，圍護結構頂部最大水平位移量為28.60 mm，與數值模擬的計算結果十分接近（圖10）。

圖10 圍護樁頂部水平位移曲線

圖11是實測的坑外地表沉降曲線，在開挖初期，地面略有不規則隆起，隨著開挖的進行，組合式支護結構內力調整迅速穩定，地表沉降不斷增大并趨于收斂，最大變形值為-4.90 mm，表明該組合結構對環境的保護效果良好，達到了預期目的。

圖11 坑外地表沉降曲線

電力管線變形與坑外地表沉降曲線趨勢一致，管線最大沉降-4.10 mm，最大差異沉降2.00 mm，表明由于基坑開挖造成的管線絕對沉降及不均勻沉降均較小，經現場查看，周邊路面也未出現明顯裂縫，可見基坑工程在實施期間對周邊環境的影響較小（圖12）。

圖12 坑外電力管線沉降變形曲線

6 結語

1）雙排樁能夠利用自身的較大剛度對水泥土重力式圍護墻起到補強作用，優化圍護結構尺寸，顯著減小墻體位移，而水泥土重力式圍護墻也彌補了雙排樁無法阻隔地下水的缺陷，二者經過共同作用，其復合抗側能力將得到顯著提高。

2）監測結果表明，本工程基坑和周邊環境的變形在設計要求范圍以內并有良好的安全儲備，表明在水泥土重力式圍護墻內套打雙排鉆孔灌注樁形成的組合式支護結構是一種行之有效的支護方式，既能保證圍護結構安全經濟、有效加快施工進度并節約工程投資，又能有效保護周邊敏感環境，且便于土方開挖。

3）采用基于彈性地基梁m法的彈性抗力法來考慮前后排樁土相互作用的模型進行理論分析，并結合Hardening-Soil本構模型進行基坑開挖的數值模擬，可以比較好地反映基坑變形趨勢，得出比較貼合實際的結果。

4）基坑變形不僅取決于土體性質和圍護結構本身，在很大程度上還受土方開挖速率和開挖方式的影響。因此，在大面積基坑開挖時，貫徹分層、分段、分塊、限時開挖的原則，加強對土方超挖、圍護體無支撐暴露時間和空間的控制，能有效減少圍護結構側向變形，保證基坑安全。

5）在深基坑工程實踐中應加強監測措施，做到信息化施工，尤其當基坑開挖至基底時，需適當加密監測頻率，結合動態監測及時采取措施、預防險情，并制定針對性應急預案，在監測值超出預警值后，迅速采取措施，確保周邊環境的安全。