軟土區域基坑傾斜樁支護優化方案研究

代春利

（中鐵房地產集團北方有限公司 北京 100066）

1 引言

近年來，我國城市建設和重要基礎設施建設進入快速發展階段，大面積、大長度基坑施工成為未來地下空間開發的重要技術，這對基坑施工技術提出了更高要求[1]。

在軟土地區，深度大于6 m的基坑支護通常采用設置豎向支護結構加水平支撐的形式。采用水平支撐時，支撐造價高、土方開挖難度大、地下結構施工困難，基坑施工工期長，可達土建工期的40%或更高，同時產生大量的固體廢棄物。

實際工程中，通過將預制支護樁傾斜一定角度布置，可在滿足基坑變形要求的前提下實現無水平支撐支護。這種傾斜樁支護技術具有顯著的工程應用價值和經濟效益，目前在國內外已被應用于工程實踐中[2]。國內外學者對傾斜樁支護結構的受力與變形特性進行了相應研究。鄭剛等[3]設計的單排傾斜樁支護室內模型試驗結果顯示，對于單排傾斜樁，隨著傾斜角度的增大，樁頂水平位移減小。孔德森等[4－5]基于模型試驗和實際工程數值驗證，對不同角度的傾斜樁以及斜直交替樁進行模擬，結果表明傾斜支護樁的抗傾覆能力較垂直支護樁有較大提高，應力集中現象降低，樁身彎矩分布更為合理。Maeda等[6]通過兩組深度為9.6 m、傾斜角度為10°的傾斜樁離心機試驗，發現相同開挖深度下，斜樁的水平位移、撓曲變形、土壓力較垂直支護樁小，且開挖深度越大，斜樁作用越明顯。Seo等[7]基于傾斜支護樁室內模型試驗，分別對比了單排懸臂支護樁、雙排支護樁同時傾斜和前排垂直、后排傾斜的雙排樁的工作性狀。

以天津地區為例，當開挖影響深度范圍內無軟土分布時，雙排樁懸臂支擋深度可達6～8 m。當基坑開挖深度更大時，雙排樁會因樁身位移及樁身內力過大而不再適用。這時，用適當角度的傾斜排樁代替原雙排樁支護結構中的支護樁，能夠在相同條件下減小雙排樁的變形與內力[8]。對于一定深度范圍的基坑，傾斜樁及其組合支護技術可以實現無內支撐的基坑開挖[9－10]。基坑傾斜樁及其組合支護技術廣泛適用于軟土4～10 m深度基坑、一般土層 5 ～12 m 深度基坑[11－12]。

本文基于天津國印二期項目軟土地層基坑工程，利用有限元開展雙排傾斜樁支護結構與傳統支護體系變形與受力性能對比研究，并進一步對比分析雙排傾斜樁加錨索與不加錨索對支護結構變形的影響，最終提出最優的基坑支護方案，為軟土地區深基坑支護方案選擇及優化提供參考。

2 工程概況與數值模型

（1）工程概況

擬建工程北部區域坑深9.6 m，南部區域坑深6.0 m。對深基坑西側北部及北側中間區域（C—C截面），經過系統方案對比優化后確定的支護體系如圖1所示。支護結構采用預應力管樁＋一道預應力錨索形式，管樁分兩排打設，內排采用直徑600 mm復合配筋預應力管樁，樁長20 m，樁間距900 mm，內傾10°，進入基坑底以下10.355 m；外排采用直徑600 mm復合配筋預應力管樁，樁長16 m，樁平均間距1 350 mm，外傾10°，進入基坑底以下6.4 m。兩排樁排間距1.8 m，7 m深處打設一道預應力錨索，錨索間距1.8 m，兩排樁間打設直徑650 mm、間距900 mm單排三軸水泥土攪拌樁止水，止水帷幕進入基坑底以下7.0 m。

圖1 基坑平面與C—C剖面

（2）數值計算模型

本文采用有限元軟件Plaxis3D進行數值分析。建立三維傾斜樁支護模型，分析樁身和土體的變形規律。

土體本構模型采用小應變硬化土模型（HSS模型）[4]。土層信息及計算參數見表1。土體用15節點三角形單元模擬，帽梁按實際尺寸采用等截面梁單元模擬。支護樁按截面等剛度原則等效為彈性板單元，等效厚度取438 mm。

表1 土體物理力學參數

續表1

本文分析傳統懸臂直樁支護、雙排樁支護、單排樁加支撐支護、單排樁傾斜20°支護、雙排傾斜樁支護、雙排傾斜樁加錨索支護、單排樁傾斜20°加錨索支護、雙排樁加錨索支護共8種工況，具體支護形式及模型見圖2。模型長度為100 m，寬度為2.7 m，高度為40 m，基坑開挖深度為9.6 m。

圖2 支護形式及數值模型

3 無錨索傾斜樁支護與傳統支護對比研究

3．1 無錨索雙排傾斜樁與傳統支護變形對比

對無錨索雙排傾斜樁與其他無錨索支護結構開挖至基坑坑底時的樁身水平變形差異與坑外沉降差異進行對比研究。

雙排傾斜樁結構支護樁按截面抗彎剛度等效原則簡化為彈性板單元。懸臂雙排樁模型各項參數不變，僅將內傾樁與外傾樁更改為與水平面垂直。傳統單排懸臂樁支護用樁量與雙排懸臂樁保持一致。單排樁加支撐模型中支撐采用矩形梁單元模擬，其他參數與單排懸臂樁支護模型一致。單排傾斜樁傾斜20°模型各項參數與單排懸臂樁模型保持一致，僅將樁傾角改為20°。

各模型比較結果如圖3所示。可以看出，無錨索雙排傾斜樁樁身最大水平變形值達61.2 mm，單排樁加支撐支護模型樁身水平變形最小，僅為52.3 mm。雙排傾斜樁模型與單排樁加支撐模型的樁身水平位移模式基本相同，最大水平變形均出現在樁身中段。單排懸臂樁支護模型、雙排懸臂樁支護模型、單排樁傾斜20°支護模型的樁身水平位移基本相同，最大樁身水平位移均出現在樁頂處。雙排傾斜樁支護模型與單排樁加支撐支護模型在樁身上半區段的水平變形明顯小于其他支護模型，各模型樁身下半部區段的樁身水平變形基本無太大區別。

圖3 無錨索雙排傾斜樁與傳統支護形式變形對比

無錨索雙排傾斜樁支護最大坑外沉降值為44.7 mm，單排樁加支撐支護模型最大坑外沉降最小，為36.5 mm。單排樁加支撐支護模型、雙排傾斜樁支護模型、單排樁傾斜20°支護模型的樁后土體沉降曲線形式均為凹槽型，單排懸臂支護模型、雙排懸臂支護模型的樁后土體沉降為三角形沉降曲線。

雙排傾斜樁模型與單排樁加支撐模型對基坑變形控制更為有利。考慮到水平支撐造價高、土方開挖難度大、地下結構施工困難、基坑施工工期長，可以認為雙排傾斜樁支護模型在基坑變形控制方面為最優。

3．2 無錨索雙排傾斜樁與傳統支護內力對比

針對無錨索支護結構，本節對比不同支護模型在開挖至9.6 m時的最大彎矩值與彎矩分布模式，對比結果如圖4～圖5所示。

圖4 不同支護模型樁身最大彎矩對比

圖5 樁身彎矩對比

從圖4可以看出，當采用雙排傾斜樁支護時，即使無內撐，樁身最大彎矩可與單排樁加支撐結構相當，遠小于傳統單排懸臂樁及雙排樁。在工程實際中，當條件適當時，雙排傾斜樁支護結構可實現與內支撐支護體系相當的支護結構彎矩控制效果。

由圖5可以看出，雙排傾斜樁支護模型彎矩分布模式與傳統懸臂直樁模型顯著不同，而與單排樁加支撐支護模型的彎矩分布模式相似，表明了雙排樁的兩排樁能夠相互提供支撐作用。雙排傾斜樁組合支護結構中，冠梁、斜樁組成一個空間結構，因而結構的整體剛度很大，同時內斜樁和外斜樁分別受到較大的軸向壓力和拉力，分別起到斜撐和錨桿的作用，與傳統懸臂直樁、單排樁加支撐支護相比，其支護結構的變形及彎矩顯著減小。

4 帶錨索雙排傾斜樁與傳統支護對比

由于軟土地層基坑深度較大，采用支護性能較高的雙排傾斜樁支護變形依然相對較大，因此對本基坑的支護結構方案進行進一步加強，增加一道錨索。本節基于已建立的模型，分析帶錨索雙排傾斜樁支護與其他帶錨索傳統懸臂支護模型的變形，比較其開挖至基坑坑底時的樁身水平變形差異與坑外沉降的差異。

錨索結構總長20 m，入射角度為30°，錨固段長12 m，直徑為500 mm，自由端長8 m。

圖6為帶錨索雙排傾斜樁支護與其他支護模型的樁身水平變形和坑外沉降對比結果。對于樁身水平變形，加錨索雙排傾斜樁樁身最大水平變形值為42.7 mm，樁身最大水平變形出現在樁身中段。加錨索單排樁傾斜20°支護模型、加錨索雙排懸臂樁支護模型的樁身水平位移基本相同，最大樁身水平位移均出現在樁頂部位。雙排傾斜樁支護模型在樁身上半區段的水平變形明顯小于其他支護模型，各模型樁身下半部水平變形基本無太大區別。加錨索雙排傾斜樁支護最大坑外沉降值為26.5 mm。加錨索雙排傾斜樁支護模型樁身最大水平變形與坑外土體沉降值均為最小。

圖6 雙排傾斜樁與直樁樁身水平變形與坑外沉降對比

5 錨索對雙排傾斜樁支護的影響

本節分析有無錨索對雙排傾斜樁支護模型樁身水平變形及坑外沉降的影響，結果如圖7所示。

圖7 有無錨索雙排傾斜樁樁身水平變形與坑外沉降對比

由圖7可以看出，無錨索雙排傾斜樁樁身最大水平變形值達61.2 mm，有錨索雙排傾斜樁最大水平變形值僅為42.7 mm，減小幅度達30%。有無錨索結構并不改變雙排傾斜樁水平變形模式，且樁身最大水平變形值都出現在樁中段。同時，有錨索雙排傾斜樁支護最大坑外沉降值為26.5 mm，較無錨索雙排傾斜樁支護的最大坑外沉降值（44.7 mm）減小41%。錨索的設置進一步減小了雙排傾斜樁支護結構位移，對保護周邊環境較為有利，能夠滿足國印二期基坑工程變形控制要求，為最佳支護結構方案。

6 結論

斜樁支護結構是較為新型的基坑無支撐支護結構，具有造價低、變形小、便于開挖等特點。本文基于位于軟土地區的天津國印二期基坑工程，運用有限元方法對比研究了雙排傾斜樁支護結構與傳統支護體系的變形與受力性能，并考慮加入錨索進一步提高其支護性能，從而得出最優的支護方案。

（1）雙排傾斜樁組合支護結構中，冠梁、斜樁組成了一個空間結構，提高了結構的整體剛度，同時內斜樁和外斜樁分別受壓與受拉，分別起到斜撐和錨桿的作用。與傳統懸臂單排直樁、懸臂雙排樁相比，雙排傾斜樁組合支護結構的變形及彎矩顯著減小，支護性能接近于帶支撐的單排樁支護結構。

（2）傾斜樁支護變形由懸臂式變成了內凸式，彎矩也由懸臂式向帶支撐支護樁的彎矩模式轉變。此特點表明雙排傾斜樁支護中的兩排樁能夠相互提供支撐作用。

（3）本文案例中基坑開挖深度較深，為控制基坑變形，支護方案增加一道錨索。加錨索雙排傾斜樁支護結構與其他加錨索傳統支護結構相比，其樁身最大水平變形與坑外土體沉降值均為最小，能夠有效控制基坑變形。

（4）由于錨索的錨固作用，相同樁長情況下有錨索雙排傾斜樁對變形控制更為有利，能夠滿足軟土地區深度為10 m左右基坑的變形控制要求。