基于吊脚桩支护土岩二元深基坑的勘察与设计要点探析

刘华强，范海涛，胡仲顺

（四川正基岩土工程有限公司 四川绵阳621000）

0 引言

随着城市地下空间的不断开发，基坑开挖深度也随之增加，出现越来越多的上临空面为土层，下临空面为岩层的土岩二元坡面的深基坑工程。对于该类深基坑工程的勘察设计，目前国内规范较少涉及。近几年随着工程实践探索的不断深入，在土岩二元深基坑的支护工程中越来越多地使用一种新的支护形式——吊脚桩支护体系（见图1）。所谓吊脚桩指的是用于抵抗基坑侧面土体变形的支护桩身只是嵌固在稳定的岩层中，而无需深入基坑开挖底面以下的一种支护结构，根据图1 可以看出其桩脚完全位于基坑底面之上，工程中俗称其为吊脚桩。对于处于基岩埋深不深地区的基坑工程，采用吊脚桩支护体系可以减少岩层开挖或爆破的工作量，减少工期，节约成本。该支护形式目前在国内青岛［1］、广州［2，3］、大连［4］、深圳［5］等城市的深基坑工程中多次出现，但作为一种新的支护形式，对于吊脚桩深基坑的勘察、设计目前国内研究较少，勘察设计经验不成熟，该类深基坑支护工程也出现过不成功的案例［4］，严重影响了工程安全。

图1 吊脚桩支护的土岩二元深基坑Fig.1 Soil-rock Duality Deep Foundation Pit Supported by Hanging Piles

1 土岩二元深基坑的岩土工程勘察要点

目前基坑工程主要依据《岩土工程勘察规范（2009 版）：GB 50021-2001》［6］和《建筑基坑支护技术规程：JGJ 120-2012》［7］来开展勘察工作。文献［6］、文献［7］要求基坑工程勘察范围宜超出开挖边界外开挖深度的2～3倍；勘察深度宜为开挖深度的2～3倍；勘察内容主要查明基坑开挖影响范围内的土层分布，并提供设计所需的抗剪强度指标，探明周边建筑、管线及地下水对基坑开挖的影响。但文献［6］明确说明主要适用于土质基坑的勘察，文献［7］对土岩二元基坑勘察基本没有提到，但土岩二元基坑由于与土质基坑有明显差别，其勘察要求也有很大不同。

1.1 土岩二元基坑的勘察范围和深度

土岩二元基坑的勘察范围应根据土质和下部岩层的情况进行分析，当下部岩层的倾向与开挖坡面相近而岩层顶面坡度较大时，应扩大勘察范围，并搜集该范围内的建（构）筑物的结构类型、基础形式和埋深、荷载等资料。土岩二元基坑的勘察深度应根据下部岩体的特征适当调整，当岩体整体性好且受风化影响小，则应适当减小勘探深度，但勘察深度至少要保证进入基坑底部3～5 m，若岩体完整性差，则应根据设计要求增大勘探深度。

1.2 土岩二元基坑的勘察方式

不同于土质基坑，为了探明下部岩体及裂隙水特征，土岩二元基坑的勘察除采用机械钻探外，应增加钻孔深度坑（井）探、槽探等勘探方式，通过上述方式查清岩层顶面及岩体内部裂隙、节理等物理及空间特征，探明土岩接触面和岩体裂隙内水的流量、流动方向、压力等特征，提供准确的岩层风化线位置。

1.3 土岩二元基坑试验要求

一般基坑仅对开挖影响范围内的土体进行测试，通过试验确定其抗剪强度指标，而对于土岩二元深基坑则应根据其易于破坏的位置进行重点取样试验或测试，易于产生破坏的位置主要包括上部土层、土岩结合面、岩体的软弱结构面或顺层结构面。因此，相对于普通基坑工程，土岩二元深基坑应重点增加以下试验：①土岩结合面处土层的含水量、抗剪测试（包括天然状态和饱和状态）；②不同风化程度岩体的抗压强度、抗剪强度；③岩体软弱结构面的抗剪强度。

2 土岩二元深基坑吊脚桩支护结构的设计

2.1 吊脚桩常用的设计方法

对于土岩二元深基坑工程，吊脚桩支护结构的应用越来越广泛，但对其设计计算的研究则很少，国内规范很少涉及其设计计算，只有《建筑基坑工程技术规程（广东省标准）：DBJ/T 15-20-2016》［8］中略有提及。因而工程中对吊脚桩的设计计算均依靠工程师对工程的认识凭经验进行，根据国内该类基坑设计的总结表明，对吊脚桩的设计目前常采用将上部土层与下部岩层分开计算的方式进行。具体计算过程为：①在计算上部土层及桩身受力时，不考虑桩底岩肩的嵌固作用，将支护桩假定为无嵌固深度的多层支点排桩来进行计算。设计时桩身简化为多个弹性支点的等值梁，桩侧土压力采用基于摩尔库伦原理的主动土压力进行支护结构稳定性验算；假定上部土体沿圆弧形滑移面滑动进行整体稳定性验算（见图2）。②下部岩层坑壁则采用建筑边坡的计算方式，根据岩层的软弱结构面发育情况、产状关系与基坑边坡的空间关系以及岩体被动破裂角综合考虑进行失稳验算（见图3），计算时只是将上层土作为超载进行考虑［9］。

上述设计方法的优点是简单易算，易于被工程技术人员接受。但缺点是人为地把上部土层与下部岩层分开，没有考虑土层与岩层的相互作用，土岩结合处的软弱面也未予以考虑，为后期工程施工埋下很大隐患。

图2 上部土层整体验算简图Fig.2 Simplified Calculation of the Upper Soil Layer

图3 下部岩体失稳验算简图Fig.3 Simplified Calculation of Instability of Lower Rock Mass

2.2 综合考虑土岩相互影响的计算方式

实际工程中按上述方法进行设计，即使计算稳定安全系数足够高也会出现工程失稳现象，充分说明传统计算设计对影响土岩二元基坑稳定性因素考虑不周全。对于此类基坑工程，应根据实际工程中岩土分布情况、岩体性质、相互影响等因素综合考虑，对影响基坑稳定的因素综合判断来进行设计，因而除以上验算外还要根据实际情况增加以下部分的稳定性验算：

⑴ 岩层倾向与基坑开挖面一致且倾角大于20º时，应计算上部土体沿土岩接触面或岩体内部软弱面的整体滑移稳定性，验算时应考虑可能滑动土体及滑动范围内地面建构筑荷载（见图4）。

图4 岩层顶面倾角较大的整体滑动Fig.4 Overall Sliding with Large Dip Angle on Top of Rock Formation

⑵ 当岩体完整性差时，岩体与上部土体可能沿同一圆弧滑动面整体滑动；当岩体内部有顺层软弱结构面时则为圆弧—直线滑动模式，岩层顶面所受荷载包括下滑土体的整体下滑力、桩身自重、锚索锚固力在滑移面的分力（见图5）。

⑶ 岩层顶面倾角不大但土岩接触面含水量较高时，在接触面处易形成软弱结合面［10］，应考虑沿土岩接触面滑移的可能性，并应考虑地下水渗透力的影响（见图6）。

图5 岩土体整体滑动Fig.5 Overall Sliding of Rock and Soil

图6 沿岩土接触面滑动Fig.6 Sliding along the Geotechnical Interface

此外支护桩桩脚保护岩层厚度一般较小，但桩脚依然会分担部分桩身荷载，此荷载应按桩脚固定的形式计算连续梁传至此处的压力值。当岩层强度不能满足要求时，应对桩脚岩体进行锚固加固。

3 结论

总之，对于土岩二元基坑中的吊脚桩，其受力较为复杂，破坏形式也比传统排桩支护体系更为多样。在实际工程中，应在勘察阶段对支护体系的设计予以考虑，根据基坑设计要求进行重点勘察，保证设计需要参数的准确性和完整性。基坑设计中应对上部土层和下部岩层的相互作用予以考虑，从而保证基坑工程的安全稳定。