雙排樁支護在軟土地區基坑中的應用與分析

宣鋒

(1.上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司 200092;2.上海水業設計工程有限公司 200092)

引言

雙排樁支護是一種應用較為廣泛的懸臂式圍護結構，一些學者在設計理論方面做了大量研究。目前對雙排樁基坑的作用機理研究很多，《基坑工程手冊》[1]對土壓力比例分配法和彈性支點法進行了闡述?，F行《建筑基坑設計規程》[2]采用的是彈性支點法，考慮雙排樁和樁間土相互作用，將樁間土簡化為一維的彈簧，是目前較常采用的設計方法。

近年來，該支護形式在土質較好地區應用較為成熟，但在土質較差地區應用相對較少。目前，雙排樁支護在深厚軟土地區進行了一些案例應用[3,4]，但在個別案例中由于墻體剛度太小造成了變形過大[5]，也有堆載過大引起結構失穩的現象[6]，因此有必要對軟土地區的雙排樁基坑支護設計做進一步研究。

本文結合上海市某原水泵站基坑案例，通過彈性支點法和有限元方法，對深厚軟土地區的雙排樁支護的內力、變形、穩定性和環境影響進行研究，并結合現場實測結果進行分析，為后續設計和施工提供參考。

1 基坑概況

圖1 基坑平面布置Fig.1 Layout of excavation

編號土層名稱厚度/mγ/(kN/m3)φ/(°)c/kPaEs/MPam/(MPa/mm2)①填土1.118101021.33②1粉質粘土1.418.318183.144.32③1淤泥質粉質粘土5.41820146.564.93③3粘土3.717.7141410.332.61⑥1-1粉質粘土3.219.619.5394.366.37⑥2-1砂質粉土5.618.533.556.7313.06⑥3粉質粘土118.120165.085.06⑥4-1粉質粘土319.53444.813.41⑥4-2粉質粘土518.4191944.81

表中：γ為重度；φ為直剪固快試驗內摩擦角；c為直剪固快試驗粘聚力；Es為壓縮模量；m為水平向基床系數沿深度增大的比例系數。

2 彈性支點法設計與分析

2.1 支護結構選型分析

對于市政給排水工程中的大型泵房，其內部結構較為復雜，沒有明確的水平受力體系，不適合采用設置內支撐的圍護結構，而且廠站內地下管道密布、空間狹小，拉錨支護會影響后期管道和構筑物施工。從施工工期、施工難度和經濟造價綜合考慮，較為合理的基坑形式為懸臂式圍護結構。除西側基坑開挖深度較淺采用重力式擋墻外，其余側均采用雙排灌注樁支護。常規深度處的基坑剖面見圖2。

圖2 基坑剖面Fig.2 Profile of excavation

2.2 雙排樁計算及參數分析

由于上海市基坑規范[7]沒有提供雙排樁圍護的計算方法，設計采用《建筑基坑設計規程》[6]中的彈性支點法，計算采用啟明星軟件中的雙排樁計算模塊?？紤]到位于軟土地區，根據上海地區經驗，各土層水土壓力采用水土分算，相關參數見表1。周邊堆載取20kPa。

前后排樁徑、前后排樁距、樁間土壓縮模量、連板厚度是影響支護樁變形和內力的重要因素[1]。為了進一步了解軟土地區影響雙排樁支護變形和內力的主要因素，以下就上述影響因素進行參數分析。

1. 樁徑的影響

圖3、圖4分別顯示了前后樁排距3m、樁徑600mm～1200mm時，計算所得的最大變形和最大彎矩。從圖中可知，隨著樁徑的增大，樁體最大位移明顯減小，前排樁彎矩隨之增大，而后排樁彎矩影響不大。

圖3 不同樁徑下樁的最大變形Fig.3 Pipes maximum deformations with different diameters圖4 不同樁徑下樁的最大彎矩Fig.4 Pipes maximum bending moments with different diameters

2.前后樁排距的影響

圖5、圖6分別顯示了樁徑D=1000mm、前后樁排距2m～5m時，計算所得的最大變形和最大彎矩。從圖中可知，隨著排距的增大，樁體最大位移和前排樁彎矩影響不大，而后排樁彎矩隨之增加。

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圖5 不同排距下樁的最大變形Fig.5 Pipes maximum deformations with different spaces between double-row-piles圖6 不同排距下樁的最大彎矩Fig.6 Pipes maximum bending moments with different spaces between double-row-piles

3.樁間土壓縮模量的影響

圖7、圖8分別顯示了樁徑D=1000mm、樁間土壓縮模量Es=2MPa～9MPa時，計算所得的最大變形和最大彎矩。從圖中可知，隨著壓縮模量的增大，樁體最大位移減小并不明顯，前排樁彎矩影響不大，而后排樁彎矩隨之增加。

圖7 不同樁間土壓縮模量下樁的最大變形Fig.7 Pipes maximum deformations with different compression modulus of soil between pipes圖8 不同樁間土壓縮模量下樁的最大彎矩Fig.8 Pipes maximum bending moments with different compression modulus of soil between pipes

4. 連板厚度的影響

圖9、圖10分別顯示了樁徑D=1000mm、連板厚度取0.5m～0.9m時，計算所得的最大變形和最大彎矩。從圖中可知，隨著連板厚度的增大，樁體最大位移減小并不明顯，前排樁彎矩在連板厚度由0.5m增加至0.6m時增加較快，但隨后影響不大，而后排樁彎矩隨之減小。

圖9 不同連板厚度下樁的最大變形Fig.9 Pipes maximum deformations with different thicknesses of connecting plate圖10 不同連板厚度下樁的最大彎矩Fig.10 Pipes maximum bending moments with different thicknesses of connecting plate

2.3 雙排樁支護設計

通過上述分析可知，樁徑是影響樁體位移的主要因素，本次設計前后排樁徑D=1000mm，前排樁距為1150mm，后排樁距為1725mm。計算分析認為前后樁排距對位移影響不大，而相關分析顯示較優的排距為3D～5D[1]，結合現場條件，前后樁排距取3m。樁頂連板厚度取0.7m，樁間土壓縮模量Es=5MPa，地面活載取20kPa。雙排樁支護設計如圖11所示。彈性支點法計算的計算結果見圖12，樁頂最大位移為42.4mm，前排樁樁身最大彎矩為1005kN·m，最大剪力為411kN，后排樁樁身最大彎矩為439kN·m，最大剪力為71kN。

圖11 雙排樁設計布置Fig.11 Layout of double-row-piles

雙排樁的穩定性驗算主要包括：整體穩定性驗算、抗傾覆驗算以及墻底抗隆起驗算。本工程基坑安全等級為二級。通過計算，當前排樁嵌固深度為11.5m時，整體穩定性系數Ke=1.64(≥1.3)，抗傾覆穩定系數Ks=1.23(≥1.2)，抗隆起安全系數Kb=4.15(≥1.6)，上述指標均滿足二級基坑要求。

圖12 雙排樁的樁體位移及內力Fig.12 Deformations and internal force of double-row-piles

3 有限元分析

為了進一步研究雙排樁的受力、變形和穩定性情況，本文采用PLAXIS 2D有限元軟件作進一步分析。有限元模型土層厚度取40m，土體總寬度取100m，其中坑內土體寬度約為30m，坑外土體寬度為70m。土體本構模型采用硬化土體模型(Hardening strain模型)，軟土參數根據上海地區反分析計算的相關經驗值選取[8]。地面活載取20kPa。灌注樁、連板采用線彈性模型的梁單元。

圖13 前后排樁位移曲線Fig.13 Deformations of double-row-piles

通過計算，前后排樁水平位移如圖13所示。圖中可知，前、后排樁變形形態基本相近，最大位移約為48mm?；油鈧韧馏w豎向沉降曲線見圖14，曲線呈凹槽型，坑邊處的沉降值約為12mm；最大沉降值約為34mm，沉降最大點發生在圍護樁外11m；圍護樁外側25m以外變形逐漸減小，外側40m以外的影響很小。由上述分析可知，雙排樁支護雖然為懸臂式支護，但在軟土地區樁后地表沉降曲線并不是呈現樁后處最大的三角形曲線，這與土體性質關系較大，更接近于軟土地區的板式支護體系墻后地表沉降曲線[7]。本案例中，坑邊處的沉降值約為0.25倍樁體最大位移，最大沉降值約為0.7倍樁體最大位移，沉降最大點發生在約1倍開挖深度處，約2.5倍開挖深度以外變形逐漸減小，約4倍開挖深度以外的影響很小。

圖14 地表沉降曲線Fig.14 Ground surface settlement

此外，有限元計算還采用強度折減法對其整體穩定性進行評價，得到整體穩定性系數Ke=1.69(≥1.3)，與彈性支點法計算結果相近。在彈性支點法計算中，前后排樁距對基坑變形和內力影響不明顯，為了進一步分析樁間距的影響，對其進行參數分析。

圖15 不同排距下樁的最大變形Fig.15 Pipes maximum deformations with different spaces between double-row-piles圖16 不同排距下樁的最大彎矩Fig.16 Pipes maximum bending moments with different spaces between double-row-piles

圖15、圖16分別顯示了不同排距下樁最大變形和最大彎矩，隨著樁排距增大，樁最大變形逐漸減小，樁間距為3D～5D時，變化也并不明顯；前排樁彎矩基本不變，其計算結果約為彈性支點法計算值的1/2～1/3，后排樁彎矩隨樁間距增大而增大。造成該現象的主要原因可從兩方面分析：1)有限元計算的樁體底部位移較彈性支點法略偏大，整個樁體變形曲線較緩和，樁體彎矩偏??；2)有限元法前后樁最大彎矩的比值約為1.1，彈性支點法比值約為2.3，可知彈性支點法前后樁彎矩差異較大，主要由前排樁承擔荷載，而有限元法中前后樁體共同受力特點明顯，該情況與圖13反應的結果一致，因此有限元法前排樁彎矩偏小。

4 工程實測及分析

雙排樁支護作為懸臂式圍護形式，土方開挖速度快，不影響主體結構施工，極大地加快了施工工期，從基坑開挖至主體池體結構施工完成僅6個月，較常規帶內支撐的圍護結構節約2個月工期。為了確?；影踩?，本工程進行了土體水平位移監測和坑外土體沉降監測，沉降觀測點由于施工場地硬化等原因未能測得數據。

圖17 基坑各監測點最大位移分布Fig.17 Maximum deformations of monitoring points

圖17顯示了基坑各監測點的前排樁最大位移。圖中可知，由于基坑整體空間效應，且樁頂連板剛度較大，東側基坑變形較小，為24mm；基坑北側沒有堆載和車輛荷載，最大變形約為28mm；基坑南側由于有施工車輛荷載，以及坡頂設置鋼筋堆場等因素，最大變形約為42mm。由于雙排樁支護未形成封閉結構，其南、北兩側基坑敞口部位變形特性呈現平面應變條件下的變形，而南側敞口部位(發生42mm位移處)在車輛荷載條件下，其受力情況更接近彈性支點法和二維有限元計算模式。從上述實測變形結果分析，對于四邊未封閉的基坑，建議在開口處端部設置多排灌注樁，以加強端部剛度，減少基坑位移最大處的變形。

墻頂變形最大處的位移曲線如圖18所示。圖中可知，彈性支點法計算結果更接近實測變形形態，有限元計算結果與實測結果數值上相近，但變形形態稍有不同，下部土層實際約束樁體變形較有限元模擬更好。

圖18 前排樁體變形Fig.18 Comparison of maximum deformations of the front row pipe

5 結語

1．通過本文工程案例分析，雙排樁支護按基于水土分算的彈性支點法進行計算，所得的樁體變形與實測結果吻合。

2．本文案例分析表明，樁徑是控制樁體位移的主要因素；當排距超過3D時，對樁體變形和內力影響不明顯。

3．本文案例有限元分析顯示，坑外地表沉降曲線更接近于凹槽型分布，最大沉降值約0.7倍樁體最大位移，沉降最大點發生在約1倍開挖深度處。

4．實測結果顯示，雙排樁基坑在兩端約束時具有較為明顯的空間效應。在軟土地區，對于未封閉基坑的端部薄弱部位，建議采取設置多排樁等措施加強剛度。

5．本工程為典型軟土地區市政工程基坑，鑒于基坑工程工況和參數復雜，上述結論有待更多的工程案例進行論證。