深厚軟土基坑長短樁組合支護體系的簡化設計方法與應用

馬 勇，鄧義釗，李 川

(1.廣東省水利水電科學研究院,廣州 510635;2.廣東省巖土工程技術研究中心,廣州 510635)

隨著我國城市化進程的快速發展和大型基礎設施的高速建設，我國的深基坑支護工程也越來越多，支護形式也越來越多樣化。在廣東南沙、橫琴、中山、汕頭和江門等區域廣泛分布著較為深厚的軟土，軟土厚度達10～50 m，對基坑支護的設計施工管理均帶來了很大的挑戰[1]。根據基坑的支護高度和周邊環境的限制，深厚軟土區域的基坑通常采用樁撐、樁錨等剛度較大的支護形式。對于樁撐(錨)支護形式，基坑支護結構的嵌固深度需同時滿足規范要求的穩定性安全系數和支護結構變形限值[2]。由于軟土厚度較大，支護樁往往需要穿透深厚軟土層，并進入下臥硬土層一定深度。按照目前常規基坑支護設計，在滿足支護結構穩定和變形要求的條件下，支護結構往往按等長嵌固深度進行布置。根據樁撐(錨)支護結構典型受力分析可知，支護結構在開挖面附近部位承受的彎矩相對較大，而在基坑開挖面附近以下部分隨著深度的增加而不斷減小，導致基坑開挖面以下部分支護結構的抗彎能力無法完全發揮，又由于基坑支護結構在深厚軟土地質往往嵌固深度很長，導致深厚軟土地質下的基坑支護成本往往很高。因此，在滿足基坑支護結構穩定性要求和變形控制要求的前提下，同時又能夠很好地降低基坑支護成本的長短樁組合支護體系成為了基坑支護結構的一個優化研究對象[3-12]。

本文以某典型深厚軟土地質長短組合樁支護基坑為例，采用MIDAS-GTS有限元軟件和理正深基坑軟件進行長短組合樁樁錨支護的研究分析，并結合基坑支護結構實際監測變形情況對比分析長短樁樁錨組合結構的支護效果，可為類似基坑支護結構優化設計提供一定的借鑒和參考。

1 工程概況

某基坑支護工程開挖面積約3.8萬m2，周長約760 m，設置為2層地下室，開挖支護最大深度為8.75 m。基坑周邊均為已成形市政道路。本基坑為超過一定規模的危大工程，且處于深厚軟土地質，軟土層厚度達17.3～25.9 m，周邊環境也較為復雜。因此，如何在保證基坑支護安全的同時，也能更好地控制支護成本，成為本項目基坑支護工程設計咨詢的重點和難點。

2 地質情況概述

2.1 地層分布

根據地質揭露，本場區巖土層自上而下工程地質特征分述如下：

1) 填土層：全區分布，層厚為0.40～8.40 m，灰黃色，干-濕-飽和。

2) 吹填淤泥質土、吹填砂土層：分布于場區大部分地段，層厚為1.00～12.20 m，灰色，飽和，流塑態。

3) 粉砂層：全區分布，層厚為3.00～12.80 m，灰黃-灰色，飽和，松散—稍密狀，局部中密。

4) 淤泥、淤泥質土層：全區分布，層厚為17.30～25.90 m，灰色，流塑態。

5) 粘性土、砂土層：斷續分布，層厚為0.50～6.80 m，灰色，飽和，以軟塑態灰色粘土和稍密狀細砂為主。

6) 粗砂含卵石層：全區分布，層厚為2.10～16.20 m。灰黃—灰白色，飽和，中密-密實狀。

7) 砂質粘性土層：主要分布于場區南側，北側由于基巖埋藏較淺呈斷續分布，揭示層厚為0.20～17.40 m。為花崗巖風化殘積土，可塑-硬塑態。

8) 全風化花崗巖帶(γ53(1))：斷續分布，層厚為0.40～12.30 m，灰黃—灰綠—灰白等斑雜色，硬。

9) 強風化花崗巖帶(γ53(1))：僅少數鉆孔缺失，余者鉆入或鉆穿厚為0.40～15.80 m，灰黃—灰綠等斑雜色，硬。

10) 中風化花崗巖帶(γ53(1))：除部分鉆孔未鉆及外，大部分地段均鉆及、未穿，已控制厚度為0.60～7.50 m。

場地地下水主要為孔隙潛水、層間孔隙承壓水和基巖裂隙弱承壓水。孔隙潛水賦存于第1-3砂土層孔隙中；層間孔隙承壓水主要賦存于第5層(砂土亞層)、6層(砂土層)，具弱承壓性；基巖裂隙弱承壓水賦存于第9、10巖帶風化巖石裂隙中，與風化裂隙發育程度有關。勘探測得地下穩定水位埋深在1.50～6.10 m之間。

典型地質縱斷面如圖1所示。

圖1 典型地質縱斷面示意

2.2 地質參數

結合地質勘察報告和廣東地區經驗中取用的強度參數，各巖土層計算參數見表1所示。

表1 巖土體強度參數建議值

3 基坑支護方案

3.1 方案選型

典型基坑支護結構受力分析的研究表明，對于常規樁錨支護體系來說，基坑支護開挖面以下支護結構的變形隨著支護嵌固深度的增加而不斷減小，支護結構的受力也逐漸減小，但支護結構一般按最大受力位置進行包絡計算，導致大部分支護結構的材料抗力不能充分發揮，進而造成一定程度的浪費。

根據本基坑的支護深度、周邊環境和深厚軟土的地質條件，并結合對支護經濟性的需求，經過深入的方案分析和比選，采用長短間隔灌注樁+預應力錨索的組合支護體系。長樁穿透深厚淤泥層進入下臥密實粗砂層，主要使基坑支護結構滿足規范的穩定性要求；短樁嵌入基坑底一定深度，并盡量放置在粉砂層，主要使基坑支護結構滿足規范的變形控制要求；從而一定程度上緩解了常規支護設計全部采用長樁支護結構造成的支護費用居高不下的成本壓力。基坑止水帷幕采用常規的大直徑攪拌樁密排止水，樁長穿透粉砂層進入下臥相對不透水層1.5 m。為使預應力錨索錨固段盡量放置在粉砂層，錨索錨固段采用旋噴擴大頭錨固段與常規錨固段相結合的形式，只在錨索錨固段的底部設置一定長度的擴大頭錨固段。基坑支護典型剖面示意見圖2所示。

圖2 典型支護斷面(長短間隔樁+錨索支護)示意(單位：mm)

3.2 計算模型

根據長短樁+預應力錨索支護體系的受力特點，將該支護模型分成3步進行包絡計算。

第1步：將所有的長樁替換為短樁進行模擬計算，即短樁長度范圍以下的長樁部分不考慮其作用，根據此條件進行樁徑和樁間距的選取。本基坑支護采用Φ800@1 000的支護灌注樁，樁長為12.7 m，復核支護結構的變形和配筋。第一步的模擬計算簡稱“計算方法1”。

第2步：將所有的短樁替換為長樁進行模擬計算，復核支護結構的變形和配筋，即認為支護結構為常規的等長嵌固深度。本基坑支護采用Φ800@1 000的支護灌注樁，樁長為37.6 m，第2步的模擬計算簡稱“計算方法2”。

第3步：單獨考慮長樁進行模擬計算，不考慮短樁的作用，復核基坑支護結構的穩定性安全系數和短樁樁底以下部分長樁的配筋。本基坑支護采用Φ800@2 000的支護灌注樁，樁長為37.6 m。第3步的模擬計算簡稱“計算方法3”。

上述3種計算方法完成計算后，按照下列原則進行包絡設計：

1) 支護結構變形：按照“計算方法1”和“計算方法2”中計算較大者選取進行變形控制；

2) 支護結構穩定安全系數：按照“計算方法3”進行穩定性安全系數復核；

3) 支護結構配筋：短樁配筋按照“計算方法1”和“計算方法2”的包絡結果進行選取；長樁配筋按照“計算方法1”和“計算方法2”以及“計算方法3”中在設計短樁樁底標高以下部分的長樁彎矩。

4 典型計算結果及分析

本節選取典型剖面采用不同計算方法進行分析(典型支護斷面見圖2)，不同計算方法得到的支護結構位移內力包絡示意見圖3～圖5所示。

圖3 支護結構位移內力包絡(計算方法1)示意(支護全部按短樁12.7 m，間距1.0 m)

圖4 支護結構位移內力包絡(計算方法2)示意(支護全部按長樁37.6 m，間距1.0 m)

圖5 支護結構位移內力包絡示意(計算方法3)(支護只考慮長樁37.6 m，間距2.0 m)

根據計算結果匯總(見表2)可以看出，“計算方法1”將長樁全部視為短樁，支護結構最大水平位移為33.26 mm，“計算方法2”將短樁全部視為長樁，支護結構最大水平位移為31.73 mm，表明基坑坑底以下支護結構的變形隨著嵌固深度增加而逐步減小，超過一定范圍后的支護結構嵌固深度增加對控制支護結構的最大變形影響不大。特別對于本項目這種深厚軟土地質條件下的基坑支護結構，如全部采用常規長樁支護，會導致樁身材料無法得到充分的發揮，且對支護結構的變形控制影響不大，增加33.2%的支護成本僅僅減小了4.6%的支護結構變形，導致支護結構的經濟性很差，也一定程度上影響了施工工期。

表2 計算結果匯總

5 有限元數值模型驗證

由于基坑長短樁支護尚沒有明確的規范依據，為驗證本文提出的包絡設計方法的可行性，采用了MIDAS-GTS大型有限元軟件進行相互校核驗證分析。采用二維地層結構法，巖土體采用二維平面單元，修正摩爾-庫侖準則；支護結構采用一維梁單元，線彈性模型；錨索采用一維植入式桁架結構，線彈性模型。有限元數值模擬考慮長短樁的共同作用，計算結果見圖6和圖7所示。根據計算結果，支護結構的最大水平位移為32.1 mm，短樁和長樁的最大彎矩為420 kN·m，有限元的計算結果均略小于本文提出的包絡設計計算結果，按包絡設計也是偏安全的，匯總見表3所示。

表3 計算結果對比分析

圖6 支護結構深層水平位移分布示意

圖7 支護結構樁身彎矩分布示意

6 監測成果分析

根據信息化施工和動態設計的要求，本項目對基坑整個開挖過程進行了監測，基坑開挖到底后，支護結構的深層水平位移實測值與不同計算方法的理論值對比見圖8所示。

圖8 樁身深層水平位移對比示意(開挖到坑底)

由圖8可以看出，支護結構的實測最大水平位移位于樁頂附近，其值介于“計算方法1”和“計算方法2”兩種理論方法算得的最大水平位移之間，且與有限元計算的最大水平位移也基本吻合。“計算方法1”和“計算方法2”的樁身深層變形曲線在短樁樁身范圍內基本吻合，在樁頂以下短樁樁身范圍區域與實測值相差偏大，但在短樁樁底以下區域又與實測值具有較好的吻合，分析主要是因為長短樁組合結構具有一定的空間效應，不完全是平面應變問題，導致出現一定的計算差異。總的來說，本基坑監測數據與理論分析成果具有一定的相符性，在整個基坑施工期間，支護結構變形控制較好，達到了既安全又經濟可行的效果。

7 經濟效益評價

結合本文長短樁包絡設計方法和常規等嵌固長度設計方法的差異，根據表4可以看出，在深厚軟土地質條件下，本項目案例采用長短樁包絡設計方法，支護樁的工程費用可以節省33.2%，大大降低了整個基坑支護的成本。長樁和短樁的樁長差異越大，本文長短樁包絡設計方法產生的經濟效益越明顯。

表4 經濟效益評價對比分析

8 結語

1) 在深厚軟土地區，采用長短組合支護結構在充分考慮支護結構變形和穩定的條件下是可行的。

2) 深厚軟土地質條件下長短組合支護結構既可以很好地解決基坑底以下部分支護結構抗彎能力無法充分發揮的問題，又能較好地滿足基坑支護結構的經濟合理性要求。

3) 長短組合支護結構由于理論發展限制，尚未有較為完善的理論體系來指導設計，實踐中采用了3種計算方法進行包絡設計，結構也偏于安全。

4) 本文的包絡設計原則適用于深厚軟土地質條件下的長短樁組合結構設計，當地質條件差異較大時，應結合實際條件復核計算確定短樁長度。

5) 本文采用“一長一短”的長短樁設計方法，在工程實踐中也有“一長多短”的設計案例，采用本方法應用時需作進一步研究。