单排斜直交替桩在软土基坑支护中的模拟研究

范鹏程， 胡智伟

(1.天津市勘察院， 天津 300191； 2.保利(天津)房地产开发有限公司， 天津 300022)

基坑支护稳定性一直是基坑工程重大问题，尤其是在软土基坑中[1-4]。为了增加支护结构的稳定性，不少学者在直桩的基础上，研究了各种形式斜桩的支护工作性状。相较于直桩，斜桩具有更好的水平承载能力[5-10]，并且已应用到实际工程中[11-12]。张文超等[13]通过数值模拟方法，研究不同倾斜角度单排桩的工作性能，并提出斜桩倾斜角度以10°～12°为宜。王建[14]研究了不同倾斜角度的前排倾斜双排桩的变形和受力规律。宋曦[15]对斜桩的嵌固深度和桩前土的稳定性进行了理论推导，并提出了水平荷载作用下桩体内力的求解方法。张静[16]基于比例系数法和m法，对双排桩与斜桩组合支护体系进行了反演分析计算，并提出了土压力折减系数建议值。在前人研究的基础上，按照安全和经济的原则，本文以天津某软土基坑为研究对象，采用单排斜直交替桩的支护形式，借助有限元差分软件FLAC3D，考虑土体小应变变形，建立三种倾斜角度的单排斜直交替桩基坑支护模型。分析了斜直交替桩位移及基坑地表沉降随倾斜角度的变化规律。得出了一些有益的结论，为进一步研究和设计斜桩支护提供了一定的参考依据。

1 工程概况

1.1 场地工程地质条件

天津市某软土基坑工程，基坑深度4.8 m，基坑安全等级为二级。场地地势平坦。勘探范围内地层从上到下依次为填土、黏土、淤泥质黏土、黏质粉土、粉质黏土等，其中淤泥质黏土厚度8.3 m，基坑底处于淤泥质黏土层中，土层分布见图1。

图1基坑主要土层分布

1.2 基坑支护设计方案

依据场地条件，及同类别基坑支护，采用悬臂桩支护。考虑到土层中较厚的淤泥质黏土，为了增加支护结构的抗倾覆能力，特将支护结构设计为单排斜直交替桩。

2 计算模型及参数确定

2.1 模拟工况

本工程基坑深度4.8 m，采用单排斜直交替桩支护型式，此次模拟针对不同的单排桩支护型式进行数值模拟，对比分析在不同倾斜角度单排斜直交替桩支护下基坑和支护桩变形。模拟工况见表1。

表1 模拟工况表

2.2 二维模型

模型的范围必须要足够大，能够覆盖基坑开挖可能影响的区域，同时又要兼顾计算效率。根据现行国家和地方规范的要求，参考已有的研究成果，模型高度按照勘察深度定为30 m，模型长度考虑基坑开挖影响范围和边界约束定为50 m。网格划分原则为基坑附近密集，远处稀疏。模型共有节点12 005个，单元9 232个。支护模型见图2～图4。基坑开挖结果为从地面开挖至坑底时的累计值。

图2 单排直桩(倾斜度为0°)模型图

图3 单排斜(10°)直交替桩

图4单排斜(20°)直交替桩

2.3 计算参数及边界条件

模拟共涉及到2种材料，土体和混凝土。土体材料使用Mohr-Coulomb模型,混凝土采用各项同性的弹性模型，开挖部分采用null模型。混凝土桩重度为25 kN/m3，弹性模量为30 GPa。土体参数见表2。

表2 土体参数表

整个模型底部为固定约束，两端为法向约束，模型上部施加15 kPa的工作荷载。初始水位位于自然地面以下1.5 m处。本文不考虑降水对地表沉降的影响，仅分析土方开挖后斜直交替桩的工作性状。

2.4 计算结果

通过二维模型的数值计算分析，获得了基坑开挖对支护桩和地表沉降的影响结果，如图5～图10所示，图中变形数值为累计值，单位为m。

图5 单排直桩累计水平位移图(m)最大累计水平位移为71 mm

图6 单排直桩基坑累计竖向位移图(m)最大累计沉降为20 mm

图7 单排斜(10°)直交替桩累计水平位移图(m)最大累计水平位移为58 mm

图8 单排斜(10°)直交替桩基坑累计竖向位移图(m)最大累计沉降为15 mm

图9 单排斜(20°)直交替桩累计水平位移图(m)最大累计水平位移为43 mm

图10单排斜(20°)直交替桩基坑累计竖向位移图(m)最大累计沉降为13 mm

2.5 变形分析

(1) 变形统计。通过对计算结果的整理，变形情况(累计值)如表3所示。

表3 支护桩变形及地表沉降统计表

(2) 变形分析。基坑支护形式采用单排悬臂桩，且基坑底部处于淤泥质黏土中(见图1)，淤泥质黏土黏聚力和摩擦角仅是6.19 kPa和3.54°。在支护结构抗倾覆验算中，相较于与其他黏土，该淤泥质黏土使得桩后主动土压力增加，桩前被动土压力减少，进而减弱支护结构的抗倾覆能力。悬臂单排桩抗倾覆能力被软土减弱后，其桩顶发生了较大的水平位移，单排直桩桩顶最大水平位移可达71 mm(见图5)。依据地层补偿原理，地表会随着支护桩移动而产生沉降，单排直桩后地表沉降值可达20 mm(见图6)。

由于场地条件的限制，内支撑和锚杆都无法实施。为了增加支护体系的抗倾覆能力和考虑基坑支护经济合理性，特将支护桩设计为单排斜直交替桩。斜桩可以依靠其特殊的支护形式(俯斜式)，减少墙后主动土压力，充分利用桩前土自重，可以达到自平衡状态[15]。另外，由于桩顶梁的链接作用，斜桩可以承担直桩传递过来的水平力，进而增加整个支护体系的支护能力。

当支护体系采用单排斜(10°)直交替桩，桩顶最大水平位移58 mm(见图7)，地表沉降值为15 mm(见图8)。当支护体系采用单排斜(20°)直交替桩，桩顶最大水平位移43 mm(见图7)，地表沉降值为13 mm(见图8)。与单排直桩相比，单排斜(10°)直交替桩桩顶最大累计水平位移降低幅度为18%，单排斜(20°)直交替桩桩顶最大累计水平位移降低幅度为39%。上述结果表明：斜桩在土体中发挥自稳平衡能力，同时承担直桩传递的水平荷载，提高了支护体系的抗倾覆能力，随着倾斜角度的增加，支护体系抗倾覆能力也在增加。

3 结 论

斜直交替桩是一种新型支护体系，适用于内支撑和锚杆无法实施的基坑工程中，斜桩可以充分发挥其在土体的自稳平衡能力，提高支护体系抗倾覆能力。同等条件下，斜直交替桩的抗倾覆能力优于单排直桩；随着倾斜角度的增加，桩身最大水平位移和基坑地表沉降均逐渐减小。这为进一步研究和设计斜桩支护提供了一定的参考依据。