软土区域基坑倾斜桩支护优化方案研究

2021-07-12代春利

铁道建筑技术 2021年6期

关键词：单排支护桩悬臂

代春利

（中铁房地产集团北方有限公司北京 100066）

1 引言

近年来，我国城市建设和重要基础设施建设进入快速发展阶段，大面积、大长度基坑施工成为未来地下空间开发的重要技术，这对基坑施工技术提出了更高要求[1]。

在软土地区，深度大于6 m的基坑支护通常采用设置竖向支护结构加水平支撑的形式。采用水平支撑时，支撑造价高、土方开挖难度大、地下结构施工困难，基坑施工工期长，可达土建工期的40%或更高，同时产生大量的固体废弃物。

实际工程中，通过将预制支护桩倾斜一定角度布置，可在满足基坑变形要求的前提下实现无水平支撑支护。这种倾斜桩支护技术具有显著的工程应用价值和经济效益，目前在国内外已被应用于工程实践中[2]。国内外学者对倾斜桩支护结构的受力与变形特性进行了相应研究。郑刚等[3]设计的单排倾斜桩支护室内模型试验结果显示，对于单排倾斜桩，随着倾斜角度的增大，桩顶水平位移减小。孔德森等[4－5]基于模型试验和实际工程数值验证，对不同角度的倾斜桩以及斜直交替桩进行模拟，结果表明倾斜支护桩的抗倾覆能力较垂直支护桩有较大提高，应力集中现象降低，桩身弯矩分布更为合理。Maeda等[6]通过两组深度为9.6 m、倾斜角度为10°的倾斜桩离心机试验，发现相同开挖深度下，斜桩的水平位移、挠曲变形、土压力较垂直支护桩小，且开挖深度越大，斜桩作用越明显。Seo等[7]基于倾斜支护桩室内模型试验，分别对比了单排悬臂支护桩、双排支护桩同时倾斜和前排垂直、后排倾斜的双排桩的工作性状。

以天津地区为例，当开挖影响深度范围内无软土分布时，双排桩悬臂支挡深度可达6～8 m。当基坑开挖深度更大时，双排桩会因桩身位移及桩身内力过大而不再适用。这时，用适当角度的倾斜排桩代替原双排桩支护结构中的支护桩，能够在相同条件下减小双排桩的变形与内力[8]。对于一定深度范围的基坑，倾斜桩及其组合支护技术可以实现无内支撑的基坑开挖[9－10]。基坑倾斜桩及其组合支护技术广泛适用于软土4～10 m深度基坑、一般土层 5 ～12 m 深度基坑[11－12]。

本文基于天津国印二期项目软土地层基坑工程，利用有限元开展双排倾斜桩支护结构与传统支护体系变形与受力性能对比研究，并进一步对比分析双排倾斜桩加锚索与不加锚索对支护结构变形的影响，最终提出最优的基坑支护方案，为软土地区深基坑支护方案选择及优化提供参考。

2 工程概况与数值模型

（1）工程概况

拟建工程北部区域坑深9.6 m，南部区域坑深6.0 m。对深基坑西侧北部及北侧中间区域（C—C截面），经过系统方案对比优化后确定的支护体系如图1所示。支护结构采用预应力管桩＋一道预应力锚索形式，管桩分两排打设，内排采用直径600 mm复合配筋预应力管桩，桩长20 m，桩间距900 mm，内倾10°，进入基坑底以下10.355 m；外排采用直径600 mm复合配筋预应力管桩，桩长16 m，桩平均间距1 350 mm，外倾10°，进入基坑底以下6.4 m。两排桩排间距1.8 m，7 m深处打设一道预应力锚索，锚索间距1.8 m，两排桩间打设直径650 mm、间距900 mm单排三轴水泥土搅拌桩止水，止水帷幕进入基坑底以下7.0 m。

图1 基坑平面与C—C剖面

（2）数值计算模型

本文采用有限元软件Plaxis3D进行数值分析。建立三维倾斜桩支护模型，分析桩身和土体的变形规律。

土体本构模型采用小应变硬化土模型（HSS模型）[4]。土层信息及计算参数见表1。土体用15节点三角形单元模拟，帽梁按实际尺寸采用等截面梁单元模拟。支护桩按截面等刚度原则等效为弹性板单元，等效厚度取438 mm。

表1 土体物理力学参数

续表1

本文分析传统悬臂直桩支护、双排桩支护、单排桩加支撑支护、单排桩倾斜20°支护、双排倾斜桩支护、双排倾斜桩加锚索支护、单排桩倾斜20°加锚索支护、双排桩加锚索支护共8种工况，具体支护形式及模型见图2。模型长度为100 m，宽度为2.7 m，高度为40 m，基坑开挖深度为9.6 m。

图2 支护形式及数值模型

3 无锚索倾斜桩支护与传统支护对比研究

3．1 无锚索双排倾斜桩与传统支护变形对比

对无锚索双排倾斜桩与其他无锚索支护结构开挖至基坑坑底时的桩身水平变形差异与坑外沉降差异进行对比研究。

双排倾斜桩结构支护桩按截面抗弯刚度等效原则简化为弹性板单元。悬臂双排桩模型各项参数不变，仅将内倾桩与外倾桩更改为与水平面垂直。传统单排悬臂桩支护用桩量与双排悬臂桩保持一致。单排桩加支撑模型中支撑采用矩形梁单元模拟，其他参数与单排悬臂桩支护模型一致。单排倾斜桩倾斜20°模型各项参数与单排悬臂桩模型保持一致，仅将桩倾角改为20°。

各模型比较结果如图3所示。可以看出，无锚索双排倾斜桩桩身最大水平变形值达61.2 mm，单排桩加支撑支护模型桩身水平变形最小，仅为52.3 mm。双排倾斜桩模型与单排桩加支撑模型的桩身水平位移模式基本相同，最大水平变形均出现在桩身中段。单排悬臂桩支护模型、双排悬臂桩支护模型、单排桩倾斜20°支护模型的桩身水平位移基本相同，最大桩身水平位移均出现在桩顶处。双排倾斜桩支护模型与单排桩加支撑支护模型在桩身上半区段的水平变形明显小于其他支护模型，各模型桩身下半部区段的桩身水平变形基本无太大区别。

图3 无锚索双排倾斜桩与传统支护形式变形对比

无锚索双排倾斜桩支护最大坑外沉降值为44.7 mm，单排桩加支撑支护模型最大坑外沉降最小，为36.5 mm。单排桩加支撑支护模型、双排倾斜桩支护模型、单排桩倾斜20°支护模型的桩后土体沉降曲线形式均为凹槽型，单排悬臂支护模型、双排悬臂支护模型的桩后土体沉降为三角形沉降曲线。

双排倾斜桩模型与单排桩加支撑模型对基坑变形控制更为有利。考虑到水平支撑造价高、土方开挖难度大、地下结构施工困难、基坑施工工期长，可以认为双排倾斜桩支护模型在基坑变形控制方面为最优。

3．2 无锚索双排倾斜桩与传统支护内力对比

针对无锚索支护结构，本节对比不同支护模型在开挖至9.6 m时的最大弯矩值与弯矩分布模式，对比结果如图4～图5所示。

图4 不同支护模型桩身最大弯矩对比

图5 桩身弯矩对比

从图4可以看出，当采用双排倾斜桩支护时，即使无内撑，桩身最大弯矩可与单排桩加支撑结构相当，远小于传统单排悬臂桩及双排桩。在工程实际中，当条件适当时，双排倾斜桩支护结构可实现与内支撑支护体系相当的支护结构弯矩控制效果。

由图5可以看出，双排倾斜桩支护模型弯矩分布模式与传统悬臂直桩模型显著不同，而与单排桩加支撑支护模型的弯矩分布模式相似，表明了双排桩的两排桩能够相互提供支撑作用。双排倾斜桩组合支护结构中，冠梁、斜桩组成一个空间结构，因而结构的整体刚度很大，同时内斜桩和外斜桩分别受到较大的轴向压力和拉力，分别起到斜撑和锚杆的作用，与传统悬臂直桩、单排桩加支撑支护相比，其支护结构的变形及弯矩显著减小。

4 带锚索双排倾斜桩与传统支护对比

由于软土地层基坑深度较大，采用支护性能较高的双排倾斜桩支护变形依然相对较大，因此对本基坑的支护结构方案进行进一步加强，增加一道锚索。本节基于已建立的模型，分析带锚索双排倾斜桩支护与其他带锚索传统悬臂支护模型的变形，比较其开挖至基坑坑底时的桩身水平变形差异与坑外沉降的差异。

锚索结构总长20 m，入射角度为30°，锚固段长12 m，直径为500 mm，自由端长8 m。

图6为带锚索双排倾斜桩支护与其他支护模型的桩身水平变形和坑外沉降对比结果。对于桩身水平变形，加锚索双排倾斜桩桩身最大水平变形值为42.7 mm，桩身最大水平变形出现在桩身中段。加锚索单排桩倾斜20°支护模型、加锚索双排悬臂桩支护模型的桩身水平位移基本相同，最大桩身水平位移均出现在桩顶部位。双排倾斜桩支护模型在桩身上半区段的水平变形明显小于其他支护模型，各模型桩身下半部水平变形基本无太大区别。加锚索双排倾斜桩支护最大坑外沉降值为26.5 mm。加锚索双排倾斜桩支护模型桩身最大水平变形与坑外土体沉降值均为最小。

图6 双排倾斜桩与直桩桩身水平变形与坑外沉降对比

5 锚索对双排倾斜桩支护的影响

本节分析有无锚索对双排倾斜桩支护模型桩身水平变形及坑外沉降的影响，结果如图7所示。

图7 有无锚索双排倾斜桩桩身水平变形与坑外沉降对比

由图7可以看出，无锚索双排倾斜桩桩身最大水平变形值达61.2 mm，有锚索双排倾斜桩最大水平变形值仅为42.7 mm，减小幅度达30%。有无锚索结构并不改变双排倾斜桩水平变形模式，且桩身最大水平变形值都出现在桩中段。同时，有锚索双排倾斜桩支护最大坑外沉降值为26.5 mm，较无锚索双排倾斜桩支护的最大坑外沉降值（44.7 mm）减小41%。锚索的设置进一步减小了双排倾斜桩支护结构位移，对保护周边环境较为有利，能够满足国印二期基坑工程变形控制要求，为最佳支护结构方案。