基坑工程傾斜樁及其與多級支護組合的工程應用研究

田 野 陳 國 宋 志 張 濤 柳 瑤 田 浩 高 雨

1. 中建三局集團有限公司工程總承包公司 湖北 武漢 430070；2. 湖北中建三局建筑工程技術有限責任公司 湖北 武漢 430070

隨著城市建設的發展，基坑工程領域大量使用樁、撐、墻等支護結構。作為一種臨時性支護措施，支撐使用后所產生的固體廢物污染和資源浪費越來越多，與綠色建造的發展理念相悖。因此，有很多學者[1-4]提出了無支撐支護的概念和方法（圖1）。

圖1 基坑工程無支撐支護

傾斜樁支護技術和多級支護技術分別為2種減少甚至取消部分支撐使用的有效支護方式。傾斜樁是指將傳統垂直支護樁以一個小的角度進行傾斜，從而達到減小位移、降低樁身彎矩、提高支護結構整體穩定性等目的的一種新型支護方式；多級支護結構主要是指較大、較深的基坑工程采用的多級不同形式的分級開挖支護結構[3]。

多級支護方式和傾斜樁支護方式在一些工程實踐中得到了成功應用，如武漢凱德廣場古田項目采用雙排樁與單排樁組合的多級支護結構[3]，上海虹橋綜合交通樞紐項目采用了多級聯合支護結構[4]，天津某軟土基坑工程采用傾斜樁基坑支護[5]等。

很多學者和工程技術人員也對多級支護和傾斜樁支護的工程特性和受力機理展開了研究，如鄭剛等[1]、任望東等[2]提出了多級支護的破壞模型，鄭剛等[6]分析了傾斜樁支護的作用機理。相關工程應用和理論分析為基坑工程新型無支撐支護技術的應用提供了重要保障。

多級支護方式和傾斜樁支護可以作為單獨的支護結構或措施以達到減少或消除支撐使用的目的，也可以作為組合支護方式發揮更好的無支撐支護效果。雖然多級支護方式和傾斜樁支護有比較好的支護優勢，但現行國家規范和行業標準中對相關設計方法并無明確規定[7]，導致其工程應用受到一定程度的限制。本文以工程實例為基礎，研究傾斜樁及其與多級支護結構組合支護的工程特點，采用數值計算方法，分析傳統垂直樁支護、傾斜樁支護、傾斜樁與多級支護結構組合支護等的內力、位移及整體穩定性變化情況，探討各種支護方式的特點，以期為不同特點工程的無支撐支護選型提供一定的參考。

1 工程概況

1.1 工程地質條件

工程位于武漢經濟技術開發區硃山湖以南，鄂江左線堤上路以北處，工程占地面積約156 000 m2，設置2層地下室，基坑距離紅線約11 m，紅線外為通行道路。基坑壁主要為第四系中更新統沖洪積黏性土及碎塊石土，基坑壁巖土特征如下：①1雜填土，雜色，局部以褐紅色含礫黏土為主，稍濕-濕，松散，主要由磚渣、碎石、混凝土塊及砂、礫等混少量黏性土組成，局部見褐紅色硬土塊，土性差異大，堆填時間不足10 a；①2素填土，雜色，局部灰褐色，飽和，主要由軟-可塑狀黏性土混少量礫石及生活垃圾組成，局部見少量腐殖質，偶見老黏土硬土塊，埋深較大時，底部為極不均勻的軟化層；④1黏土，老黏土，硬塑狀；④2碎塊石土，褐黃色，飽和，中密，碎、塊石成分主要為石英、燧石、砂巖等，多呈棱角-次棱角狀，粒徑多大于20 mm，常見大于110 mm的大塊狀及短柱狀巖芯，含量一般大于60%，充填物為硬塑狀黏性土，碎、塊石多被黏性土包裹，碎、塊石排列無規律。鉆探中在礫石塊徑較小時取樣進行顆粒分析，其黏粒含量為20%～90%。巖土物理力學參數見表1。場地北側鄰湖，地下水主要為上層滯水和局部孔隙承壓水。

表1 巖土物理力學參數

1.2 基坑支護方案

基坑開挖深度11.25 m，基坑重要性安全等級為一級。根據不同支護段周邊條件，在確保無支撐情況下分別采用不同的支護方式，與本文實例相關的典型支護措施分別為垂直雙排樁支護、前斜后直雙排樁支護、傾斜樁多級支護，如圖2所示。

圖2 典型支護剖面

1）垂直雙排樁支護。涉及支護長度約80 m，前后排鉆孔灌注支護樁樁徑1.0 m，前排樁間距1.3 m，后排樁間距2.6 m，樁長均為18.5 m。

2）前斜后直雙排樁支護。涉及支護長度約為120 m，鉆孔灌注支護樁樁徑0.9 m，前排斜樁間距1.1 m、樁長20.5 m、傾斜角度10°～15°，后排直樁間距2.2 m、樁長18.0 m。

3）傾斜樁多級支護。主要應用于臨邊地下室坡道區域，涉及支護長度約為15 m，第1級采用垂直樁支護，樁徑0.9 m，樁間距2.2 m；第2級采用傾斜樁支護，傾斜角度15°，樁徑0.9 m，樁間距1.1 m，第1級支護高度為3 m，平臺寬度為3～6 m，支護樁前樁長18.0 m、后樁長15.0 m。

2 數值計算分析

2.1 模型建立

選取典型剖面，采用Midas GTS NX有限元計算軟件，按二維平面應變考慮，模型寬度取整體基坑寬度的一半，寬度為120 m，高度取4倍基坑開挖深度，高50 m。除頂面外，其他三面邊界條件設置約束，模型計算方法為修正摩爾-庫侖模型，土體卸載模量取3～5倍彈性模量。支護樁、樁頂連梁采用梁單元，彈性模量取30 GPa，泊松比取為0.2，其他參數見表1。為簡化計算，增加各支護方案的可比性，取同一地層參數進行計算對比，同時取消樁頂坡，考慮荷載20 kPa，各支護方案對應結構參數見表2。

表2 典型支護方案設計

2.2 位移結果分析

通過數值計算，得到不同支護方案開挖至基底工況下的基坑水平位移云圖，如圖3所示。根據位移云圖可知，垂直雙排樁位移最大值主要位于樁頂部〔圖3（a）〕，傾斜雙排樁最大位移主要位于樁頂向下的部位，且主要位于傾斜樁樁身〔圖3（b）、圖3（c）〕，說明傾斜樁發揮了更重要的支護作用。

圖3 各支護方案位移云圖

對各支護方案位移變化的比較（圖4）可知，方案一位移明顯大于其他方案位移，說明采用傾斜樁支護可以顯著減小基坑支護位移；方案三位移最小，說明采用傾斜樁多級支護，同時在分級平臺設置連梁時，位移控制效果更好，不設置連梁的傾斜樁分級位移要大于設置連梁的位移，對于第1、2級支護平臺寬度比較小的情況，其分級破壞模型以整體式破壞或關聯式破壞為主，連梁可以增強支護結構的整體性，提高結構剛度，從而在一定程度上減小位移。

圖4 各支護方案位移比較

2.3 整體穩定性分析

根據施工工況，進行施工過程和應力分析。基坑開挖至基底時，采用強度折減法（SRM）對基坑進行整體穩定性分析，計算得到不同支護方案開挖至基底工況的整體穩定性安全系數。為方便對比分析，將其繪成變化曲線，如圖5所示。

圖5 整體穩定性安全系數對比

結果表明，各支護方案的整體穩定性安全系數均滿足規范要求，采用傾斜樁支護方案的整體穩定性安全系數均大于垂直雙排樁支護方案，說明傾斜樁可有效提高基坑整體穩定性安全系數，各支護方案對基坑整體穩定性的控制效果與位移控制效果相似，即設連梁的傾斜樁多級支護位移和整體穩定性控制效果最優，前斜后直雙排樁次之，無連梁傾斜樁多級支護較差，垂直雙排樁最差。

2.4 樁身彎矩分析

圖6為基坑開挖至基底工況下的支護樁彎矩變化情況。通過對比各方案樁身彎矩變化（圖7）可知，傾斜雙排樁樁身彎矩顯著小于垂直雙排樁樁身彎矩〔圖7（a）、圖7（b）〕，說明傾斜樁不僅可以減小位移、增加整體穩定性，而且可以減小樁身彎矩，達到經濟的目的。同時，傾斜雙排樁與垂直雙排樁樁身彎矩變化形態基本相似，即前后排樁上部均為負彎矩、下部均為正彎矩，但反彎點的位置及彎矩大小略有差異；對于傾斜樁分級支護，是否設置連梁對彎矩的影響比較大，不設連梁時樁身彎矩在各方案中最小，設置連梁時樁身彎矩最大，且最大彎矩主要位于連梁連接處，連梁有效傳遞了水平力，使前后排樁連接處出現應力集中，增大了樁身內力。

圖6 各支護方案樁身彎矩

圖7 各支護方案樁身最大彎矩比較

綜合前述傾斜樁分級支護對設置連梁產生的不同位移和整體穩定性支護效果可知，連梁可減小位移、增加整體穩定性，但也會增大樁身彎矩，引起配筋的變化，需要根據不同的工程條件，通過不同的工程措施平衡各計算參數的計算結果。對本工程實例而言，若各方案位移和整體穩定性均符合規范要求，則可采取不設置連梁的措施，從而可實現最小的樁身彎矩和配筋。對于平臺寬度較大的分級支護，當破壞模型轉變為分離式破壞，即各分級支護結構之間的破壞并不關聯時，則沒有必要設置分級支護間的連梁。

3 實施效果分析

為驗證支護效果，在基坑外側土體中設置測斜管，實測支護樁開挖至基底工況下的樁身位移，結果如圖8所示。監測結果顯示，各支護段位移均不超過30 mm，位移控制效果可滿足規范規定及工程實際要求，其中傾斜雙排樁位移略小于垂直雙排樁，說明傾斜樁支護效果更佳，并具有更大深度的懸臂式無支撐支護的工程應用潛力。

圖8 開挖至基底的實測位移

4 結語

本文以工程實例為基礎，采用數值計算方法研究傾斜樁及其與多級支護結構組合支護的工程特點，通過工程應用達到了更有效的無支撐支護效果。通過對支護方案內力、位移及整體穩定性的計算分析比較， 得到以下主要結論：

1）傾斜雙排樁及其與多級支護結構的組合支護，相比于傳統垂直雙排樁，能顯著減小基坑位移，提高整體穩定性安全系數。傾斜樁多級支護通過平臺連梁的設置，提高了支護結構的剛度和整體性，對整體式或關聯式破壞模式的分級支護具有更好的位移和穩定性控制效果。

2）傾斜雙排樁樁身彎矩顯著小于垂直雙排樁樁身彎矩，且彎矩形態較接近。對于傾斜樁分級支護，不設連梁時的樁身彎矩在各方案中最小，設置連梁時的樁身彎矩最大；連梁可減小位移、增加整體穩定性，但也會增大樁身彎矩，引起配筋的變化；對于分離式破壞模式的分級支護，可考慮不設置平臺連梁或板。工程應用中應根據具體工程情況，采用對應結構措施。

3）通過現場位移監測，各支護方案均達到了比較好的應用效果，其中，傾斜雙排樁支護結構的位移控制效果總體好于傳統垂直雙排樁的位移控制效果。