斜樁支護在基坑工程中的監測和對比分析

李兵兵

（中鐵建設集團有限公司，北京 100131）

0 引言

在軟土地區，基坑支護通常采用設置豎向支護結構加水平支撐的形式[1-2]。但是對大面積、形狀不規則的基坑來說，水平支撐的布置較復雜，會限制施工空間[3]，并且支撐的施工和拆除成本也會增加，導致工期延長，造成一定的資源浪費和環境污染。

在實際工程中，該文將預制樁傾斜一定角度進行布置，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目前在國內外已被應用于工程實踐中。李珍[4]、鄭剛[5-6]、孔德森[7-10]等利用數值模擬和模型試驗分別對單排直樁、雙排直樁及斜直交替布置的支護樁的受力和變形特性進行了研究。研究結果表明，隨著傾斜角的增大，單排傾斜樁的樁頂水平位移減少。斜直交替樁控制樁頂水平位移的能力高于單排傾斜樁。對基坑支護結構而言，樁身變形和坑外沉降是基坑變形控制中最重要的指標。和無支撐懸臂直樁支護技術相比，傾斜樁支護技術在樁身位移控制和坑外沉降控制方面都具有較大的優勢。

該文以天津金鐘河大街南側地塊項目基坑工程為背景，介紹該工程中采用的斜直交替支護類型、斜樁的施工過程和要點，同時在基坑的不同部位針對性地設置了雙排樁支護和單排樁加設一道支撐的支護形式，對比了不同支護形式的樁身變形、內力以及坑外沉降的差異。

1 工程簡介

天津金鐘河大街地塊項目基坑工程位于天津市河北區，擬建工程建筑包括6 棟高層建筑、4 棟多層建筑及一層地下室（局部地下二層）。基坑開挖面積約25700m2，開挖深度為4.5m。

場地北側為趙沽里大街，西側鄰靖辰公寓。公寓外側為規劃道路群芳路，道路下存在已運營地鐵線路地鐵5 號線，此區域為盾構。南側鄰天江里小區，東側為中國聯通院落，內有2 層營業大廳和通信鐵塔。工程與周邊道路情況如圖1所示。

圖1 工程場地周邊環境圖

該基坑涉及深度范圍內各土層土性指標統計和抗剪強度指標見表1。

表1 基坑影響范圍內土體物理力學指標

2 基坑圍護結構設計與施工

2.1 圍護結構形式

基坑整體開挖深度為4.5m，地下結構西側距用地紅線最近3.6m，并且用地紅線外7.4m 為6 層住宅，采用傳統懸臂支護無法確保周邊建筑物及地鐵線路的安全，如果采用單排樁加整體一道水平支撐的方案則會造成出土困難，并增加工期和造價。綜合考慮下，決定在南側場地開闊處采用放坡開挖，大部分位置采用A-A 剖面斜直交替樁支護結構，局部采用B-B 剖面雙排樁支護做對比段，角部采用C-C 剖面預制樁加支撐的支護形式做對比段。基坑平面布置如圖2 所示。

圖2 基坑支護平面布置圖

A-A 剖面斜直交替支護采用了樁長11m、間距1.7m 的375mm×500mm 矩形預制樁，截面外方內圓，中空圓形直徑210mm，混凝土強度等級C80，預應力鋼筋布筋方式為12?10.7mm 預應力鋼棒，螺旋箍筋為?5@100，截面形式如圖3 所示。B-B 剖面雙排樁支護的前/后排樁長均為11m，排距2.2m，前排樁為間距1m 的375mm×500mm 矩形預制樁，后排樁為?600@2000 的灌注樁。C-C 剖面采用樁長10m、間距1m 的375mm×500mm 矩形預制樁，并在樁頂處設置一道鋼筋混凝土支撐。上述3 個剖面如圖4 所示。

圖3 預制樁截面形式（單位：mm）

圖4 圍護結構剖面（mm）

2.2 斜樁支護的施工與土方開挖

A-A 剖面設計的斜樁傾斜角度為20°，采用專用斜樁機進行靜壓法施工。施工前，根據設計傾斜角度并結合下返深度和設備高度分別計算樁位線、入土線和對位線。在樁位復核無誤后，根據支護設計圖紙并結合現場實際情況劃分施工區段，安排沉樁的先后次序，按順序施工傾斜樁，以控制擠土效應。斜樁靜壓機在樁位對正，夾持器抱緊，設備調平后進行斜樁的壓入。

施工斜直交替支護結構時，先將直樁壓至地坪，再施工斜樁。斜樁先施工至自然地坪后，再二次送深至設計標高。連續的施工區段接處還需要預留2～3 根樁與下一區段統一二次送深至設計標高。斜樁與直樁的樁頂用冠梁剛性連接在一起，冠梁寬度不宜小于樁截面高度+200mm，高度不宜小于樁截面高度的0.6 倍。

在支護結構構件強度滿足開挖條件且坑內地下水位以下土方得到有效降水疏干后，根據分層、分段的對稱、均衡、適時的原則開挖基坑。開挖時要注意挖土機械不能碰撞或損害支護樁，并注意保護斜直交替樁間土。基坑開挖工作于2019 年6 月完成。

3 基坑變形監測結果分析

為了確保基坑的安全開挖，并研究斜樁支護的應用效果，該工程對基坑開挖過程中的樁頂位移、支護樁深層位移、周邊道路及建筑物沉降進行了監測。其中矩形預制樁的側移采用基坑測斜儀進行測量，在帽梁澆筑前將測斜管放入空心矩形樁內。為了既能保證測斜管居中，從而正確反映樁身變形，又不影響預制樁的剛度，在矩形樁內交替灌注1.5m 深的沙子和0.3m 厚的砂漿以固定測斜管，使測斜管能夠準確反映支護樁的變形情況。

基坑開挖完成時，A-A 剖面、B-B 剖面和C-C 剖面的支護樁測斜結果如圖5 所示。

圖5 開挖完成時支護樁測斜結果

從圖5 可以看出，3 種支護的樁身變形模式相似，都類似于樁頂加水平支撐的單排樁變形。其中A-A剖面斜直交替樁支護的直樁最大水平位移為12.51mm，斜樁為11.95mm；B-B 剖面雙排樁支護前排樁最大水平位移為14.11mm；C-C剖面單排樁加一道支撐支護樁的最大水平位移為8.27mm。測斜結果表明，在該基坑支護形式設置條件下，3 種圍護結構變形均較小，采用斜直交替樁支護的變形略大于帶支撐的單排樁支護，略小于雙排樁支護。

計算斜直交替樁支護和雙排樁支護的每延米造價匯總見表2。取鉆孔灌注樁造價1500 元/m3，375mm×500mm 預制樁210 元/m，帽梁和連梁1500 元/m3。由表2 可知，A-A剖面斜直交替支護和B-B 剖面雙排樁支護相比，每延米造價能節省3075 元，在滿足基坑變形控制要求和施工條件的前提下選擇斜直交替支護可以降低工程造價。

表2 A-A 剖面和B-B 剖面支護結構每延米造價對比

基坑西側周邊建筑和地表沉降的監測結果顯示，B-B 剖面和A-A 剖面對應的最大坑外地表沉降分別為6.21mm 和6.34mm，西北角C-C 剖面的地表沉降為5.28mm。3 種支護形式的坑外地表沉降量比較接近。距離B-B 剖面和A-A 剖面的最近建筑物沉降最大值分別為2.29mm 和1.69mm。以上結果表明，采用斜直交替樁支護可以較好地控制基坑開挖對周邊環境的影響。

4 數值模擬計算結果對比分析

4.1 有限元模型建立

為了進一步探究斜直交替樁支護的變形規律，該文參照該工程的支護結構剖面分別建立雙排樁支護、斜直交替支護和單排樁加水平支撐支護的數值模型。將B-B 剖面雙排樁支護的前后排樁均換為375mm×500mm 預制樁，樁間距1.7m。此時雙排支護樁與A-A 剖面斜直交替支護樁的剛度相同。在單排樁加一道水平支撐的計算模型中，支護樁同樣采用375mm×500mm 矩形預制樁，樁間距為0.85m 和11m。

使用有限元軟件Plaxis2D 建立3 種支護形式的數值模型，并進行對比和分析。模型高度和模型左側邊界至支護樁距離取25m，模型底面施加雙向約束，兩側施加法向約束。土體本構模型采用小應變硬化土模型，排水類型為不排水，考慮基坑開挖過程中坑內降水對變形的影響[11]，土體參數見表3。根據等效剛度原則，支護樁等效為板單元，樁體彈性模量取38000MPa，泊松比取0.2。水平支撐用錨錠桿單元模擬，支護樁與土體的接觸面采用界面單元來模擬。A-A 剖面的模型網格劃分如圖6 所示。

表3 土體模型計算參數

圖6 A-A 剖面有限元模型網格劃分

4.2 數值模擬計算結果分析

開挖至坑底時，不同支護形式的樁身水平位移和坑外沉降的對比如圖7 所示。

圖7 3 種支護形式的樁身水平位移和坑外沉降的對比

當樁身剛度相同時，斜直交替支護的最大水平位移為11.74mm，雙排樁支護的前后排樁最大水平位移均為20.63mm，斜直交替支護最大水平位移比雙排樁支護減少了43.14%。2 種支護形式的樁身水平變形模式相近，并且最大水平位移都出現在樁頂處。排樁加水平支撐的樁身最大位移為8.98mm，發生在距離樁頂3.16m 位置處，樁頂位移為8.06mm。與斜直交替支護相比，排樁加水平支撐支護的樁頂位移減少了2.99mm，最大水平位移減少了3.68mm。以上結果說明斜直交替支護控制樁頂位移的能力優于雙排樁支護，略差于帶水平支撐的單排樁支護，并且斜直交替支護的最大位移較小，與帶水平支撐的排樁支護相近。這是由于斜直交替支護結構隨開挖向坑內偏移時斜樁受壓，因此其水平分力對直樁起到支撐作用，使樁身變形模式類似于帶水平支撐的“內凸式”[12]。

由于斜直交替支護斜樁的斜撐作用限制了坑內土體的隆起，因此使靠近樁底部分斜直交替支護的水平位移略大于雙排樁支護。與監測結果相比，數值模擬結果的樁頂水平位移偏大，原因可能是二維數值模擬沒有考慮帽梁的空間作用對支護樁頂變形的約束作用。

3 種支護形式的沉降曲線均為凹槽形，類似于帶水平支撐的基坑支護坑外沉降曲線。斜直交替支護的最大坑外沉降值為9.71mm，比雙排樁支護減少了37.91%；帶支撐的單排樁支護最大坑外沉降值為7.47mm，比雙排樁支護減少了52.24%。通過以上對比可以得知，在支護樁剛度和樁長相同的情況下，斜直交替支護限制坑外沉降的能力介于雙排樁支護和帶水平支撐的單排樁支護之間。

不同支護形式的樁身彎矩的對比如圖8 所示。3 種支護形式的彎矩隨深度的變化基本一致，均產生反彎點。帶水平支撐的單排樁最大正彎矩為94.1kN·m，略大于其他2 種支護的彎矩。斜直交替支護斜樁和雙排樁支護前排樁的最大彎矩值為87.6kN·m 和70.7kN·m，分別大于對應各自直樁和后排樁的最大彎矩值，原因可能是斜樁和前排樁分配到的土壓力更多。與雙排樁相比，斜直交替支護樁身彎矩的反彎點更靠近樁底，并且樁身最大正彎矩較大，這也說明了斜直交替支護對變形的控制能力優于雙排樁支護。

圖8 3 種支護形式的樁身彎矩對比

5 結語

該文以天津金鐘河大街南側地塊項目基坑工程為基礎，對預制樁斜直交替支護在基坑工程中的變形進行了對比和分析。得出如下結論：1）斜直交替樁的斜樁對直樁的斜撐作用使斜直交替支護的樁身位移模式為“內凸式”，坑外沉降曲線為凹槽形，類似于帶水平支撐的排樁支護。2）斜直交替支護的帽梁將直樁與斜樁剛接，起到了協調斜直樁變形和傳遞相互作用力的作用，因此在設計和施工時要使帽梁截面滿足剛度和受力要求，確保帽梁能夠起到將直樁和斜樁剛接的作用。3）在支護樁剛度和樁長相同的情況下，斜直交替支護限制樁頂水平位移和坑外沉降的能力介于帶支撐的排樁支護和雙排樁支護之間，并且樁身最大水平位移、彎矩與帶支撐的排樁支護較接近。4）當基坑開挖深度較小但傳統懸臂支護的計算變形過大時，可以考慮采用斜直交替的預制矩形樁支護的形式，避免設置水平支撐體系，既能節省造價，又能加快基坑開挖進度。