預制矩形樁在上海軟土深基坑圍護結構中的受力分析與應用

陳 晨，劉全林

(1.安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001；2.上海強勁地基工程股份有限公司，上海 201800)

在基坑工程中，常用的圍護結構有諸如地下連續墻、鉆孔灌注樁、SMW工法樁、鋼板樁等多種選擇[1]，各種圍護形式都有各自的優勢和不足。在國家大力推行裝配式建筑的今天，預制的標準化圍護結構設計與應用為基坑圍護提供了綠色化與裝配化的前景。預制矩形樁作為其中1種預制圍護結構逐漸在基坑工程得到使用。目前，國內外學者對預制矩形樁的受力、計算方法及施工技術都有較多研究[2-4]，在一些土質較好、周邊環境良好的基坑應用中使用取得了不錯的效果。本文以上海軟土地區環境中兩相鄰基坑為例，通過有限元模擬結合現場實測數據分析預制矩形樁結合預應力魚腹式鋼支撐在上海軟土地區基坑應用中的可靠性，為基坑工程中使用預制矩形樁圍護結構的設計和施工提供參考。

1 預制矩形樁的結構型式與設計計算方法

1.1 預制矩形樁結構形式

預制矩形樁采用工廠化生產，制成成品后運送至施工現場。預制矩形樁結構如圖1所示，樁頂甩筋長度為450 mm，與冠梁鋼筋籠連成一體澆筑冠梁，樁身預留直徑80 mm孔用于起吊構件，坑內側樁身設置預埋件方便支撐安裝時架設角鋼牛腿。樁端設計為錐形，方便沉樁，預制矩形樁布置如圖2所示。

圖1 預制矩形樁結構

圖2 預制矩形樁布置

1.2 預制矩形樁的設計計算

1.2.1 圍護樁內力計算

預制矩形樁采用平面桿系結構彈性地基梁法進行分析[5]，彈性地基梁法計算示意圖如圖3所示，將水壓力以及土壓力當作荷載，內支撐簡化為彈性支座，坑底以下土體視作為彈性地基，圍護樁視作豎向放置在彈性地基上的梁。

圖3 彈性地基梁法計算

1.2.2 預制矩形樁抗彎計算

根據規范[6]，預制矩形樁抗彎按式(1)計算

(1)

式中:MU為正截面抗彎承載力設計值；M為彎矩設計值。

1.2.3 預制矩形樁抗剪計算

根據規范[6]，預制矩形樁抗剪按式(2)計算

V≤VCS=0.25βcfcbh0+fyv(ASV/s)h0.

(2)

式中:VCS為正截面抗彎承載力設計值；V為彎矩設計值。

1.2.4 預制矩形樁裂縫計算

根據規范[6]，預制矩形樁裂縫計算按式(3)計算

(3)

式中:ωmax為計算的最大裂縫寬度；ωlim為最大裂縫寬度限值；αcr為構件受力特征系數；ψ為裂縫間縱向鋼筋應變不均勻系數；σs為縱向受拉普通鋼筋應力；ES為鋼筋彈性模量；CS為最外層縱向受拉鋼筋外邊緣至受拉區底邊的距離；ρte為有效受拉混凝土截面面積計算的縱向受拉鋼筋配筋率；deq為受拉區鋼筋等效直徑。

2 預制矩形樁的工程應用

2.1 工程概況

本項目位于上海市浦東新區，主要建筑有F1生產廠房、C1動力廠房、地下車庫等，建筑物位置較分散,需開挖多個基坑，整個項目開挖面積約47 000 m2。建筑場地屬濱海平原地貌類型，場地地勢基本平坦，基坑開挖深度范圍內分布的土層主要有素填土及局部分布的浜底淤泥、灰黃色粘土、淤泥質粘性土及砂質粉土。基坑下部分布有淤泥質粘土、軟塑粘性土，土的基本物理力學參數見表1。場地地下水位埋深為0.5～0.7 m，主要依靠地表水滲入及大氣降水補給。

2.2 基坑支護的圍護結構設計

本文選取項目中較典型的C1動力廠房及相鄰的F1生產廠房基坑做研究，2個基坑距離約24 m，開挖深度均為7 m左右，場地四周較空曠，基坑安全等級三級，環境保護等級三級。經過比選可采用SMW工法樁作為基坑豎向圍護結構，因本項目整體開挖面積大，施工工期較長，型鋼租賃費較高，因而采用700×300預制矩形樁代替H700×300×13×24型鋼。內支撐均采用1道預應力魚腹式鋼支撐，預應力魚腹式鋼支撐作為1種裝配式內支撐，不僅可以增加挖土的便利性，提高施工速度而且型鋼可回收，綠色環保。剖面示意圖如圖4所示。圍護結構設計采用啟明星FRWS板樁模塊進行設計，樁身內力計算結果見表2，裂縫及配筋計算見表3，樁身配筋見圖5。

表1 土的基本物理力學參數

圖4 F1，C1基坑剖面

表2 樁身內力計算結果

表3 預制矩形樁內力及配筋計算結果

圖5 預制矩形樁配筋

3 預制矩形樁的結構受力分析與模擬

3.1 有限元模擬及網格劃分

以上節所列的工程項目為研究對象，考慮到內支撐采用的預應力魚腹式鋼支撐的復雜性，數值分析采用PLAXIS2D有限元分析軟件進行模擬分析。PLAXIS作為一個通用巖土工程有限元軟件已大量運用于巖土工程的項目中。郝志斌等[7]利用PLAXIS研究了深基坑局部挖深對支護結構的影響。王杰等[8]利用PLAXIS2D對新型樁-土-撐組合支護體系在工程中的應用進行研究。白曉宇等[9]利用PLAXIS有限元軟件研究基坑中使用樁-撐-錨組合支護體系的變形特性。王興等[10]運用PLAXIS2D對深基坑在堆載變化情況下支護結構性狀進行研究。

表4 模型中土層主要物理力學參數

表5 模型中結構構件計算參數

3.2 開挖工況

工況1：施加地面超載及預制矩形樁施工。

工況2：左側F1基坑開挖至內支撐中心標高以下0.5 m；右側C1基坑開挖至內支撐中心標高以下0.5 m。

工況3：放坡面層施工、內支撐施工。

工況4：土方開挖至坑底。

3.3 預制矩形樁受力分析

因左側和右側基坑受力具有相似性，所以本文僅對右側C1基坑進行詳細分析。樁身所受彎矩如圖6、圖7所示，開挖第一層土未加內支撐時，圍護樁上部出現負彎矩，此時圍護樁為懸臂狀態，樁體坑內側受壓。架設鋼支撐開挖第二層土后，支撐位置處出現負彎矩，這表明預應力魚腹式鋼支撐能夠與預制矩形樁共同工作，形成整體支護效果。樁身所受剪力如圖8、圖9所示，在鋼支撐位置處，樁身剪力圖出現突變，充分說明支撐對圍護樁變形的約束作用，且鋼支撐+預制矩形樁的體系工作良好，對基坑變形有較好的控制作用。對比左側和右側預制矩形樁樁身彎矩圖及剪力圖，C1基坑左側樁身最大彎矩及最大剪力均小于右側樁，原因在于F1基坑土體開挖后，C1基坑左側樁承受的主動土壓力小于右側樁。

圖6 C1基坑左側圍護樁樁身彎矩

圖7 C1基坑右側圍護樁樁身彎矩

圖8 C1基坑左側圍護樁樁身剪力

圖9 C1基坑右側圍護樁樁身剪力

3.4 基坑周邊土體變形分析

基坑開挖完成時網格變形如圖10所示，基坑兩側地面及兩基坑中間地面均出現向下凹的形態。兩基坑坑底網格均出現不同程度的向上凸起。

圖10 基坑開挖完成時網格變形

C1基坑右側20 m范圍土體沉降曲線如圖11所示，C1基坑右側20 m范圍內土體沉降隨著與坑邊距離的增加先增大后減小，坑邊最大沉降位置距離坑邊約6.5 m的位置，最大沉降為23.99 mm。兩基坑中間地面沉降如圖12所示，基坑中間地面沉降表現為兩端小中間大的凹形，距離左側C1基坑邊約9 m位置最大沉降為35.10 mm，因為兩側基坑周邊土體沉降的疊加作用導致中間沉降遠大于C1基坑右側沉降。基坑開挖過程中，C1基坑坑底土體隆起變形如圖13所示，坑底隆起呈現馬鞍形的形態，因為左側F1基坑開挖土體卸荷，C1基坑左側的隆起量小于右側，最大隆起量為27.98 mm。

圖11 C1基坑右側地面沉降變形曲線

圖12 兩基坑中間地面沉降變形曲線

圖13 C1基坑坑底土體隆起變形曲線

3.5 預制矩形樁水平位移分析

F1基坑開挖完成時預制矩形樁水平位移如圖14所示，水平位移曲線均呈現外凸型。F1基坑左側預制矩形樁最大水平位移為30.20 mm，最大水平位移在坑底以上約0.5 m的位置。基坑右側預制矩形樁最大水平位移在坑底附近位置，最大水平位移為29.16 mm。因為右側C1基坑開挖后土體卸荷，右側預制矩形樁最大水平位移小于左側最大水平位移。C1基坑開挖完成時預制矩形樁水平位移如圖15所示，水平位移規律與F1基坑相似。C1基坑左側預制矩形樁最大水平位移為36.21 mm，最大水平位移在坑底以下約1 m的位置。C1基坑右側預制矩形樁最大水平位移為37.49 mm，最大水平位移在坑底以下約0.5 m位置。由于左側F1基坑樁頂處于淤泥質粉質黏土中土質較差，而右側C1基坑樁頂處于粉質粘土中土質較好，與C1基坑相比，F1基坑預制矩形樁樁頂位置水平位移接近C1基坑樁頂位置水平位移的兩倍。因為兩基坑預制矩形樁樁底均處于淤泥質粘土中，樁底位置水平位移均較大。

圖14 F1基坑預制矩形樁樁身水平位移

圖15 C1基坑預制矩形樁樁身水平位移

兩基坑預制矩形樁水平位移實測值與模擬值相比，兩者規律基本相同，實測值均不同程度大于模擬值，原因在于基坑實際施工過程中難以做到理論上的對稱挖土以及時空效應的影響。

4 結 論

1)通過對預制矩形樁樁身受力情況的研究發現，預制矩形樁+預應力魚腹式鋼支撐的體系在上海軟土地區共同作用效果較好，能夠形成1個整體承受基坑外部水土壓力的作用。

2)基坑開挖的數值模擬結果及現場監測的預制矩形樁樁身水平位移均滿足規范要求，基坑開挖過程中安全穩定，證明預制矩形樁的圍護結構在上海地區對基坑變形控制效果較好，是1種較好的裝配式基坑圍護結構形式。

3)在類似開挖面積大、施工周期長的基坑工程中，采用H型鋼造價較高，預制矩形樁代替H型鋼更具經濟性優勢。