软土地基深基坑中双排桩的应用研究

江太春

摘要：双排桩支护结构是一种空间组合类悬臂支护结构。具有侧向刚度大、桩身水平位移量小，施工方便、稳定性较好等优点，对于深基坑比较适用，且不需设置内支撑。加之节约工期、造价，在近些年的深基坑支挡结构中得到了广泛的应用。本文结合某些深基坑工程实例，对双排桩在软土地区深基坑支护工程中的应用前景进行分析。并对其具体的设计、施工到监测以及数值分析进行了探讨，希望对工程应用具有一定的指导意义。

关键词：软土地基；深基坑；双排桩；变形控制；施工监测；数值分析

1 引言

深基坑双排桩支护是近几年来新发展的一种深基坑支护形式，在深基坑、道路边坡工程中得到了广泛运用。双排桩支护结构是一种空间组合类悬臂支护结构，具有侧向刚度大、施工方便、稳定性较好等优点，但双排桩受力机理复杂，尚缺乏较为成熟的计算方法和设计理论。具体做法是：在基坑周边施工两排平行的桩，桩顶设置纵横两道双向大刚度连梁，内排桩距可至1.5倍的桩径，外排桩可取3倍的桩径，排距一般为桩径的1.5～4倍。这种支护形式与单排桩相比，具有刚度大、桩身水平位移小，对于深基坑比较适用，且不需设置内支撑，而且施工方便，节约工期、造价，在软土地区深基坑支护工程中具有广泛的应用前景。

2 软土地基支护工程特性

软土地基主要是由细粒土组成，它表明就地基土的总体而言是软弱的。《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）规定，孔隙比e≥1.0，且含水量w >液限的细粒土为软土。以淤泥质土为主的软土地基，根据其土体强度，工程地质性能极差，多呈流塑状，部分为软塑性土，具有高压缩性、高孔隙比、低强度、高灵敏度的特殊性质。软土受荷载后变形大，加上蠕变的特性，容易在坑底出现隆起等现象。因此，深基坑在设计与施工中须充分考虑软土的特性，防止变形现象的产生。确定软土地基支护结构应考虑一下方面。

3 双排桩支护工程实例

对于软土地基中大、深基坑而言，双排桩式支护结构具有侧向刚度大，能有效限制侧向变形；不需架设支撑， 挖土方便， 快速施工等优点， 受到了建设单位及施工单位的欢迎和广泛的应用。

3.1双排桩支护结构在高层建筑深基坑开挖中的应用——以上海之江大厦深基坑开挖为例

（1）.工程概况

上海之江大厦位于上海金桥加工区， 南与经五支路相距12m；北临杨高路，中间隔着一个绿化地带；东西两侧分别与正在建设中的银桥大厦和新律大厦相连（未施工）。主楼为两个扇形建筑，层数分别为28层和18层，地下室二层，大面积基坑开挖深度10.5m，局部电梯井深12.5m；基坑东西向长约110m，南北宽近70m，工程桩采用500×500mm的预制桩，混凝土底板厚为1.8m。

（2）.工程地质概况及采用的围护结构

基坑所在场地工程地质条件较差，主要受力土层为含水量高、压缩性大的淤泥质粘土。主要地层为：素填土、粉质粘土、淤泥质粘土、粘质粉土和砂纸粘土。各土层的岩土工程性质可简要描述如下表1。

表1 上海之江大厦土层工程性质

层序 类别 平均层厚（m） 孔隙比 含水量（%）

1 素填土 0.7 - -

2 粉质粘土 2.0 0.884 31.86

3 淤泥质粘土 7.8 1.284 45.33

9.5 1.40 49.59

4 粘质粉土 5.0 1.02 36.0

5 砂质粘土 4.0 0.679 24.0

从该基坑的工程情况来看，周边环境对于侧向变形要求不是太高；该基坑土方开挖量大，工期紧，同时由于基坑面积大，采用混凝土支撑或钢管支撑不经济。经反复方案比较，围护结构原则上采用双排中Φ800的混凝土钻孔桩和多排水泥搅拌桩组成复合式的门框架围护结构。为减小围护结构侧向变形，增加被动区土压力，基坑底部采用格栅状水泥搅拌桩进行加固，基坑四周局部范围卸土至围护结构顶梁，如图1a所示，前排桩间距1.0m，后排间距2.0m，前后排桩之间用高为1000mm的梁连接，组成刚度较好的门框架结构。

a.围护结构断面图 b.围护结构平面图

图1 上海之江大厦围护结构示意图

除围护结构顶梁在桩施工时进行穿插开槽施工外， 基坑土体开挖分二层进行， 第一层首先大面积开挖6 m 。根据大基坑小开挖原则， 第二层土体根据底板后浇带情况（东西向分成三块） 分区开挖， 待一区块混凝土底板浇捣完毕后开挖另一区块土体。

3.2双排桩支护结构在深圳西部通道下穿式道路地下结构中的应用——以深港西部通道深圳侧接线工程为例

（1）.工程概况

作为深圳西部通道过境车辆的专用车道，深港西部通道侧接线工程主线长约4.48km，起于港湾大道，沿线经过大南山北麓、东滨路和后海路，与科苑大道、后海大道、工业大道等相交，止于西部通道一线口岸出口。为避免对周边居民和环境造成干扰和影响，接线工程经过南山市区段采用下穿地道形式，在不同的地段，线路采用暗埋式、敞口式和坞式等多种形式。下穿式道路为双向六车道，地下结构设计宽度31.1m，各种形式的地道均采用明挖法施工，基坑开挖深度9.0～11.0m。

（2）.工程地质概况及围护结构设计

后海路以东至西部通道场地地段，相当于里程K3+460-K4+476.88段，该地段原始地貌主要是海相淤积潮间带和浅海，后由填海造陆形成有抛石海堤或填海区。地质勘探显示：此处主要地层有人工填土（石）层、淤泥层、粗砂层、冲洪积粘土层和残积土层，基坑采用双排桩支护形式。各土层的岩土工程性质可简要描述如下表2。其中淤泥层为海相沉积形成的超软弱软土层，遍布整个场地，根据填海工程的地质资料，深圳后海湾海相沉积的淤泥孔隙比接近20，大然含水量大于80%，不排水抗剪强度小于8kPa，属于国内沿海地区罕见的超软弱土。残积土层，为混合花岗岩风化残积而成，主要为砂质粘性土，该土层压缩性小、强度高、透水性小为良好的持力层。场地地质条件复杂，填筑材料复杂，基坑开挖与支护作业困难，基坑规模大，施工周期长，基坑支护的安全问题比较突出。

深港西部通道侧接线工程后海路以东至西部通道场地地段采用双排桩支护体系，前后排桩均采用冲孔桩，直径1200mm，桩长18m；前排桩间距1.6m，后排桩间距3.2m；前后桩间距14m，前后桩刚性连接采用600×600rnm的梁，在双排桩上部浇注钢筋混凝土排水箱涵，基坑深度11m。

4 双排桩支护的变形监测及控制

软土深基坑工程的施工过程对邻近建筑物及地下管线造成的影响，会引起安全问题。因此深基坑工程施工安全，将直接影响到整个基坑体系的安全。深基坑工程施工成功与否，取决于其能否适应场地的工程地质条件、水文地质条件及周边环境等方面的因素，因此根据现场条件，对深基坑工程进行经济合理的设计，是非常必要的。其中最常用的是侧向变形监测，本文就侧向变形监测进行探讨。

4.1双排桩支护施工中的变形监测和有限元分析

4.1.1深基坑变形机理分析

基坑开挖过程的变形，可以简单地定义为由于基坑开挖，侧土卸荷而产生的侧向变形。支护结构的水平位移，也是由于坑内水平向卸荷引起了坑内外土体原始应力状态改变，使得支护结构发生向基坑内侧的水平移动，与此同时，坑外土体又产生水平滑移，导致地表开裂及垂直沉降。坑底隆起则是由于坑内土体竖向卸荷，同时支护结构向坑内挤压，坑底土体只有向上变形一个方向，因此产生了底部隆起。因此除基坑本身特点之外，坑底隆起还和基坑内支护桩的设置与否、基坑底部是否有加固、坑底土体的残余应力等因素密切相关。

4.1.2深基坑支护变形计算和数值分析

随着计算机时代的到来，采用数值分析的手段对工程施工过程进行预测成为一种热门的手段。对于深基坑双排桩支护结构的内力和变形，都可以用平面应变的弹性有限元法来得到，并可以用计算的方法，对不同的桩长、桩距等进行对比，采用更加经济有效的方案，为方案优化提供有效可靠的依据。

如今使用比较广泛的软件如FLAC3D，采用有限差分的方法，在岩土力学计算中，它是最重要的数值方法之一。在模拟地质材料达到极限强度或屈服强度时发生破坏或塑性流动具有很大的优势，特别是达到塑性流变特性具有极高的意义。

在选定方案以后，可以针对该方案进行更深入的计算，通过对模型进行单元划分，计算最后可以得到所需要的任何数据，本文以基坑水平位移变化和沉降量变化曲线为例。如果计算得到的模型濒临破坏，就可以在此基础上选定更大的安全系数再重新计算直到安全为止，既保证安全又节约成本。并得到实时的基坑水平位移变化和沉降量变化曲线留以备用。具体的做法在如图2所示。

图2 监测、施工系统图

4.2双排桩支护结构的变形控制

信息化施工就是对施工过程中的信息进行实时监测，信息化施工可以确保围护结构安全，获得动态信息。通过对前期开挖监测得到的各种数据进行分析，对后续开挖方案、开挖顺序和开挖速度提出建议，对施工过程中可能出现的险情进行及时的预报，保证基坑支护结构的稳定性及周围环境的安全。

对深基坑开挖过程中，围护结构的位移进行实时监测，可以得到水平位移与沉降量实测值曲线，然后与数值分析结果所得到的曲线进行对比。随着开挖的进行，如果对比发现模拟计算值与实测值差别并不大，可以说明整个体系是安全的；如果差别很大，就应该对发现差别的部位进行更加具体的监控和关注，然后集中精力发现问题所在。

5 结 语

（1） 双排桩支护结构由于由刚性冠梁与前后排桩组成一个空间的超静定结构，整体刚度很大，支护的深度更大，其所选用的支护桩直径更小，可以选用较小桩径的双排桩代替单排桩中大直径桩，成本也会有所降低，因此应该在软土深基坑中得到更广泛的应用。

（2） 双排桩支护结构占用的空间较小，并且对环境破坏程度比较低，在建筑较为密集的区域，特别是城市更具优势。

（3） 可以采用FLAC3D数值分析方法，确定合适的排桩间距、桩身长度等施工信息，用以指导现场施工；并得到相应的位移和变形信息，与施工过程实时监测数据进行对比，对施工过程进行信息化控制。

参考文献（References）：

[1] Laefer，Debra Fern.Prediction and assessment of ground movement and building damage induced by adjacent exeavation.University of Illinois at Urbana-Champaign[D].2001.

[2] Bryson，Lindsey Sebastian.Performance of a stiff excavation support system in soft elay and the response of an adjacent building.Northwestern University[D].2002.

[3] Ge，Xuewu.Response of a shield- driven tunnel to deep excavations in soft clay. Hong Kong University of Science and Technology （Peoples Republic of China） [D].2002

[4] 沈保汉.深基坑技术讲座（2）.北京：建筑技术开发，1999.