宣鋒

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

引言

雙排樁支護(hù)是一種應(yīng)用較為廣泛的懸臂式圍護(hù)結(jié)構(gòu)，一些學(xué)者在設(shè)計理論方面做了大量研究。目前對雙排樁基坑的作用機(jī)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(jìn)行了闡述?，F(xiàn)行《建筑基坑設(shè)計規(guī)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(shè)計方法。

近年來，該支護(hù)形式在土質(zhì)較好地區(qū)應(yīng)用較為成熟，但在土質(zhì)較差地區(qū)應(yīng)用相對較少。目前，雙排樁支護(hù)在深厚軟土地區(qū)進(jìn)行了一些案例應(yīng)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(jié)構(gòu)失穩(wěn)的現(xiàn)象[6]，因此有必要對軟土地區(qū)的雙排樁基坑支護(hù)設(shè)計做進(jìn)一步研究。

本文結(jié)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(qū)的雙排樁支護(hù)的內(nèi)力、變形、穩(wěn)定性和環(huán)境影響進(jìn)行研究，并結(jié)合現(xiàn)場實測結(jié)果進(jìn)行分析，為后續(xù)設(shè)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(zhì)粘土1.418.318183.144.32③1淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土5.41820146.564.93③3粘土3.717.7141410.332.61⑥1-1粉質(zhì)粘土3.219.619.5394.366.37⑥2-1砂質(zhì)粉土5.618.533.556.7313.06⑥3粉質(zhì)粘土118.120165.085.06⑥4-1粉質(zhì)粘土319.53444.813.41⑥4-2粉質(zhì)粘土518.4191944.81

表中：γ為重度；φ為直剪固快試驗內(nèi)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(shù)沿深度增大的比例系數(shù)。

2 彈性支點法設(shè)計與分析

2.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)選型分析

對于市政給排水工程中的大型泵房，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，沒有明確的水平受力體系，不適合采用設(shè)置內(nèi)支撐的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，而且廠站內(nèi)地下管道密布、空間狹小，拉錨支護(hù)會影響后期管道和構(gòu)筑物施工。從施工工期、施工難度和經(jīng)濟(jì)造價綜合考慮，較為合理的基坑形式為懸臂式圍護(hù)結(jié)構(gòu)。除西側(cè)基坑開挖深度較淺采用重力式擋墻外，其余側(cè)均采用雙排灌注樁支護(hù)。常規(guī)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(shù)分析

由于上海市基坑規(guī)范[7]沒有提供雙排樁圍護(hù)的計算方法，設(shè)計采用《建筑基坑設(shè)計規(guī)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(qū)，根據(jù)上海地區(qū)經(jīng)驗，各土層水土壓力采用水土分算，相關(guān)參數(shù)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(hù)樁變形和內(nèi)力的重要因素[1]。為了進(jìn)一步了解軟土地區(qū)影響雙排樁支護(hù)變形和內(nèi)力的主要因素，以下就上述影響因素進(jìn)行參數(shù)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。

甫一走進(jìn)颶風(fēng)集團(tuán)下屬企業(yè)富日制造的大門，就看到右手邊一個用透明玻璃搭建的房間，2位工作人員端坐在諸多的顯示屏前，仔細(xì)監(jiān)控著生產(chǎn)中的種種，頓時關(guān)乎富日制造的初印象便貼上了“智能化”的標(biāo)簽。

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(hù)設(shè)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(shè)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(rèn)為前后樁排距對位移影響不大，而相關(guān)分析顯示較優(yōu)的排距為3D～5D[1]，結(jié)合現(xiàn)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(hù)設(shè)計如圖11所示。彈性支點法計算的計算結(jié)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(shè)計布置Fig.11 Layout of double-row-piles

雙排樁的穩(wěn)定性驗算主要包括：整體穩(wěn)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(dāng)前排樁嵌固深度為11.5m時，整體穩(wěn)定性系數(shù)Ke=1.64(≥1.3)，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)Ks=1.23(≥1.2)，抗隆起安全系數(shù)Kb=4.15(≥1.6)，上述指標(biāo)均滿足二級基坑要求。

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

3 有限元分析

為了進(jìn)一步研究雙排樁的受力、變形和穩(wěn)定性情況，本文采用PLAXIS 2D有限元軟件作進(jìn)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(nèi)土體寬度約為30m，坑外土體寬度為70m。土體本構(gòu)模型采用硬化土體模型(Hardening strain模型)，軟土參數(shù)根據(jù)上海地區(qū)反分析計算的相關(guān)經(jīng)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(tài)基本相近，最大位移約為48mm?；油鈧?cè)土體豎向沉降曲線見圖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(fā)生在圍護(hù)樁外11m；圍護(hù)樁外側(cè)25m以外變形逐漸減小，外側(cè)40m以外的影響很小。由上述分析可知，雙排樁支護(hù)雖然為懸臂式支護(hù)，但在軟土地區(qū)樁后地表沉降曲線并不是呈現(xiàn)樁后處最大的三角形曲線，這與土體性質(zhì)關(guān)系較大，更接近于軟土地區(qū)的板式支護(hù)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(fā)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(qiáng)度折減法對其整體穩(wěn)定性進(jìn)行評價，得到整體穩(wěn)定性系數(shù)Ke=1.69(≥1.3)，與彈性支點法計算結(jié)果相近。在彈性支點法計算中，前后排樁距對基坑變形和內(nèi)力影響不明顯，為了進(jìn)一步分析樁間距的影響，對其進(jìn)行參數(shù)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(jié)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(xiàn)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，樁體彎矩偏小；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(dān)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(yīng)的結(jié)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(hù)作為懸臂式圍護(hù)形式，土方開挖速度快，不影響主體結(jié)構(gòu)施工，極大地加快了施工工期，從基坑開挖至主體池體結(jié)構(gòu)施工完成僅6個月，較常規(guī)帶內(nèi)支撐的圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)約2個月工期。為了確保基坑安全，本工程進(jìn)行了土體水平位移監(jiān)測和坑外土體沉降監(jiān)測，沉降觀測點由于施工場地硬化等原因未能測得數(shù)據(jù)。

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

圖17顯示了基坑各監(jiān)測點的前排樁最大位移。圖中可知，由于基坑整體空間效應(yīng)，且樁頂連板剛度較大，東側(cè)基坑變形較小，為24mm；基坑北側(cè)沒有堆載和車輛荷載，最大變形約為28mm；基坑南側(cè)由于有施工車輛荷載，以及坡頂設(shè)置鋼筋堆場等因素，最大變形約為42mm。由于雙排樁支護(hù)未形成封閉結(jié)構(gòu)，其南、北兩側(cè)基坑敞口部位變形特性呈現(xiàn)平面應(yīng)變條件下的變形，而南側(cè)敞口部位(發(fā)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(jié)果分析，對于四邊未封閉的基坑，建議在開口處端部設(shè)置多排灌注樁，以加強(qiáng)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(jié)果更接近實測變形形態(tài)，有限元計算結(jié)果與實測結(jié)果數(shù)值上相近，但變形形態(tài)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(jié)語

1．通過本文工程案例分析，雙排樁支護(hù)按基于水土分算的彈性支點法進(jìn)行計算，所得的樁體變形與實測結(jié)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(dāng)排距超過3D時，對樁體變形和內(nèi)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(fā)生在約1倍開挖深度處。

4．實測結(jié)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(yīng)。在軟土地區(qū)，對于未封閉基坑的端部薄弱部位，建議采取設(shè)置多排樁等措施加強(qiáng)剛度。

5．本工程為典型軟土地區(qū)市政工程基坑，鑒于基坑工程工況和參數(shù)復(fù)雜，上述結(jié)論有待更多的工程案例進(jìn)行論證。