排桩内支撑支护体系在软土深基坑中的应用与研究

郑素苹

（福建江夏学院 工程学院，福建 福州 350108)

排桩内支撑支护体系在软土深基坑中的应用与研究

郑素苹

（福建江夏学院 工程学院，福建 福州 350108)

以实际工程为依托，运用理正基坑算法对排桩支护下的软土深基坑开挖过程中产生的桩身弯矩变化、桩身侧向变形以及由于开挖引起的基坑周围地表沉降规律进行了分析，得出排桩内支撑支护体系在软土地区的深基坑工程中能有效控制基坑位移以及周边地表沉降，支护效果稳定、安全的相关结论，可以为类似工程实践提供了参考。

深基坑；排桩内支撑体系；弯矩；变形

随着城市建设的高速发展，各大中小城市的建设用地越来越紧张，导致建筑物楼层越来越高，地下室越来越深。基坑开挖深度越来越大，基坑支护是保证基坑开挖过程中的施工安全的关键，这就对基坑支护技术提出了新的要求和挑战。

当基坑开挖深度比较大时，如果悬臂式支挡结构在强度和变形上无法满足要求时，则可在坑内配合采用内撑支护。排桩内支撑支护体系由于可靠性高、不侵越红线且便于与逆作法相结合，在工程中得到越来越广泛的应用[1-3]。它适用于各种类型的土层，缺点是内支撑在施工中会占用一定的施工空间，常用的有钢管内撑支护和钢筋砼构架内撑支护。为了使排桩支护支护体系更好的应用到工程中，工程师以及学者们对其工作性能进行了深入的研究。吴铭炳[4]以应用排桩支护结构的福州某基坑原位测试结果为基础，分析了排桩支护结构的实际受力变形特征，并将不同理论计算结果与实测结果进行了对比，得出了控制排桩位移的措施；许锡昌等[5]对以悬臂排桩支护的矩形基坑进行研究，通过数值模拟与实测数据进行对比，归纳出了排桩的空间变形模式，以此建立了整个支护体系的能量表达式；林雪梅[6]以实际工程为依托，对软土基坑排桩支护的优化设计进行了探讨，并对监测数据进行分析，发现支撑梁刚度和强度是支撑基坑变形的关键。

排桩支护结构都可用弹性梁和弹性支点法计算模型进行结构分析。排桩支护体系受力明确，计算方法和工程实践相对成熟，是目前国内基坑工程中应用最多的支护结构形式之一，特别是被广泛应用于深厚软土层的深基坑工程中。本文在前人研究工作的基础上，以福州某中学的基坑工程为依托，对排桩支护作用下的软土基坑变形规律及机理进行了分析，对东南沿海地区相同工程地质条件下的软土深基坑支护有实践意义。

1 工程概况

1.1 场地概况

拟建场地位于福州市某中学校园内，现为旧房拆迁和学校操场，地面下设有 1层满铺地下室。拟建场地北侧与围墙的最小距离约8 m，围墙外为化民营路；南侧为已建 7层框架结构综合楼，最小距离约 9 m；西侧与围墙的最小距离约 6 m，围墙外为现有化民后巷；东侧与围墙距离约 6 m，与已建福建省 5层框架结构的文物总店最小近距约 10 m。场地总体地势平坦，局部呈小阶梯状。

本工程共设两层地下室，底板面平均标高为-9.70 m。底板厚600 mm，底板底设300 mm厚垫层，基坑开挖至底板垫层底的平均深度为10.00 m，基坑支护周长约340 m，安全等级为一级。其基坑支护工况如表1所示，支护平面图如图1所示。

表1 基坑支护工况

图1 基坑平面图（单位/mm)

1.2 工程地质条件

拟建场地表层为人工堆积形成的填土，其下土层属淤积、冲积成因类型和基岩风化带组成，基底岩性为燕山晚期侵入的花岗斑岩，地貌单元属福州盆地。根据岩土工程勘察报告，场地土自上而下，见表2。

表2 基坑各土层物理力学参数

1.3 水文地质条件

基坑开挖深度范围内的地下水主要为：上部松散层孔隙潜水，受大气降水和周边排水沟入渗的影响，赋存于杂填土层，透水性中等，富水性弱。勘察期间，地下水混合水位埋深0.83～1.62 mm，标高6.77～7.33 m。基坑采用φ700高压旋喷桩止水帷幕隔水，坑内集水明排。

1.2.1 汽轮机模型 汽轮发电机模型包括同步机、汽轮机、交流励磁机、热工调速器和多质量扭转轴接口．主要技术参数见表1[7]．

1.4 计算软件及计算方法

工程采用理正深基坑软件进行计算分析。输入的土体参数、排桩和内支撑参数和选择的计算模型、理论假定等，都会对计算结果有直接的影响。工程土体抗剪强度的参数采用固快指标。结构内力与变形计算值、支点力计算值应根据基坑开挖及地下结构施工过程的不同工况、根据受力条件分段按平面问题计算，选用弹性法。

2 基坑支护方案

综合基坑的工程概况，该基坑具有以下几个主要的特点：本基坑设计有两层地下室，开挖深度比较大，平均开挖深度在10 m左右，根据规范，该基坑的安全等级属于一级；基坑开挖范围内土体性质比较差，透水性较弱，粘土层分布非常不均匀，淤泥层的厚度较大，坑底下卧层为粉质粘土；基坑形状较规则，近乎长方形；周边环境条件差，基坑北面、西面为城市道路，南侧为已建综合楼，东侧为省文物总店，距离均较近，最近仅6 m，基本无放坡条件。

根据以上特点，基坑支护采用两层内撑式灌注桩围护结构，围护桩采用旋挖钻孔灌注桩，截面为φ900，间距约为1300mm。水平内支撑为现浇钢筋混凝土结构，支承立柱上部采用钢格构柱，下部采用 φ900旋挖钻孔灌注桩做基础。围护桩之间采用φ700的高压旋喷桩进行止水挡土；坑内局部超挖部分，根据开挖后的地质情况，采用放坡加砂袋反压临时支护。基坑支护典型剖面图如图2所示，其对应的施工工况入表1所示。

图2 基坑支护剖面图（单位:mm）

3 力学机制及变形分析

3.1 桩身弯矩分析

根据理正深基坑计算结果，图3为桩身在不同工况下的弯矩图，曲线1～7分别对应工况1～7。由图可知，不同工况下桩身弯矩零点均在坑底以下约5 m处，工况3、4零点距离坑底较近。桩身弯矩图以零点位置为中心对称点呈近乎中心对称，随着基坑开挖的进行，桩身最大正负弯矩总体呈逐渐增大的趋势，在最后一层开挖工况桩身弯矩峰值为所有工况中的最大值。

3.2 内支撑体系分析

如图1所示，工程采用钢筋混凝土对撑结合角撑支撑形式，各块支撑受力相对独立，支撑刚度大，有利于控制支护结构变形。内支撑体系可以直接平衡围护桩上所受到的土压力，主要受轴力和弯矩，属于偏心受压构件，受力明确。内支撑计算采用空间整体协同有限元计算方法，考虑了支护结构、内支撑结构及土空间整体协同作用的线弹性有限元计算方法，建立平面分析模型计算水平支撑的内力与变形。根据理正深基坑软件计算结果，钢筋混凝土内支撑的受到的最大轴力为8300 kN，最大弯矩为635 kN·m。

图4为基坑横向变形曲线，曲线1～7分别对应工况1～7。由图可知，基坑在开挖初始阶段，即工况1、2时桩顶的水平位移最大，桩身的位移随深度的增加逐渐减小至零；随着基坑不断向下开挖和各道内支撑的施加，排桩的水平位移整体呈现出中间大两头小的变化规律，变形曲线呈现出犹如弓形的形状，弓形峰值随着开挖深度的增加而不断增大，由工况3、4峰值小于工况5且小于工况6和7的曲线特点可以看出。同时峰值位置也不断下移，最大变形量与基坑深度比值分别为0.10%、0.19%、0.30%。不少学者通过研究统计总结出，软土地区一般板桩支护体系最大侧向变形大约在0.01 H左右[7]，采用钻孔灌注桩或地下连续墙的基坑一般小于0.01 H，基本落在0.20%至0.90%H之间[8]。因此该排桩支护基本上能较好的满足横向变形要求，说明本工程的基坑支护方案可靠，开挖方案合理，对基坑周围环境保护较好，基本满足对基坑变形控制的要求。

图3 不同工况排桩弯矩图

图4 排桩横向变形图

3.4 基坑周围竖向沉降规律分析

基坑开挖周边地表沉降观测图如图5所示。从沉降图可以看出：该基坑周围地表沉降整体较小，三种不同算法（三角形法、指数法和抛物线法）的平均最大值只有39 mm，由此可以说明该基坑工程所采用的支护形式和施工方案是较为合理的。根据抛物线法，基坑沉降的最大值出现在距基坑边10 m左右的位置，这说明基坑的坑壁处并不是沉降最大的位置，沉降最大的位置和离基坑边的距离之间有一定的关系。

图5 地标沉降曲线

3.5 排桩支护变形机理分析

由以上对支护结构的弯矩、变形以及基坑周围地表沉降的分析，可以发现基坑土压力主要作用于支护结构排桩的两侧，即开挖侧和非开挖侧。基坑开挖之前，排桩两侧的土压力大小基本相等，方向相反，互相抵消，此时排桩受到静止土压力作用；基坑开挖后，开挖侧产生临空，仅非开挖侧受土压力作用，两侧受力不平衡，此时排桩因此产生朝基坑开挖面的位移，位移的逐渐增大反映的是应力传递的变化过程，土压力通过土体中力的传递作用于排桩上，通过排桩的变形来调节平衡，调节过程中土压力逐渐变小，最终转化成主动土压力，排桩结构再次达到新的受力平衡。

3.6 排桩支护结构设计分析

在对该支护结构的变形机理进行分析后可以知道，排桩在基坑支护结构中主要承受水平方向的土压力作用，排桩钢筋受力特征主要取决于支护结构型式的选择。以本文基坑支护工程为例，该基坑的开挖深度约为10 m，采用排桩并在基坑内部加设双层内支撑的支护结构，支撑根据土层等综合情况设置在地面以下1.45、5.45 m处。在进行内支撑施工前，需对土层上部先进行开挖，开挖后排桩露出部分处于悬臂状态，开挖一侧钢筋牌受压状态，非开挖一侧处于受拉状态；上层内支撑设置完成后，继续向下开挖，此时为内支撑式支护结构，排桩在开挖一侧的钢筋由于内支撑的作用由受压状态变为受拉状态，非开挖侧钢筋则由受拉状态变为了受压；基坑开挖完成，拆撑后，排桩向基坑方向位移，排桩恢复到初始开挖侧的钢筋受压，非开挖侧钢筋受拉的状态。

综上所述，排桩在基坑支护中为受弯构件，不同深度弯矩大小不同，一般在开挖面附近弯矩最大。根据其受力特征，一般对排桩的配筋采用特殊处理，即基坑内外两侧不对称且分段的配筋方式，在弯矩较大的坑底附近配筋率较大，这种配筋方式使得排桩在支护过程中能更合理抵抗土压力，有利于钢筋强度的充分发挥，与均匀布筋相比不仅更经济，而且更有安全保障。

4 结论

以某中学基坑工程支护为例，采用理正计算软件对基坑不同施工阶段的排桩围护结构弯矩变化规律、桩身变形规律以及基坑周围地表沉降特点进行了分析研究，主要得到了以下几个结论：

（1）排桩内支撑支护在基坑开挖过程中，桩身弯矩最大值出现在坑底附近，零点处于坑底以下5m范围内，因此坑底深度对应桩侧配筋需有所侧重；

（2）排桩内支撑支护在基坑开挖过程中的水平位移呈现弓形形状，最大水平位移是靠近坑底的位置，随着挖深增加，桩身最大水平位移也随之增加；

（3）排桩内支撑支护下的基坑开挖所引起的坑外地表沉降的沉降量与离坑边距离有一定的关系，按照抛物线法分析基本呈先增大后减小的关系；

因此，排桩内支撑支护体系能有效控制基坑位移及周边沉降，支护效果稳定、安全，符合相关规范要求，是一种有效的支护形式。

［1］袁海庆，张光文．排桩-内支撑深基坑支护体系的等效转换与简化计算［J］．岩土工程学报，2011，33（5）：725－729．

［2］章洁．软土地区深基坑内撑式排桩支护的变形规律现场监测与数值模拟分析［D］．杭州：浙江工业大学，2013．

［3］何仕英．排桩内支撑体系在金色梧桐二期深基坑工程中的应用［J］．工程与建设，2013（5）：655－657．

［4］吴铭炳．软土基坑排桩支护研究［J］．工程勘察，2001（4）：15－17．

［5］许锡昌，陈善雄，徐海滨．悬臂排桩支护结构空间变形分析［J］．岩土力学，2006，27（2）：184－188．

［6］林雪梅．软土深基坑排桩支护的优化设计和监测［C］／／全国结构工程学术会议，2002．

［7］PECK R B．Deep excavation and tunneling in soft ground［C］／／Proceeding of the 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering，State－of－the－art Volume．Mexico City，1969：225–290．

［8］刘兴旺，施祖元，益德清，等．软土地区基坑开挖变形性状研究［J］．岩土工程学报，1999，21（4）：456–460．

(责任编辑：朱联九）

Application and Research of Inner-bracing Soldier Pile Retaining System in Soft-soil Deep Foundation Pit

ZHENG Su-ping
(College of Engineering，Fujian Jiangxia University,Fuzhou 350108,China)

Relying on real project and using management software for deep excavation,the changes of pile's bending moment and lateral deformation as well as adjacent ground settlement of deep dip in the excavating are analyzed.It is concluded that inner-bracing soldier pile retaining system can effectively control displacement and ground settlement around foundation pit,which has practical significance and can provide reference for similar engineering practice.

deep foundation pit；inner-bracing soldier pile retaining system；bending moment；deformation

TU463

A

1673-4343（2017）02-0083-06

10．14098／j．cn35－1288／z．2017．02．015

2016-12-16

郑素苹，女，福建南安人，讲师。主要研究方向：边坡及基坑的设计与施工。