咬合桩拱形围护结构在临江拱座深基坑中的应用

吴事贵 苏玉杰

摘 要：為解决二元结构临江拱座深基坑施工过程中渗水量大、水土压力大和征地困难的问题，在满足实际工期需求的前提下，结合临江拱座深基坑特殊的工程地质条件，提出了一种临江拱座深基坑咬合桩拱形支护方案，分析了咬合桩拱形围护结构的特征，校核了咬合桩拱形围护结构强度，并对咬合桩拱形围护结构的变形情况进行了监测。结果表明：1）咬合桩拱形围护结构兼有挡土和止水作用，具有施工工期短、止水效果好、无需内支撑等优点;2）要使拱形结构的冠梁不受弯矩与剪力作用，则冠梁对应的半径应为定值;3）依据冠梁受力特点设计的拱形围护结构能利用冠梁自身强度分担部分土压力荷载，基坑冠梁安全性好，围护结构受力合理，稳定性好，对周边建筑物的影响在允许范围。咬合桩拱形围护结构支护方案实际应用效果良好，可为拱形咬合桩围护结构设计及工程应用提供参考。

关键词：地基基础工程;二元结构;咬合桩;深基坑;拱形围护结构

中图分类号：TU476文献标识码：A

doi： 10.7535/hbgykj.2020yx05010

收稿日期：2020-04-16;修回日期：2020-06-25;责任编辑：张 军

第一作者简介：吴事贵（1977—），男，四川成都人，高级工程师，硕士，主要从事岩土工程勘察与基础工程方面的研究。

通讯作者：苏玉杰高级工程师。E-mail：511295090@qq.com

吴事贵，苏玉杰.

咬合桩拱形围护结构在临江拱座深基坑中的应用

[J].河北工业科技，2020，37（5）：366-373.

WU Shigui，SU Yujie.

Application of arched retaining structure of secant piles in deep foundation pit near the river

[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2020，37（5）：366-373.

Application of arched retaining structure of secant piles in

deep foundation pit near the river

WU Shigui， SU Yujie

（Sichuan Highway Planning， Survey， Design and Research Institute Company Limited， Chengdu， Sichuan610041， China）

Abstract：

In order to solve the problems of large amount of water seepage， high water-soil pressure and difficult land acquisition of binary structure during the arched retaining structure construction in deep foundation pit near the river， under the premise ofmeeting the requirement of actual construction period， an arched secant pile support method of the arch deep foundation pit near the river was proposed with the special engineering geology taken into account. In this paper， the characteristics of the arched retaining structure of secant piles were analyzed， the arched retaining structure strength was checked and the deformation of the arched retaining structure of secant piles was monitored. The results indicate that： 1） the retaining structure has the functions of retaining soil and stopping water， and it has the advantages of the short construction period， good water stopping effect and unnecessary internal support; 2） to make the top beam of the arch structure free from bending moment and shear， the corresponding radius of the top beam should be a fixed value; 3） the arched retaining structure designed according to the mechanical characteristics of the top beam can share part of the earth pressure load by using the strength of the top beam.

The top beam has the advantages of good safety， reasonable stress of retaining structure and good stability，

Moreover， the influence of foundation pit excavation on the surrounding buildings is within the allowable range. Overall， the arched retaining structure of secant piles has a good application effect， and the research results can provide a reference for the design and engineering application of the arched retaining structure of secant piles.

Keywords：

ground foundation engineering; binary structure; secant pile; deep foundation pit; arched retaining structure

随着基础设施建设的不断推进，各种平面构型的深基坑围护结构不断涌现。常见深基坑平面多布置为矩形[1-3]，实际应用中，将基坑四边桩体排布成半径相同或相近的拱边，形成拱形围护结构，基坑四角设置角点桩构成类似桥梁“拱座”结构时，基坑变形程度比直线型围护结构小[4]。针对拱形围护结构，张土乔等[4-5]分析了拱脚桩变形、拱形状等因素对单支撑拱形围护结构变形的影响和单支撑拱形围护结构的内力与变形特征;张仪萍等[6]基于改进拱梁法分析了悬臂式拱形围护结构的弯矩与变形情况;詹集明[7]介绍了钢筋混凝土连拱形薄壁地下墙和钢管混凝土连拱形内支撑基坑支护体系;吕文志等[8]研究了水泥搅拌桩连拱支挡结构在实际工程中的运用效果;王辉[9]将拱形结构引入抗滑桩中，指出拱形抗滑桩结构稳定性更好，且造价更低。

现有拱形围护结构多选用水泥土搅拌桩进行支护，但水泥土搅拌桩在富水地层中成桩质量差，应用效果不佳。咬合桩止水性能好，适用于富水地层深基坑支护，且具有施工安全快捷、成孔垂直度高、造价低等优点[10-14]，可考虑替代水泥土搅拌桩，但其在拱形围护结构中的工程应用尚属空白，亟需对可行性进行验证。笔者依托岷江特大桥拱座深基坑工程，提出采用咬合桩拱形围护结构支护方案，并通过对该拱形围护结构进行分析、校核、监测，验证了方案的有效性。

1 工程概况

1.1 项目概况

本项目是G4216高速公路犍为岷江特大桥基础工程，犍为岷江特大桥位于犍为县城下游，横跨岷江，桥身沿东西走向。此次开挖的拱座基坑是14号墩基坑，拱座基础设计在弱风化基岩上，采用整体式扩大基础，顺桥向长50 m，横桥向宽50.6 m。基坑位于岷江与马边河交汇口上游，处于阶地面平坦、开阔的冲积阶地上，基坑安全等级为一级，位置如图1所示。

1.2 工程地质条件

基坑自上而下，地层分别为第四系全新统Ⅰ级阶地堆积层、粉砂质泥岩。Ⅰ级阶地堆积层由粉土和卵石组成。堆积层粉土呈黄灰色，以粉粒为主，卵石以灰色为主，呈亚圆形-圆形，卵石层构成了临江Ⅰ级阶地二元结构的下层。堆积层下部为侏罗系蓬莱镇组粉砂质泥岩。粉砂质泥岩呈紫红色，钙泥质胶结，粉泥质结构，薄层状构造，层厚1～20 mm，总厚度大于100 m。堆积层粉土与泥岩的物理力学参数见表1和表2。依据现场调查和既有勘察成果，施工季马边河与岷江水位表如表3所示。

1.3 基坑支护方案

该基坑初始设计为双排SMW工法桩与锚索加固的矩形基坑，使用5～6道锚索，每道锚索在砂浆满足强度要求后张拉锚固，锚固工程量大，施工周期长。基坑施工穿过含二元结构的临江Ⅰ级阶地第四系堆积层，堆积层中卵石层厚度大，钻孔搅拌困难，型钢难以插入，成桩质量难以保证。针对该临江拱座深基坑特殊的工程地质条件，提出改用咬合桩拱形围护结构进行支护。由于基坑北侧有民用建筑，为防止周围建筑变形，北侧基坑辅以锚索支护，其余各边仅用拱形咬合桩支护。基坑拱边设计参考拱桥结构设计，各拱边对应圆的半径为86.1 m、跨距为52.27 m、矢高为4.06 m，跨距与矢高之比满足拱形结构的设计要求。咬合桩选用直径1.4 m的钢筋混凝土桩与直径1.2 m的素混凝土桩咬合，相邻两桩咬合厚度为0.1 m，形成兼有挡土与止水功能的拱形围护结构。咬合桩桩底嵌入基坑底部粉砂质泥岩中，嵌入深度为4.2 m，桩顶与截面大小为1.8 m×1.2 m的拱形冠梁连接，围护结构中共设置荤桩84根，素桩88根。基坑4个角点上设置有抗力桩及加固桩，作为围护结构各拱边拱座。抗力桩桩径為2 m，加固桩桩径为1.4 m，均采用C30混凝土浇筑。咬合桩拱形围护结构示意图如图2所示，咬合桩拱形围护结构剖视图如图3所示。

2 咬合桩拱形围护结构特征分析

本基坑咬合桩拱形围护结构属于典型的单排拱形桩结构，单排拱形桩是由连续的单排桩组成，单排桩平面布置为拱形，如图4所示，拱形桩施工顺序为1—2—3—4—5。拱形围护结构可将咬合桩传递的荷载转化为冠梁轴力，冠梁与咬合桩所受弯矩与剪力较小。拱形结构的轴线为曲线，受竖向力作用后在拱形结构底座处产生水平反力，抵抗拱形结构变形。咬合桩的拱形排布方式能有效减小桩后土压力，整体提高结构总刚度，使咬合桩侧向变形减小，从源头上降低了基坑地表沉降与建筑物变形的风险，提高了基坑整体稳定性。

2.1 咬合桩桩身及桩底作用

拱形咬合桩受土体自重及外部荷载产生的侧压力作用，侧压力首先作用于咬合桩桩身上，根据桩后土体力学性质的不同，土压力荷载分布形式可分三角形、矩形或梯形。咬合桩受压后，桩体发生变形，产生桩身内力，桩身内力再通过锚固段桩体将荷载传递到拱形基坑下伏的基岩中，从而达到抵抗桩后土体变形的目的。

由式（11）-式（14）计算可得，基岩承压面平均压应力为1 967 kPa，咬合桩安全系数可表示为

K1=fcσc1，（15）

式中fc为粉砂质泥岩抗压强度，kPa。

由式（15）及表2计算可得，咬合桩嵌固段安全系数为2.03，表明咬合桩设计能够满足安全需求。

3.3.2 咬合桩桩身抗压强度校核

拱形围护结构径向分布荷载的2/5由基岩强风化中线至冠梁间的桩身传递至抗力桩及加固桩，这部分荷载可表示为

FN2=25FN。（16）

荤桩与素桩的咬合面面积为

Sj=LyHy，（17）

式中：Ly是荤桩与素桩咬合面宽度，m，Ly=0.5 m;Hy是基岩强风化中线至冠梁底部的高度，m，Hy=8.8 m。

咬合桩桩身平均压应力为

σ2=FN2Sj，（18）

由式（16）-式（18）计算可得，承压面平均压应力为4.053 MPa，咬合桩桩身安全系数可表示为

K2=fc1σc2，（19）

式中fc1为C30混凝土抗压强度，kPa，fc1=143 kPa。

联立式（16）-式（19），计算可得咬合桩桩身抗压强度安全系数为3.53，表明咬合桩桩身足以抵抗外部荷载，桩身设计满足安全要求。

3.3.3 冠梁抗压强度校核

咬合桩径向荷载的1/5由桩顶冠梁传递至抗力桩及加固桩，此部分荷载可表示为

FN3=15FN。（20）

冠梁横截面上的平均压应力可表示为

σ3=FN3Sg，（21）

式中Sg为冠梁横截面面积，m2，Sg=2.16 m2。

由式（20）-式（21）计算可得，冠梁横截面所受平均压应力为4.129 MPa，冠梁抗压安全系数可表示为

K3=fc1σc3。（22）

联立式（20）-式（22），可得冠梁抗压安全系数为346，表明冠梁强度足以抵抗冠梁内部压应力，冠梁截面设计满足安全要求。

4 咬合桩拱形围护结构变形监测

围护结构变形监测能为基坑动态设计和信息化施工提供保障，保证施工期基坑安全，是定量评价施工质量及施工安全的有效手段。为方便开展基坑监测工作，为角点桩和咬合桩进行编号。假定基坑东北侧抗力桩为东侧1号桩，加固桩为2号桩和3号桩，东侧拱边北端第1根素樁为4号桩，第1根荤桩为5号桩，依次类推，顺时针对各拱边咬合桩进行编号。各拱边中点荤桩为该边25号桩，1/4处荤桩为该边15号桩与35号桩。文中所涉及的基坑监测点布置图如图6所示。

4.1 冠梁变形

拱边冠梁水平位移监测点布置在咬合桩荤桩桩顶，位于各拱边的15号桩、25号桩、35号桩处，共12个。施工期冠梁变形监测最大值如图7所示。基坑南北两侧拱边冠梁中心变形大于东西两侧拱边，其中南侧拱边中心变形量明显大于北侧拱边中心变形量，这是因为基坑北侧拱边采用了锚索辅助加固，限制了基坑北侧冠梁的变形。尽管南侧拱边中心处冠梁变形量最大，但远远小于预警值40 mm，表明基坑冠梁安全性好。

4.2 咬合桩桩身变形

基坑开挖卸荷时，咬合桩桩身受桩后土压力作用发生变形，桩身变形监测是基坑监测的重要内容。本工程桩身变形监测点设置在各拱边的15号桩、25号桩、35号桩桩身。每根桩桩顶下方3，6 m处设置2个监测点。选取西侧基坑开挖时，拱边25号桩桩身位移变化最大的7 d对应的监测结果绘制桩身变形图，如图8所示。桩身最大位移值不超过5 mm，单日变化量最大值为1.2 mm，小于一级基坑对应的预警值。表明基坑围护结构稳定，拱形围护结构支挡作用良好。

4.3 周边建筑物变形

基坑北侧建筑物临近基坑，受基坑开挖影响，北侧房屋是基坑监测的重点。本次建筑物监测主要观测建筑物的倾斜变形与既有裂缝的变化情况。

1）倾斜变形 对周围建筑物进行监测时，倾斜监测点布置在建筑物外墙面墙角处、外墙面中间及靠近基坑的关键部位。倾斜度变化较大的观测点1处的观测值如图9所示。基坑临近建筑物倾斜度在01%左右浮动，小于规范规定的0.2%～0.4%的限制值。说明基坑开挖对建筑物安全的影响在规范允许范围内。

2）既有裂缝 既有裂缝监测需要在基坑开挖前详细描述既有裂缝的长度与宽度，并对裂缝进行拍照记录。每条既有裂缝监测时需在最宽处与裂缝尖端设置2个监测点。变化量最大的既有裂缝A裂缝宽度监测结果如图10所示。依据《建筑基坑工程监测技术规范》（GB 50497—2016），建筑基坑临近建筑裂缝宽度累计值为1.5～3 mm。由图10可知，本基坑周围变化最大的既有裂缝总宽度小于最小预警值，表明拱座深基坑施工对周围建筑物既有裂缝影响在合理范围内，临近建筑物安全。

5 结 语

为解决临江深基坑施工过程中渗水量大、水土压力大和征地困难的问题，针对该基坑特殊的工程地质特点，提出采用咬合桩拱形围护结构支护方案，经分析、校核、监测，得出以下结论。

1）咬合桩拱形围护结构具有施工工期短，止水效果好，无需内支撑等优点，兼有挡土与止水的功用。

2）要使拱边冠梁弯矩与剪力为0，则拱形结构合理拱轴线对应半径应为定值。拱形结构利用冠梁自身抗压强度分担部分土压力荷载，力学结构合理。

3）采用咬合桩拱形围护结构对临江拱座深基坑进行支护时，围护结构安全性系数高，冠梁水平位移与咬合桩桩身变形小，基坑整体稳定性好，基坑临近建筑物倾斜变形和裂缝宽度变化均在安全范围内，咬合桩拱形围护结构能充分满足安全需求。

4）咬合桩拱形围护结构在犍为岷江特大桥拱座深基坑工程中应用效果良好，可满足实际施工需求。

本文对该围护结构的受力特点和应用情况进行了简要分析，但对拱形围护结构整体变形特点的研究不够深入，有待使用数值试验软件对其整体变形特征进行深入分析，为类似工程提供更有价值的参考。

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