雙排樁結合錨桿復合結構在軟土深基坑中的應用分析

江 濤

(福建省建筑設計研究院 福建福州 350001)

引 言

雙排樁作為一種新型的支護形式，具有側向剛度大、場地適應強、無需設置支撐、方便土方開挖和縮短工期等優點，近年來在基坑工程中得到了廣泛的應用，特別是在超大基坑不宜設置支撐的情況下，雙排樁支護具有較大的優勢[1－6]。在軟土地區，特別是對開挖深度超過8m的深基坑，常規的純雙排樁雖然在控制變形方面較單排懸臂樁已有較大改善，但總體來說還是偏大，為此可結合錨桿進行變形控制。

本文以莆田3.8萬㎡超大深基坑為例，提出了雙排樁結合擴孔錨桿的設計方案，并運用PLAXIS有限元軟件進行了數值模擬，將計算結果和監測數據進行了對比分析，為類似基坑工程的設計和施工提供一些參考。

1 工程概況

莆田左岸藍灣工程位于莆田市荔城區。場地南側為東圳東路，道路紅線距地下室外墻約25m;西側為西洪路，道路紅線距地下室外墻約9～13m;東側為一條小溪，地下室外墻距小溪距離約18～25m;北側為空地。本工程設二層地下室，基坑工程開挖面積約為38000㎡，支護結構總周長約為830m。

本工程±0.000相當于黃海標高9.150m。場地的南側和西側為已建道路，路面標高約為黃海標高7.000m。東側和北側地勢較低，地面黃海標高約為4.600m。基坑開挖深度約為5.900～10.500m。基坑平面布置圖如(圖1)所示。

圖1 基坑平面布置圖

基坑開挖深度范圍內存在較厚的軟土層，主要土層如下:①雜填土，松散，厚1.20～3.30m;②粉質粘土，軟～可塑，厚0.70～2.50m;③淤泥，流塑，厚6.90～10.10m;④卵石，稍密 ～中密，厚3.60～7.60m;⑤殘積砂質粘性土，可～硬塑，厚1.70～4.80m;⑥全風化花崗巖，厚1.60～7.30;⑦砂土狀強風化花崗巖，厚2.40～14.50m。

2 支護結構選型和設計

由于基坑面積較大，如果采用灌注樁加內支撐的支護形式，會影響基坑土方開挖和地下室的施工，耽誤工期，而且造價較高。且東、北側與西、南側地面標高相差2.4m，不利于支撐的布置。綜合考慮周邊環境和開挖深度以及經濟性，對基坑的不同位置采取不同的支護形式。其中基坑南側和西南角開挖最深，為10.5m，采用雙排樁結合擴孔錨桿支護形式。雙排樁結合擴孔錨桿支護結構的布置形式如(圖2、圖3)所示。

圍護樁采用Φ800mm的沖(鉆)孔灌注樁，前排樁中心距為1.2m，圍護樁之間采用Φ600mm高壓旋噴樁擋土止水。后排樁中心距為2.4m，前后排距為4m。冠梁尺寸為1200×800mm，連梁尺寸為600×800mm，間距為2.4m。冠梁面以上3m土層采用放坡卸載，冠梁面以下3.8m處設置一排擴孔錨桿，錨桿采用高壓旋噴樁成孔，錨固體直徑350mm，錨桿長22m，間距為1.2m。錨固段長度17m，位于淤泥中，采用二次注漿工藝施工。

圖2 雙排樁結構平面圖

圖3 雙排樁結構剖面圖

3 數值計算與分析

3.1 有限元計算模型

為了分析基坑開挖時支護結構受力變形情況，本文采用PLAXIS有限元軟件對C3－1測斜孔對應的剖面進行了數值模擬，模擬工況按照施工方案進行。數值計算模型采用二維平面應變模型，圍護樁和連梁采用梁單元模擬，土體采用15節點二階三角形單元模擬，錨桿自由段采用桿單元模擬，錨固段采用土工格柵單元模擬。模型寬度為60m，高度為50m。有限元計算模型如(圖4)所示。

圖4 有限元計算模型

3.2 計算參數

土體本構模型采用摩爾—庫倫模型，計算參數詳見(表1)。圍護樁和連梁采用線彈性模型，E=3×107kPa;v=0.2，錨桿錨固段軸向剛度取 EA=1×105kN/m，錨桿自由段軸向剛度取EA=2×105kN。

表1 土體計算參數

3.3 計算結果分析

3.3.1 水平位移分析

基坑開挖到底時，土體水平位移云圖如(圖5)所示。土體最大水平位移為46.06mm，位于前排樁樁頂位置。

(圖6)為圍護樁深層水平位移計算曲線，從圖中可以看出，變形曲線呈開口的趨勢，樁頂附近變形最大，沿著樁身逐漸減小，在樁頂下4m范圍內減小的幅度較小，再往下減小的幅度加大，這表明雙排樁受到錨桿的錨拉作用較為明顯。

圖5 開挖至基坑底時土體水平位移云圖

3.3.2 與雙排樁比較分析

圖6 前排樁深層水平位移曲線

為了對比，同時對雙排樁不加錨桿的方案進行了數值模擬分析。由(圖7)可知，由于開挖深度較深，且淤泥層較厚，如不設置錨桿，圍護結構變形較大，最大水平位移位于樁頂附近，為111.4mm，增大了約1.4倍，大大超過設計預警值及規范要求，將對周邊的環境和道路造成破壞，不滿足支護設計的要求。而在樁身增設錨桿以后，由于錨桿的錨拉作用，樁身水平位移大大減小。在樁身彎矩方面，單純雙排樁的最大正彎矩約858.4 kN·m/m，增設一道錨桿以后，由于前排樁受到錨桿水平集中力的影響，彎矩出現反彎曲，彎矩值也大為減小，最大正彎矩約為535.6kN·m/m，減小了約38%，如(圖8)所示。通過對比可以看出，雙排樁－錨桿是由雙排樁和錨桿組合而成的超靜定結構，側向剛度較大，具有樁錨和雙排樁結構的優點，在外荷載的作用下能夠自動調整自身的內力，且可以有效地減小支護結構的側向變形。

圖7 雙排樁結合錨桿與雙排樁水平位移對比曲線

4 監測結果與分析

圖8 雙排樁結合錨桿與雙排樁彎矩對比圖

由于本基坑開挖較深，且淤泥層較厚，為保證開挖的順利進行，確保周邊道路和地下管線的安全，必須采用信息化施工，因此對基坑進行了圍護樁深層水平位移和坡頂變形以及道路沉降監測，且貫穿整個施工過程。其中南側雙排樁位置在樁身埋設了9根測斜管，監測點布置圖如(圖1)所示，監測結果如(表2)所示。

表2 圍護樁深層水平位移監測值

從監測結果來看，最大水平位移都位于樁頂附近，圍護樁深層水平位移曲線呈開口趨勢，其中前排樁的位移大于后排樁。(圖6)為C3－1測點的實測曲線與計算值對比圖，可以看出，實測值與計算值變形趨勢較為一致，計算值較實測值稍小，說明采用有限元軟件PLAXIS進行數值分析是可靠的。

5 結論及建議

通過對該工程的數值計算結果和監測數據進行分析，得出了如下的一些結論:

(1)數值計算結果與實測數據較為吻合，變形規律也較為一致，說明采用PLAXIS有限元軟件對雙排樁結合錨桿復合結構的開挖模擬是可靠的。

(2)實測數據和數值計算結果均表明，雙排樁結合錨桿復合結構的最大水平位移仍發生在樁頂，變形曲線呈開口趨勢。在同一深度，前排樁的水平位移要大于后排樁的水平位移。

(3)監測數據表明，該基坑工程是安全的。在超大軟土深基坑，采用雙排樁結合錨桿是一種可行的支護形式。

(4)雙排樁在增設錨桿以后，不僅改善了支護樁的受力，而且變形也大為減小。

(5)由于雙排樁加錨桿共同作用的受力機理較為復雜，設計計算方法還不夠成熟，在實際工程中可通過數值模擬進行輔助分析，同時應加強現場監測工作，以確保工程安全。

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