双排桩支护结构在直立高边坡中的应用

2021-01-14陈用伟罗仕恒

广东土木与建筑 2020年12期

陈用伟，罗仕恒

（1、杭州市地铁集团有限责任公司杭州310017；2、广州地铁设计研究院股份有限公司广州510010）

随着城市轨道交通及地下空间迅速发展，深基坑工程越来越多，基坑开挖支护方案也愈加多样化，常见的有钻孔灌注桩、深层搅拌桩、SMW 工法桩和地下连续墙以及结合锚杆、内支撑等支护结构形式［1-7］。大量基坑项目位于城市中心地带，周边环境复杂，基坑变形控制要求也愈加严格［8-10］。如何在保证基坑和周边环境安全的前提下，综合考虑现场条件、工期费用等因素优选基坑支护方案，是基坑工程设计和施工的关键所在。本文以杭州地铁某停车场基坑工程为例，从施工难易、结构变形及工程造价等方面综合比选多种基坑支护方案，确定双排桩作为永久支护结构，并通过有限元分析及现场监测效果，验证了双排桩支护方案的合理性，可为后续相似工程提供借鉴。

1 工程概况

1.1 项目概述

杭州地铁某停车场基坑工程位于西湖区，场区北侧预留商业开发地块，为后续建设创造良好条件；南侧紧贴规划市政道路，市政道路南侧为规划居住用地，现场无放坡条件，需设置直立式边坡。场内地坪标高为14.00 m，开挖后形成高边坡，最高边坡约16 m，距离南侧石马社区4层居民房约23 m。场区呈平行四边形，长780 m，宽232 m，征地面积179 400 m2，场区平面布置如图1所示。

图1 停车场场区布置Fig.1 Parking Lot Layout Plan

1.2 工程地质

根据详勘报告，场地土层从上至下依次主要为①1杂填土：杂色，松散，主要由碎砖、混凝土块、碎石、瓦片等建筑垃圾组成，粘性土充填，层厚0.3～8.1 m。②2素填土：灰、灰黄色，松散～稍密，地下水位以上稍湿，水位以下饱和。主要由粘性土及粉土组成，含少量碎石及建筑垃圾，层厚0.4～4.4 m。③3砾石混粉质黏土：黄、棕红色，密实，饱和。以砾石为主，砾石含量约50%～60%，层厚约0.6～17.0 m。④a-2强风化泥岩：组织结构大部分破坏，岩芯多呈碎块状，层厚约0.2～13.2 m。○31a-3中风化泥岩：灰黄色，母岩成份与结构部分破坏，岩芯呈短柱状，少量呈碎块状，属极软岩，岩体基本质量等级分类为Ⅴ类。○31b-3中风化泥岩：青灰色，母岩成份与结构部分破坏，岩芯呈短柱状，少量呈碎块状，属软岩，岩体基本质量等级分类为Ⅳ类；其中坡脚主要位于○31a-3中风化泥岩、○31b-3中风化泥岩。典型地质剖面如图2所示，地层物理力学性质参数如表1所示。

图2 典型地质剖面Fig.2 Typical Geological Section

1.3 水文地质

场地地下水类型主要为孔隙潜水和基岩裂隙水2大类。场地潜水主要赋存于浅部填土层、砾石土层中，勘探期间测得水位埋深为地面下0.5～9.7 m。基岩裂隙水补给来源主要为上部第四系松散岩类孔隙潜水，水量较小、径流缓慢；无承压水问题。

表1 土层物理力学性质参数Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of Strara

2 方案比选

针对本工程周边环境、地质条件、规划用地等要求，拟采用大尺寸方桩、大直径圆桩、小直径圆桩+预应力锚索和双排桩共4种方案综合比选。

2.1 大尺寸方桩

方桩截面为2 m×3 m，桩间距为5 m，桩长约23 m，被动区入土深度约8 m，桩间设置0.3 m 厚预制钢筋混凝土挡土板。经计算，方桩最大弯矩约25 571 kN·m，最大剪力约4 602 kN，桩顶最大水平位移约79 mm，整体稳定安全系数为2.440，抗倾覆安全系数为1.252。大尺寸方桩广泛应用于铁路工程、公路工程等领域，抗弯及抗剪性能优越，但施工方式只能采取人工挖孔桩，施工风险大，且杭州地区对人工挖孔桩限制应用，不具可行性。

2.2 大直径圆桩

经计算，采用直径3 m，间距5 m 的大直径圆桩可满足要求。圆桩之间采用现浇拱形挡土墙，大直径圆桩受力性能与大尺寸方桩类似，现场具备机械成孔条件；但是目前市场上直径3 m的钻机数量极少，工程机械需要定制，工期方面存在不确定性。

2.3 小直径圆桩+预应力锚索

小桩直径为1.8 m，桩间距为2.0 m；沿竖向采用4道预应力锚索，锚索竖向均匀布置，间距3.5 m。小直径桩成孔速度快，施工工艺成熟，桩身弯矩、剪力分布合理；但锚索应用于临时支护结构较多，作为永久结构时由于徐变、锚具锈蚀等因素存在锚索失效风险［11-13］。

2.4 双排桩

双排桩支护结构是设置前后两排平行桩，桩顶用刚性连梁将两排桩连接，组成一个空间超静定结构，整体刚度大，可以有效的限制基坑的变形；同时桩身内力也有所下降，不需要设置内支撑，施工方便，经济效果明显；对环境要求低，能避免超红线施工，在城市密集建筑区更具优势。

3 双排桩支护结构设计及应用

3.1 双排桩支护结构设计

综合考虑土地占用、结构受力及工程造价等因素，经论证最终确定：该停车场基坑支护工程采用双排钻孔灌注桩作为支护体系。双排桩直径为1.8 m，被动区入土深度为10.0 m，前排桩间距2.5 m，后排桩间距5.0 m，前后排桩间距6.3 m，排桩之间设置1.2 m 高连梁。由于规划道路紧贴边坡，前后排桩连梁设置于规划道路路面以下3 m，为后续道路施工预留条件；前排桩顶设置扶壁式挡土墙，挡土墙顶部设置钢筋混凝土防撞护栏，兼做防洪及防撞挡墙，双排桩方案如图3所示。

图3 双排桩布置Fig.3 Layout of the Double-row Piles Supporting Structure

采用理正深基坑支护设计软件对基坑稳定型进行计算，由于理正软件无法建立前后桩桩间距不一致的模型，为保守起见，前排桩间距与后排桩间距相同，均为5.0 m。基坑安全等级为一级，地面超载20 kPa，坑内降水至开挖面以下1.0 m，坑外水位在地面以下0.5 m。计算得双排桩对前趾的抗倾覆安全系数KQ=2.98＞1.25，整体稳定安全系数Ks=2.30＞1.35，桩底抗隆起稳定性系数Ks=31.94＞1.80，各系数均满足《建筑基坑支护技术规程：JGJ 120-2012》要求；围护桩深层水平位移最大值为13.67 mm＜0.18%H=28.8 mm，周边地表沉降最大值为23.00 mm＜0.15H=24.0 mm，满足《上海市工程建设规范基坑工程技术标准》要求。

3.2 有限元分析

为深入研究双排桩支护结构变形及受力性能，运用Midas/GTS 软件建立三维有限元模型分析计算，钢筋混凝土结构选用各向同线弹性材料，土体本构采用Mohr-Coulomb 模型，土层参数取表1 数值，桩基及连梁采用梁单元模拟，挡墙采用板单元模拟，双排桩有限元模型如图4所示。

基坑开挖至设计标高，对应双排桩位移及应力云图如图5 所示。双排桩变形曲线近似呈抛物线，前排桩、后排桩受连梁约束，桩顶变形相同。围护桩身水平位移最大值发生在桩顶，对应值为9.82 mm；最大拉应力为1.7 MPa；周边地表沉降最大值为17.2 mm，距离基坑边缘6.7 m。前排桩最大弯矩为1 119 kN·m，位于桩顶以下15.1 m；后排桩最大弯矩为1 409 kN·m，最大弯矩位于桩顶处，弯矩分布与已有研究规律一致［14-16］。

3.3 基坑监测情况

为了确保开挖期间基坑支护结构及周边建筑物的安全，对基坑进行近2个月的监测工作，包括围护结构深层水平位移、周边地表沉降及建筑物沉降等监测内容。根据杭州市勘测设计研究院提供的基坑监测报告，前排桩深层水平位移最大值为4.23 mm，后排桩深层水平位移最大值为3.28 mm，位于基坑中部，累计变化量均小于报警值，基坑安全稳定；变形最大围护桩深层水平位移实测数据与有限元计算结果对比如图6所示，桩身变形曲线两者保持一致，实测数据要小于数值模拟数据，主要原因分析如下：①实验室测试参数与实际土体有差距，现场土质更好，导致位移数值产生误差；②测斜仪精度有限，基坑本身变形数值很小，易放大仪器误差。总体而言，有限元结果与实测数据吻合良好，说明数值模型计算方法是合理的，计算结果能准确反映基坑变形的规律。

图4 有限元模型Fig.4 The Three-dimensional Finite Element Model

图5 双排桩位移及应力分布Fig.5 Displacement and Stress Distribution of the Double-row Piles

图6 双排桩深层水平位移实测值与计算值对比Fig.6 Comparison of Measured and Calculated Values of Deep Horizontal Displacement of Double-row Piles

基坑周边地表沉降实测最大值为25.2 mm，与有限元计算结果17.2 mm相差较大，此处不做对比，主要原因是地表沉降受现场施工多项影响因素较大，如现场施工机械、渣土车以及材料堆积等因素造成地表超载；地表水渗漏沿便道裂缝下渗至地基，导致地基土强度下降等多种因素叠加导致地表沉降增大。基坑邻近建筑物沉降最大值为1.84 mm，倾斜度为0.02%，围护结构及周边建筑物变形均在规范控制值以内，表明基坑开挖施工对周边环境影响较小，双排桩支护方案合理。现场双排桩支护结构如图7所示。