深厚软土基坑长短桩组合支护体系的简化设计方法与应用

马 勇，邓义钊，李 川

(1.广东省水利水电科学研究院,广州 510635;2.广东省岩土工程技术研究中心,广州 510635)

随着我国城市化进程的快速发展和大型基础设施的高速建设，我国的深基坑支护工程也越来越多，支护形式也越来越多样化。在广东南沙、横琴、中山、汕头和江门等区域广泛分布着较为深厚的软土，软土厚度达10～50 m，对基坑支护的设计施工管理均带来了很大的挑战[1]。根据基坑的支护高度和周边环境的限制，深厚软土区域的基坑通常采用桩撑、桩锚等刚度较大的支护形式。对于桩撑(锚)支护形式，基坑支护结构的嵌固深度需同时满足规范要求的稳定性安全系数和支护结构变形限值[2]。由于软土厚度较大，支护桩往往需要穿透深厚软土层，并进入下卧硬土层一定深度。按照目前常规基坑支护设计，在满足支护结构稳定和变形要求的条件下，支护结构往往按等长嵌固深度进行布置。根据桩撑(锚)支护结构典型受力分析可知，支护结构在开挖面附近部位承受的弯矩相对较大，而在基坑开挖面附近以下部分随着深度的增加而不断减小，导致基坑开挖面以下部分支护结构的抗弯能力无法完全发挥，又由于基坑支护结构在深厚软土地质往往嵌固深度很长，导致深厚软土地质下的基坑支护成本往往很高。因此，在满足基坑支护结构稳定性要求和变形控制要求的前提下，同时又能够很好地降低基坑支护成本的长短桩组合支护体系成为了基坑支护结构的一个优化研究对象[3-12]。

本文以某典型深厚软土地质长短组合桩支护基坑为例，采用MIDAS-GTS有限元软件和理正深基坑软件进行长短组合桩桩锚支护的研究分析，并结合基坑支护结构实际监测变形情况对比分析长短桩桩锚组合结构的支护效果，可为类似基坑支护结构优化设计提供一定的借鉴和参考。

1 工程概况

某基坑支护工程开挖面积约3.8万m2，周长约760 m，设置为2层地下室，开挖支护最大深度为8.75 m。基坑周边均为已成形市政道路。本基坑为超过一定规模的危大工程，且处于深厚软土地质，软土层厚度达17.3～25.9 m，周边环境也较为复杂。因此，如何在保证基坑支护安全的同时，也能更好地控制支护成本，成为本项目基坑支护工程设计咨询的重点和难点。

2 地质情况概述

2.1 地层分布

根据地质揭露，本场区岩土层自上而下工程地质特征分述如下：

1) 填土层：全区分布，层厚为0.40～8.40 m，灰黄色，干-湿-饱和。

2) 吹填淤泥质土、吹填砂土层：分布于场区大部分地段，层厚为1.00～12.20 m，灰色，饱和，流塑态。

3) 粉砂层：全区分布，层厚为3.00～12.80 m，灰黄-灰色，饱和，松散—稍密状，局部中密。

4) 淤泥、淤泥质土层：全区分布，层厚为17.30～25.90 m，灰色，流塑态。

5) 粘性土、砂土层：断续分布，层厚为0.50～6.80 m，灰色，饱和，以软塑态灰色粘土和稍密状细砂为主。

6) 粗砂含卵石层：全区分布，层厚为2.10～16.20 m。灰黄—灰白色，饱和，中密-密实状。

7) 砂质粘性土层：主要分布于场区南侧，北侧由于基岩埋藏较浅呈断续分布，揭示层厚为0.20～17.40 m。为花岗岩风化残积土，可塑-硬塑态。

8) 全风化花岗岩带(γ53(1))：断续分布，层厚为0.40～12.30 m，灰黄—灰绿—灰白等斑杂色，硬。

9) 强风化花岗岩带(γ53(1))：仅少数钻孔缺失，余者钻入或钻穿厚为0.40～15.80 m，灰黄—灰绿等斑杂色，硬。

10) 中风化花岗岩带(γ53(1))：除部分钻孔未钻及外，大部分地段均钻及、未穿，已控制厚度为0.60～7.50 m。

场地地下水主要为孔隙潜水、层间孔隙承压水和基岩裂隙弱承压水。孔隙潜水赋存于第1-3砂土层孔隙中；层间孔隙承压水主要赋存于第5层(砂土亚层)、6层(砂土层)，具弱承压性；基岩裂隙弱承压水赋存于第9、10岩带风化岩石裂隙中，与风化裂隙发育程度有关。勘探测得地下稳定水位埋深在1.50～6.10 m之间。

典型地质纵断面如图1所示。

图1 典型地质纵断面示意

2.2 地质参数

结合地质勘察报告和广东地区经验中取用的强度参数，各岩土层计算参数见表1所示。

表1 岩土体强度参数建议值

3 基坑支护方案

3.1 方案选型

典型基坑支护结构受力分析的研究表明，对于常规桩锚支护体系来说，基坑支护开挖面以下支护结构的变形随着支护嵌固深度的增加而不断减小，支护结构的受力也逐渐减小，但支护结构一般按最大受力位置进行包络计算，导致大部分支护结构的材料抗力不能充分发挥，进而造成一定程度的浪费。

根据本基坑的支护深度、周边环境和深厚软土的地质条件，并结合对支护经济性的需求，经过深入的方案分析和比选，采用长短间隔灌注桩+预应力锚索的组合支护体系。长桩穿透深厚淤泥层进入下卧密实粗砂层，主要使基坑支护结构满足规范的稳定性要求；短桩嵌入基坑底一定深度，并尽量放置在粉砂层，主要使基坑支护结构满足规范的变形控制要求；从而一定程度上缓解了常规支护设计全部采用长桩支护结构造成的支护费用居高不下的成本压力。基坑止水帷幕采用常规的大直径搅拌桩密排止水，桩长穿透粉砂层进入下卧相对不透水层1.5 m。为使预应力锚索锚固段尽量放置在粉砂层，锚索锚固段采用旋喷扩大头锚固段与常规锚固段相结合的形式，只在锚索锚固段的底部设置一定长度的扩大头锚固段。基坑支护典型剖面示意见图2所示。

图2 典型支护断面(长短间隔桩+锚索支护)示意(单位：mm)

3.2 计算模型

根据长短桩+预应力锚索支护体系的受力特点，将该支护模型分成3步进行包络计算。

第1步：将所有的长桩替换为短桩进行模拟计算，即短桩长度范围以下的长桩部分不考虑其作用，根据此条件进行桩径和桩间距的选取。本基坑支护采用Φ800@1 000的支护灌注桩，桩长为12.7 m，复核支护结构的变形和配筋。第一步的模拟计算简称“计算方法1”。

第2步：将所有的短桩替换为长桩进行模拟计算，复核支护结构的变形和配筋，即认为支护结构为常规的等长嵌固深度。本基坑支护采用Φ800@1 000的支护灌注桩，桩长为37.6 m，第2步的模拟计算简称“计算方法2”。

第3步：单独考虑长桩进行模拟计算，不考虑短桩的作用，复核基坑支护结构的稳定性安全系数和短桩桩底以下部分长桩的配筋。本基坑支护采用Φ800@2 000的支护灌注桩，桩长为37.6 m。第3步的模拟计算简称“计算方法3”。

上述3种计算方法完成计算后，按照下列原则进行包络设计：

1) 支护结构变形：按照“计算方法1”和“计算方法2”中计算较大者选取进行变形控制；

2) 支护结构稳定安全系数：按照“计算方法3”进行稳定性安全系数复核；

3) 支护结构配筋：短桩配筋按照“计算方法1”和“计算方法2”的包络结果进行选取；长桩配筋按照“计算方法1”和“计算方法2”以及“计算方法3”中在设计短桩桩底标高以下部分的长桩弯矩。

4 典型计算结果及分析

本节选取典型剖面采用不同计算方法进行分析(典型支护断面见图2)，不同计算方法得到的支护结构位移内力包络示意见图3～图5所示。

图3 支护结构位移内力包络(计算方法1)示意(支护全部按短桩12.7 m，间距1.0 m)

图4 支护结构位移内力包络(计算方法2)示意(支护全部按长桩37.6 m，间距1.0 m)

图5 支护结构位移内力包络示意(计算方法3)(支护只考虑长桩37.6 m，间距2.0 m)

根据计算结果汇总(见表2)可以看出，“计算方法1”将长桩全部视为短桩，支护结构最大水平位移为33.26 mm，“计算方法2”将短桩全部视为长桩，支护结构最大水平位移为31.73 mm，表明基坑坑底以下支护结构的变形随着嵌固深度增加而逐步减小，超过一定范围后的支护结构嵌固深度增加对控制支护结构的最大变形影响不大。特别对于本项目这种深厚软土地质条件下的基坑支护结构，如全部采用常规长桩支护，会导致桩身材料无法得到充分的发挥，且对支护结构的变形控制影响不大，增加33.2%的支护成本仅仅减小了4.6%的支护结构变形，导致支护结构的经济性很差，也一定程度上影响了施工工期。

表2 计算结果汇总

5 有限元数值模型验证

由于基坑长短桩支护尚没有明确的规范依据，为验证本文提出的包络设计方法的可行性，采用了MIDAS-GTS大型有限元软件进行相互校核验证分析。采用二维地层结构法，岩土体采用二维平面单元，修正摩尔-库仑准则；支护结构采用一维梁单元，线弹性模型；锚索采用一维植入式桁架结构，线弹性模型。有限元数值模拟考虑长短桩的共同作用，计算结果见图6和图7所示。根据计算结果，支护结构的最大水平位移为32.1 mm，短桩和长桩的最大弯矩为420 kN·m，有限元的计算结果均略小于本文提出的包络设计计算结果，按包络设计也是偏安全的，汇总见表3所示。

表3 计算结果对比分析

图6 支护结构深层水平位移分布示意

图7 支护结构桩身弯矩分布示意

6 监测成果分析

根据信息化施工和动态设计的要求，本项目对基坑整个开挖过程进行了监测，基坑开挖到底后，支护结构的深层水平位移实测值与不同计算方法的理论值对比见图8所示。

图8 桩身深层水平位移对比示意(开挖到坑底)

由图8可以看出，支护结构的实测最大水平位移位于桩顶附近，其值介于“计算方法1”和“计算方法2”两种理论方法算得的最大水平位移之间，且与有限元计算的最大水平位移也基本吻合。“计算方法1”和“计算方法2”的桩身深层变形曲线在短桩桩身范围内基本吻合，在桩顶以下短桩桩身范围区域与实测值相差偏大，但在短桩桩底以下区域又与实测值具有较好的吻合，分析主要是因为长短桩组合结构具有一定的空间效应，不完全是平面应变问题，导致出现一定的计算差异。总的来说，本基坑监测数据与理论分析成果具有一定的相符性，在整个基坑施工期间，支护结构变形控制较好，达到了既安全又经济可行的效果。

7 经济效益评价

结合本文长短桩包络设计方法和常规等嵌固长度设计方法的差异，根据表4可以看出，在深厚软土地质条件下，本项目案例采用长短桩包络设计方法，支护桩的工程费用可以节省33.2%，大大降低了整个基坑支护的成本。长桩和短桩的桩长差异越大，本文长短桩包络设计方法产生的经济效益越明显。

表4 经济效益评价对比分析

8 结语

1) 在深厚软土地区，采用长短组合支护结构在充分考虑支护结构变形和稳定的条件下是可行的。

2) 深厚软土地质条件下长短组合支护结构既可以很好地解决基坑底以下部分支护结构抗弯能力无法充分发挥的问题，又能较好地满足基坑支护结构的经济合理性要求。

3) 长短组合支护结构由于理论发展限制，尚未有较为完善的理论体系来指导设计，实践中采用了3种计算方法进行包络设计，结构也偏于安全。

4) 本文的包络设计原则适用于深厚软土地质条件下的长短桩组合结构设计，当地质条件差异较大时，应结合实际条件复核计算确定短桩长度。

5) 本文采用“一长一短”的长短桩设计方法，在工程实践中也有“一长多短”的设计案例，采用本方法应用时需作进一步研究。