斜桩支护在基坑工程中的监测和对比分析

李兵兵

（中铁建设集团有限公司，北京 100131）

0 引言

在软土地区，基坑支护通常采用设置竖向支护结构加水平支撑的形式[1-2]。但是对大面积、形状不规则的基坑来说，水平支撑的布置较复杂，会限制施工空间[3]，并且支撑的施工和拆除成本也会增加，导致工期延长，造成一定的资源浪费和环境污染。

在实际工程中，该文将预制桩倾斜一定角度进行布置，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目前在国内外已被应用于工程实践中。李珍[4]、郑刚[5-6]、孔德森[7-10]等利用数值模拟和模型试验分别对单排直桩、双排直桩及斜直交替布置的支护桩的受力和变形特性进行了研究。研究结果表明，随着倾斜角的增大，单排倾斜桩的桩顶水平位移减少。斜直交替桩控制桩顶水平位移的能力高于单排倾斜桩。对基坑支护结构而言，桩身变形和坑外沉降是基坑变形控制中最重要的指标。和无支撑悬臂直桩支护技术相比，倾斜桩支护技术在桩身位移控制和坑外沉降控制方面都具有较大的优势。

该文以天津金钟河大街南侧地块项目基坑工程为背景，介绍该工程中采用的斜直交替支护类型、斜桩的施工过程和要点，同时在基坑的不同部位针对性地设置了双排桩支护和单排桩加设一道支撑的支护形式，对比了不同支护形式的桩身变形、内力以及坑外沉降的差异。

1 工程简介

天津金钟河大街地块项目基坑工程位于天津市河北区，拟建工程建筑包括6 栋高层建筑、4 栋多层建筑及一层地下室（局部地下二层）。基坑开挖面积约25700m2，开挖深度为4.5m。

场地北侧为赵沽里大街，西侧邻靖辰公寓。公寓外侧为规划道路群芳路，道路下存在已运营地铁线路地铁5 号线，此区域为盾构。南侧邻天江里小区，东侧为中国联通院落，内有2 层营业大厅和通信铁塔。工程与周边道路情况如图1所示。

图1 工程场地周边环境图

该基坑涉及深度范围内各土层土性指标统计和抗剪强度指标见表1。

表1 基坑影响范围内土体物理力学指标

2 基坑围护结构设计与施工

2.1 围护结构形式

基坑整体开挖深度为4.5m，地下结构西侧距用地红线最近3.6m，并且用地红线外7.4m 为6 层住宅，采用传统悬臂支护无法确保周边建筑物及地铁线路的安全，如果采用单排桩加整体一道水平支撑的方案则会造成出土困难，并增加工期和造价。综合考虑下，决定在南侧场地开阔处采用放坡开挖，大部分位置采用A-A 剖面斜直交替桩支护结构，局部采用B-B 剖面双排桩支护做对比段，角部采用C-C 剖面预制桩加支撑的支护形式做对比段。基坑平面布置如图2 所示。

图2 基坑支护平面布置图

A-A 剖面斜直交替支护采用了桩长11m、间距1.7m 的375mm×500mm 矩形预制桩，截面外方内圆，中空圆形直径210mm，混凝土强度等级C80，预应力钢筋布筋方式为12ø10.7mm 预应力钢棒，螺旋箍筋为ø5@100，截面形式如图3 所示。B-B 剖面双排桩支护的前/后排桩长均为11m，排距2.2m，前排桩为间距1m 的375mm×500mm 矩形预制桩，后排桩为ø600@2000 的灌注桩。C-C 剖面采用桩长10m、间距1m 的375mm×500mm 矩形预制桩，并在桩顶处设置一道钢筋混凝土支撑。上述3 个剖面如图4 所示。

图3 预制桩截面形式（单位：mm）

图4 围护结构剖面（mm）

2.2 斜桩支护的施工与土方开挖

A-A 剖面设计的斜桩倾斜角度为20°，采用专用斜桩机进行静压法施工。施工前，根据设计倾斜角度并结合下返深度和设备高度分别计算桩位线、入土线和对位线。在桩位复核无误后，根据支护设计图纸并结合现场实际情况划分施工区段，安排沉桩的先后次序，按顺序施工倾斜桩，以控制挤土效应。斜桩静压机在桩位对正，夹持器抱紧，设备调平后进行斜桩的压入。

施工斜直交替支护结构时，先将直桩压至地坪，再施工斜桩。斜桩先施工至自然地坪后，再二次送深至设计标高。连续的施工区段接处还需要预留2～3 根桩与下一区段统一二次送深至设计标高。斜桩与直桩的桩顶用冠梁刚性连接在一起，冠梁宽度不宜小于桩截面高度+200mm，高度不宜小于桩截面高度的0.6 倍。

在支护结构构件强度满足开挖条件且坑内地下水位以下土方得到有效降水疏干后，根据分层、分段的对称、均衡、适时的原则开挖基坑。开挖时要注意挖土机械不能碰撞或损害支护桩，并注意保护斜直交替桩间土。基坑开挖工作于2019 年6 月完成。

3 基坑变形监测结果分析

为了确保基坑的安全开挖，并研究斜桩支护的应用效果，该工程对基坑开挖过程中的桩顶位移、支护桩深层位移、周边道路及建筑物沉降进行了监测。其中矩形预制桩的侧移采用基坑测斜仪进行测量，在帽梁浇筑前将测斜管放入空心矩形桩内。为了既能保证测斜管居中，从而正确反映桩身变形，又不影响预制桩的刚度，在矩形桩内交替灌注1.5m 深的沙子和0.3m 厚的砂浆以固定测斜管，使测斜管能够准确反映支护桩的变形情况。

基坑开挖完成时，A-A 剖面、B-B 剖面和C-C 剖面的支护桩测斜结果如图5 所示。

图5 开挖完成时支护桩测斜结果

从图5 可以看出，3 种支护的桩身变形模式相似，都类似于桩顶加水平支撑的单排桩变形。其中A-A剖面斜直交替桩支护的直桩最大水平位移为12.51mm，斜桩为11.95mm；B-B 剖面双排桩支护前排桩最大水平位移为14.11mm；C-C剖面单排桩加一道支撑支护桩的最大水平位移为8.27mm。测斜结果表明，在该基坑支护形式设置条件下，3 种围护结构变形均较小，采用斜直交替桩支护的变形略大于带支撑的单排桩支护，略小于双排桩支护。

计算斜直交替桩支护和双排桩支护的每延米造价汇总见表2。取钻孔灌注桩造价1500 元/m³，375mm×500mm 预制桩210 元/m，帽梁和连梁1500 元/m³。由表2 可知，A-A剖面斜直交替支护和B-B 剖面双排桩支护相比，每延米造价能节省3075 元，在满足基坑变形控制要求和施工条件的前提下选择斜直交替支护可以降低工程造价。

表2 A-A 剖面和B-B 剖面支护结构每延米造价对比

基坑西侧周边建筑和地表沉降的监测结果显示，B-B 剖面和A-A 剖面对应的最大坑外地表沉降分别为6.21mm 和6.34mm，西北角C-C 剖面的地表沉降为5.28mm。3 种支护形式的坑外地表沉降量比较接近。距离B-B 剖面和A-A 剖面的最近建筑物沉降最大值分别为2.29mm 和1.69mm。以上结果表明，采用斜直交替桩支护可以较好地控制基坑开挖对周边环境的影响。

4 数值模拟计算结果对比分析

4.1 有限元模型建立

为了进一步探究斜直交替桩支护的变形规律，该文参照该工程的支护结构剖面分别建立双排桩支护、斜直交替支护和单排桩加水平支撑支护的数值模型。将B-B 剖面双排桩支护的前后排桩均换为375mm×500mm 预制桩，桩间距1.7m。此时双排支护桩与A-A 剖面斜直交替支护桩的刚度相同。在单排桩加一道水平支撑的计算模型中，支护桩同样采用375mm×500mm 矩形预制桩，桩间距为0.85m 和11m。

使用有限元软件Plaxis2D 建立3 种支护形式的数值模型，并进行对比和分析。模型高度和模型左侧边界至支护桩距离取25m，模型底面施加双向约束，两侧施加法向约束。土体本构模型采用小应变硬化土模型，排水类型为不排水，考虑基坑开挖过程中坑内降水对变形的影响[11]，土体参数见表3。根据等效刚度原则，支护桩等效为板单元，桩体弹性模量取38000MPa，泊松比取0.2。水平支撑用锚锭杆单元模拟，支护桩与土体的接触面采用界面单元来模拟。A-A 剖面的模型网格划分如图6 所示。

表3 土体模型计算参数

图6 A-A 剖面有限元模型网格划分

4.2 数值模拟计算结果分析

开挖至坑底时，不同支护形式的桩身水平位移和坑外沉降的对比如图7 所示。

图7 3 种支护形式的桩身水平位移和坑外沉降的对比

当桩身刚度相同时，斜直交替支护的最大水平位移为11.74mm，双排桩支护的前后排桩最大水平位移均为20.63mm，斜直交替支护最大水平位移比双排桩支护减少了43.14%。2 种支护形式的桩身水平变形模式相近，并且最大水平位移都出现在桩顶处。排桩加水平支撑的桩身最大位移为8.98mm，发生在距离桩顶3.16m 位置处，桩顶位移为8.06mm。与斜直交替支护相比，排桩加水平支撑支护的桩顶位移减少了2.99mm，最大水平位移减少了3.68mm。以上结果说明斜直交替支护控制桩顶位移的能力优于双排桩支护，略差于带水平支撑的单排桩支护，并且斜直交替支护的最大位移较小，与带水平支撑的排桩支护相近。这是由于斜直交替支护结构随开挖向坑内偏移时斜桩受压，因此其水平分力对直桩起到支撑作用，使桩身变形模式类似于带水平支撑的“内凸式”[12]。

由于斜直交替支护斜桩的斜撑作用限制了坑内土体的隆起，因此使靠近桩底部分斜直交替支护的水平位移略大于双排桩支护。与监测结果相比，数值模拟结果的桩顶水平位移偏大，原因可能是二维数值模拟没有考虑帽梁的空间作用对支护桩顶变形的约束作用。

3 种支护形式的沉降曲线均为凹槽形，类似于带水平支撑的基坑支护坑外沉降曲线。斜直交替支护的最大坑外沉降值为9.71mm，比双排桩支护减少了37.91%；带支撑的单排桩支护最大坑外沉降值为7.47mm，比双排桩支护减少了52.24%。通过以上对比可以得知，在支护桩刚度和桩长相同的情况下，斜直交替支护限制坑外沉降的能力介于双排桩支护和带水平支撑的单排桩支护之间。

不同支护形式的桩身弯矩的对比如图8 所示。3 种支护形式的弯矩随深度的变化基本一致，均产生反弯点。带水平支撑的单排桩最大正弯矩为94.1kN·m，略大于其他2 种支护的弯矩。斜直交替支护斜桩和双排桩支护前排桩的最大弯矩值为87.6kN·m 和70.7kN·m，分别大于对应各自直桩和后排桩的最大弯矩值，原因可能是斜桩和前排桩分配到的土压力更多。与双排桩相比，斜直交替支护桩身弯矩的反弯点更靠近桩底，并且桩身最大正弯矩较大，这也说明了斜直交替支护对变形的控制能力优于双排桩支护。

图8 3 种支护形式的桩身弯矩对比

5 结语

该文以天津金钟河大街南侧地块项目基坑工程为基础，对预制桩斜直交替支护在基坑工程中的变形进行了对比和分析。得出如下结论：1）斜直交替桩的斜桩对直桩的斜撑作用使斜直交替支护的桩身位移模式为“内凸式”，坑外沉降曲线为凹槽形，类似于带水平支撑的排桩支护。2）斜直交替支护的帽梁将直桩与斜桩刚接，起到了协调斜直桩变形和传递相互作用力的作用，因此在设计和施工时要使帽梁截面满足刚度和受力要求，确保帽梁能够起到将直桩和斜桩刚接的作用。3）在支护桩刚度和桩长相同的情况下，斜直交替支护限制桩顶水平位移和坑外沉降的能力介于带支撑的排桩支护和双排桩支护之间，并且桩身最大水平位移、弯矩与带支撑的排桩支护较接近。4）当基坑开挖深度较小但传统悬臂支护的计算变形过大时，可以考虑采用斜直交替的预制矩形桩支护的形式，避免设置水平支撑体系，既能节省造价，又能加快基坑开挖进度。