組合式雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在軟土地區(qū)基坑工程中的設(shè)計(jì)與實(shí)踐
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傅縱
上海建工集團(tuán)工程研究總院 上海 201114
摘要：以上海浦江鎮(zhèn)125-4地塊基坑工程為背景，對(duì)組合式雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論、有限元分析情況及施工過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)闡述。借此對(duì)軟土地基中雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形特性進(jìn)行研究探討，最后就監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)、分析、總結(jié)，旨在為軟土地區(qū)類(lèi)似雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工提供有益的參考和借鑒。
關(guān)鍵詞：基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu) 組合式雙排樁 軟土地區(qū) 有限元分析
中圖分類(lèi)號(hào)：TU753.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI: 10.14144/j.cnki.jzsg．2015.08.001
Design and Practice on Supporting Structure with Combined Double Row Piles forFoundation Pit Engineering in Soft Soil Area
FU Zong
Engineering Generallnstitute of Shanghai Construction GroupShanghai 201114
1 基坑工程概況
1.1工程概況
浦江鎮(zhèn)125-4地塊位于上海市閔行區(qū)，北鄰陳行公路，南側(cè)毗鄰周浦塘，西側(cè)為浦秀路，東側(cè)為浦錦路。主體工程包括地上多幢高層公寓、多層商業(yè)，以及商業(yè)街、企業(yè)會(huì)所與酒店式公寓3個(gè)區(qū)域的地下l層整體車(chē)庫(kù)，地下車(chē)庫(kù)均為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，采用樁筏基礎(chǔ)。
基地內(nèi)部地勢(shì)較平坦，東側(cè)和北側(cè)的周邊環(huán)境比較復(fù)雜：基坑?xùn)|側(cè)浦錦路下分布有3條市政管線(xiàn)（最近的1根電力管線(xiàn)進(jìn)入場(chǎng)地內(nèi)部），與基坑之間的距離為1.28~ 5.40．且在基坑開(kāi)挖過(guò)程中不予搬遷，成為該側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)施工的關(guān)鍵；基坑北側(cè)陳行公路下埋設(shè)有多條市政管線(xiàn)，最近的電力管線(xiàn)與基坑間距4.80 m，對(duì)圍護(hù)選型有一定限制�；幽蟼�(cè)23 m外為周浦塘防汛通道，西側(cè)浦秀路下的管線(xiàn)與基坑間距均在8.50 m之外。
基坑平面形狀接近矩形，總面積約為4.70×l04 m2，周
長(zhǎng)約為974 m，普遍開(kāi)挖深度為5.30 m。
1.2工程地質(zhì)條件
根據(jù)所掌握的地質(zhì)勘察資料，本工程場(chǎng)地為上海地區(qū)濱海平原典型軟土地層，擬建場(chǎng)地深55.00 m范圍內(nèi)的地基土屬第四紀(jì)全新世及上更新世沉積物，主要由飽和黏性土、粉性土及砂土組成，一般呈水平層理分布。本基坑開(kāi)挖涉及的土層主要有：②褐黃一灰黃色粉質(zhì)黏土，③灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾黏質(zhì)粉土，④灰色淤泥質(zhì)黏土，⑤la灰色黏土，⑤lb灰色粉質(zhì)黏土夾黏質(zhì)粉土，⑥暗綠一草黃色粉質(zhì)黏土。
對(duì)本工程設(shè)計(jì)及施工有影響的地下水主要是淺部土層|勺潛水，對(duì)混凝土有弱微腐蝕性。擬建場(chǎng)地潛水受大氣降j水及地表徑流補(bǔ)給，地下水靜止水位埋深為1.40~ 2.01 m，其絕對(duì)高程為2.63~ 3.75 m。
2 基坑支護(hù)方案
2．1方案選型
受用地紅線(xiàn)的限制，本基坑除西南側(cè)的企業(yè)會(huì)所區(qū)域可采用水泥土重力式圍護(hù)墻外，其他側(cè)均缺乏足夠的施工空間。
在綜合考慮各方意見(jiàn)、場(chǎng)地土層條件、施工可行性、經(jīng)濟(jì)性等因素后，本工程在北側(cè)商業(yè)街區(qū)域單獨(dú)分坑并采SMW法樁+1道水平鋼支撐的支護(hù)形式；東側(cè)酒店式公寓區(qū)域?yàn)楸Ｗo(hù)場(chǎng)地內(nèi)的電力管線(xiàn)，在東北和東南角均采用SMW工法樁+1道鋼筋混凝土角撐的支護(hù)形式，該側(cè)中部則彩用水泥土重力式圍護(hù)墻內(nèi)套打雙排樁的懸臂自立式組合支護(hù)結(jié)構(gòu)，避免了內(nèi)支撐的設(shè)置，結(jié)合合理的挖土施工方案，能有效控制圍護(hù)體變形，確保鄰近管線(xiàn)的安全和正常吏用⑵。
2．2組合式雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)
雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)將前后排鉆孔灌注樁通過(guò)壓頂梁和橫向連梁連接形成空間門(mén)架式支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，具有較大的側(cè)向剛度，可以有效控制基坑的變形，且雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)為超靜定結(jié)構(gòu)，在復(fù)雜多變的外荷載作用下能自動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)本身的內(nèi)力，使之適應(yīng)復(fù)雜的荷載條件。在本工程基坑中利用雙排樁側(cè)向剛度大的特點(diǎn)，作為水泥土重力式圍護(hù)墻的補(bǔ)強(qiáng)措施，而搭接施工的水泥土重力式圍護(hù)墻也彌補(bǔ)了雙排樁不具隔水功能的缺陷，二者各盡所長(zhǎng)，協(xié)同作用，
形成了有效的新型擋土止水結(jié)構(gòu)。
本工程中組合式雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的具體布置形式如圖1l、圖2所示：水泥土重力式圍護(hù)墻采用格柵式Φ 700 mm@500 mm雙軸水泥土攪拌樁，擋墻寬4.70 m;墻內(nèi)設(shè)置雙排鉆孔灌注樁，灌注樁選用Φ700 mm@2 000 mm，呈前后排矩形對(duì)齊布置。
2.3挖土施工方案
本工程基坑面積達(dá)4.70×104 m2，屬于超大面積的基坑工程．施工工期較長(zhǎng)，時(shí)間較難把握，大規(guī)模的土方開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境影響較大，容易造成基坑暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，對(duì)保證相鄰環(huán)境的安全存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。
因此，有必要制定合理的施工方案，通過(guò)優(yōu)化挖土施工工序，并對(duì)東側(cè)、北側(cè)坑外管線(xiàn)采取針對(duì)性的保護(hù)措施，以達(dá)到控制變形的目的。具體如下[3-7]：
1)根據(jù)時(shí)空效應(yīng)原理，結(jié)合基礎(chǔ)底板和后澆帶的分
布情況，將整個(gè)基坑分成面積不超過(guò)2 500Ir12的19個(gè)區(qū)塊分層、分段進(jìn)行土方開(kāi)挖；
2)土方開(kāi)挖過(guò)程中，應(yīng)盡量縮短基坑無(wú)支撐暴露的時(shí)間和減少無(wú)支撐暴露的空間，圍護(hù)體無(wú)支撐暴露時(shí)間不超過(guò)24 h，無(wú)支撐暴露寬度應(yīng)小于30.00 m;
3)開(kāi)挖到基底時(shí)，應(yīng)及時(shí)澆筑施工墊層底板，形成剛性換撐機(jī)制，并及時(shí)反壓回填土體，控制變形；
4)對(duì)于東側(cè)、北側(cè)緊鄰管線(xiàn)區(qū)域，除分層、分段、跳槽開(kāi)挖外，還應(yīng)視情況采取諸如開(kāi)挖暴露、懸吊保護(hù)等措施，以確保安全。
3 計(jì)算理論
雙排樁的計(jì)算較為復(fù)雜，首先是作用在雙排樁結(jié)構(gòu)上的土壓力難以確定，特別是樁間土的作用對(duì)前后排樁的影響難以確定，樁間土的存在對(duì)前后排樁所受的主動(dòng)及被動(dòng)土壓力均產(chǎn)生影響；再者，由于有后排樁的存在，雙排支護(hù)結(jié)構(gòu)墻背土體的剪切角將發(fā)生改變，剪切破壞面不同，將導(dǎo)致土體的主動(dòng)土壓力發(fā)生變化。
筆者認(rèn)為應(yīng)綜合考慮上述因素的作用，以對(duì)前后排樁所受土壓力進(jìn)行修正，并將水泥土重力式圍護(hù)墻的抗側(cè)剛度作為強(qiáng)度后備，僅考慮其防滲作用，從而建立合理的組合式雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化計(jì)算模型。
3.1計(jì)算模型
彈性抗力法是我國(guó)建筑行業(yè)規(guī)程規(guī)定的支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算方法，既可計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，又能粗略地考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)與土的相互作用，從而估算支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移，因此，在支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算中得到了廣泛的應(yīng)用。
由于單樁常采用桿系有限元分析法，在該法基礎(chǔ)上，提出基于彈性地基梁m法的彈性抗力法來(lái)考慮前后排樁土相互作用的模型。在該模型中，樁體采用彈性地基梁?jiǎn)卧�，地基水平反力系�?shù)采用m法確定，在一定程度上考慮了樁與土在水平方向上的相互作用；在樁側(cè)設(shè)置考慮樁與土摩擦的彈性約束，并在前排樁樁端處設(shè)置彈性約束以模擬樁底反力對(duì)抗傾覆的作用，如此建立組合式雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化計(jì)算模型如圖3所示。
該模型的另一個(gè)重要特點(diǎn)是：考慮到雙排樁間距一般較小，樁間土類(lèi)似水平方向受壓縮的薄壓縮層，因此，采用在前后排樁之間設(shè)置彈性約束的方式來(lái)反映樁間土體壓縮性的影響。
3.2計(jì)算過(guò)程
根據(jù)上述計(jì)算模型，考慮前后排樁與連梁的變形協(xié)調(diào)．假定連梁與前后排樁頂冠梁均為剛性連接，計(jì)算本工程組合式雙排樁典型剖面，具體計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)述如下：
1)基坑開(kāi)挖深度為5.30 m，前后排樁呈矩形布置，樁徑0.70 m，樁間距為2m，入土深度均為11.20 m，樁長(zhǎng)15.85m：
2)連梁截面尺寸為600 mm×600 mm，排距為2.00m，與樁頂?shù)倪B接按剛接考慮；
3)樁頂冠梁截面尺寸為1100 mm×700 mm，剛度為3.00 MN/m：
4)彈簧的反力系數(shù)計(jì)算采用m法，m值按土層性質(zhì)在1.50~ 3.00 MN/m4間取值，樁底采用單鏈桿支承約束，以此代替樁土之間摩擦力的作用，水平向不約束；
5)土壓力采用郎肯主動(dòng)土壓力計(jì)算，并考慮20 kPa的地面施工超載，內(nèi)力計(jì)算按分步增量法模擬。
從計(jì)算結(jié)果（圖4）可見(jiàn)，樁身位移呈現(xiàn)出典型的懸臂式撓曲變形曲線(xiàn)，最大位移22.60 mm發(fā)生在樁頂附近，在設(shè)計(jì)允許的變形控制值范圍內(nèi)‘8】。
4 有限元模擬分析
在計(jì)算分析上，傳統(tǒng)的豎向彈性地基梁法計(jì)算簡(jiǎn)單，但是通過(guò)單一參數(shù)考慮土與結(jié)構(gòu)的相互作用偏經(jīng)驗(yàn)性，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，且無(wú)法分析基坑開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境的影響。利用有限元法能夠?qū)︵徑ǎ?gòu)）筑物復(fù)雜環(huán)境下的基坑施工進(jìn)行模擬，并對(duì)環(huán)境的變形進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析，從而積極地采取一些措施，保護(hù)周邊建筑和基坑本身的安全。
4.1 有限元模型的建立
在本基坑有限元分析中，土體采用Hardening-Soil模型，同時(shí)考慮剪切硬化和壓縮硬化，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用線(xiàn)彈性模型，按平面應(yīng)變考慮，利用對(duì)稱(chēng)性進(jìn)行分析，并遵循Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則。
在參數(shù)方面考慮了3種應(yīng)變參數(shù)：主偏量加載引起的塑性應(yīng)變、主壓縮引起的塑性應(yīng)變以及彈性卸載或重加載的卸荷模量。
模型邊界條件采用標(biāo)準(zhǔn)邊界，土體采用15節(jié)點(diǎn)2-D等參單元，模型以開(kāi)挖深度的5倍寬度為基坑影響范圍，最終確定本基坑模型的總尺寸為60 mx 30 m。
4.2有限元計(jì)算結(jié)果分析
當(dāng)基坑開(kāi)挖至基底時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)、地表沉降及電力管線(xiàn)位移計(jì)算結(jié)果如圖5—圖9所示。
由圖7可見(jiàn)，當(dāng)基坑開(kāi)挖至基底時(shí)，水泥土重力式圍護(hù)墻頂最大側(cè)移24.10 mm，坑外地表最大沉降-20.00 mm，對(duì)照規(guī)范允許的變形控制值尚有一定余量，表明在本基坑采用水泥土重力式圍護(hù)墻內(nèi)套打雙排樁的組合支護(hù)方案是穩(wěn)定可靠的。
圖8顯示開(kāi)挖至基底時(shí)，組合支護(hù)結(jié)構(gòu)中前排樁最大水平位移22.80 mm，后排樁最大水平位移16.90 mm，變形曲線(xiàn)非常接近，表明連梁剛接能夠調(diào)整雙排樁的變形和內(nèi)力特征，減小結(jié)構(gòu)位移，協(xié)調(diào)正負(fù)彎矩。
由圖9可見(jiàn)，在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，坑外電力管線(xiàn)豎向最大沉降為13.00 mm，表明基坑開(kāi)挖對(duì)周邊地下管線(xiàn)的影響可控制在其允許的范圍之內(nèi)⑼。
5 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析
在本基坑施工過(guò)程中，對(duì)基坑支護(hù)體系及周邊環(huán)境安全進(jìn)行了有效的監(jiān)測(cè)，為信息化施工提供參數(shù)。施工期間還可根據(jù)監(jiān)測(cè)資料及時(shí)控制和調(diào)整施工進(jìn)度及施工方法，對(duì)施工全過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。
現(xiàn)將基坑?xùn)|側(cè)組合式雙排樁支護(hù)區(qū)域的基坑頂部變形及坑外管線(xiàn)沉降等數(shù)據(jù)整理后匯總?cè)缦拢?
從實(shí)際監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)可以看到，圍護(hù)樁頂部側(cè)向變形隨基坑開(kāi)挖深度的增加而迅速增長(zhǎng)，日變量約2 mm;這種變形增長(zhǎng)在基坑開(kāi)挖至基底，底板墊層澆筑施工后逐漸趨于穩(wěn)定，該階段變形約占總位移量的15%。在土方開(kāi)挖過(guò)程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部最大水平位移量為28.60 mm，與數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果十分接近（圖
圖11是實(shí)測(cè)的坑外地表沉降曲線(xiàn)，在開(kāi)挖初期，地面略有不規(guī)則隆起，隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，組合式支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力調(diào)整迅速穩(wěn)定，地表沉降不斷增大并趨于收斂，最大變形值為-4.90 mm，表明該組合結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境的保護(hù)效果良好，達(dá)到了預(yù)期目的。
電力管線(xiàn)變形與坑外地表沉降曲線(xiàn)趨勢(shì)一致，管線(xiàn)最大沉降-4.10 mm，最大差異沉降2.00 mm，表明由于基坑開(kāi)挖造成的管線(xiàn)絕對(duì)沉降及不均勻沉降均較小，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查看，周邊路面也未出現(xiàn)明顯裂縫，可見(jiàn)基坑工程在實(shí)施期間對(duì)周邊環(huán)境的影響較�。▓D12）。
6 結(jié)語(yǔ)
1)雙排樁能夠利用自身的較大剛度對(duì)水泥土重力式圍護(hù)墻起到補(bǔ)強(qiáng)作用，優(yōu)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸，顯著減小墻體位移，而水泥土重力式圍護(hù)墻也彌補(bǔ)了雙排樁無(wú)法阻隔地下水的缺陷，二者經(jīng)過(guò)共同作用，其復(fù)合抗側(cè)能力將得到顯著提高。
2)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，本工程基坑和周邊環(huán)境的變形在設(shè)計(jì)要求范圍以?xún)?nèi)并有良好的安全儲(chǔ)備，表明在水泥土重力式圍護(hù)墻內(nèi)套打雙排鉆孔灌注樁形成的組合式支護(hù)結(jié)構(gòu)是一種行之有效的支護(hù)方式，既能保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全經(jīng)濟(jì)、有效加快施工進(jìn)度并節(jié)約工程投資，又能有效保護(hù)周邊敏感環(huán)境，且便于土方開(kāi)挖。
3)采用基于彈性地基梁m法的彈性抗力法來(lái)考慮前后排樁土相互作用的模型進(jìn)行理論分析，并結(jié)合Hardening-Soil本構(gòu)模型進(jìn)行基坑開(kāi)挖的數(shù)值模擬，可以比較好地反映基坑變形趨勢(shì)，得出比較貼合實(shí)際的結(jié)果。
4)基坑變形不僅取決于土體性質(zhì)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身，在很大程度上還受土方開(kāi)挖速率和開(kāi)挖方式的影響。因此，在大面積基坑開(kāi)挖時(shí)．貫徹分層、分段、分塊、限時(shí)開(kāi)挖的原則，加強(qiáng)對(duì)土方超挖、圍護(hù)體無(wú)支撐暴露時(shí)間和空間的控制，能有效減少?lài)o(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形，保證基坑安全。
5)在深基坑工程實(shí)踐中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)措施，做到信息化施工，尤其當(dāng)基坑開(kāi)挖至基底時(shí)，需適當(dāng)加密監(jiān)測(cè)頻率，結(jié)合動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及時(shí)采取措施、預(yù)防險(xiǎn)情，并制定針對(duì)性應(yīng)急預(yù)案，在監(jiān)測(cè)值超出預(yù)警值后，迅速采取措施，確保周邊環(huán)境的安全。
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