鄭素蘋

（福建江夏學院 工程學院，福建 福州 350108)

排樁內支撐支護體系在軟土深基坑中的應用與研究

鄭素蘋

（福建江夏學院 工程學院，福建 福州 350108)

以實際工程為依托，運用理正基坑算法對排樁支護下的軟土深基坑開挖過程中產生的樁身彎矩變化、樁身側向變形以及由于開挖引起的基坑周圍地表沉降規(guī)律進行了分析，得出排樁內支撐支護體系在軟土地區(qū)的深基坑工程中能有效控制基坑位移以及周邊地表沉降，支護效果穩(wěn)定、安全的相關結論，可以為類似工程實踐提供了參考。

深基坑；排樁內支撐體系；彎矩；變形

隨著城市建設的高速發(fā)展，各大中小城市的建設用地越來越緊張，導致建筑物樓層越來越高，地下室越來越深。基坑開挖深度越來越大，基坑支護是保證基坑開挖過程中的施工安全的關鍵，這就對基坑支護技術提出了新的要求和挑戰(zhàn)。

當基坑開挖深度比較大時，如果懸臂式支擋結構在強度和變形上無法滿足要求時，則可在坑內配合采用內撐支護。排樁內支撐支護體系由于可靠性高、不侵越紅線且便于與逆作法相結合，在工程中得到越來越廣泛的應用[1-3]。它適用于各種類型的土層，缺點是內支撐在施工中會占用一定的施工空間，常用的有鋼管內撐支護和鋼筋砼構架內撐支護。為了使排樁支護支護體系更好的應用到工程中，工程師以及學者們對其工作性能進行了深入的研究。吳銘炳[4]以應用排樁支護結構的福州某基坑原位測試結果為基礎，分析了排樁支護結構的實際受力變形特征，并將不同理論計算結果與實測結果進行了對比，得出了控制排樁位移的措施；許錫昌等[5]對以懸臂排樁支護的矩形基坑進行研究，通過數值模擬與實測數據進行對比，歸納出了排樁的空間變形模式，以此建立了整個支護體系的能量表達式；林雪梅[6]以實際工程為依托，對軟土基坑排樁支護的優(yōu)化設計進行了探討，并對監(jiān)測數據進行分析，發(fā)現支撐梁剛度和強度是支撐基坑變形的關鍵。

排樁支護結構都可用彈性梁和彈性支點法計算模型進行結構分析。排樁支護體系受力明確，計算方法和工程實踐相對成熟，是目前國內基坑工程中應用最多的支護結構形式之一，特別是被廣泛應用于深厚軟土層的深基坑工程中。本文在前人研究工作的基礎上，以福州某中學的基坑工程為依托，對排樁支護作用下的軟土基坑變形規(guī)律及機理進行了分析，對東南沿海地區(qū)相同工程地質條件下的軟土深基坑支護有實踐意義。

1 工程概況

1.1 場地概況

擬建場地位于福州市某中學校園內，現為舊房拆遷和學校操場，地面下設有 1層滿鋪地下室。擬建場地北側與圍墻的最小距離約8 m，圍墻外為化民營路；南側為已建 7層框架結構綜合樓，最小距離約 9 m；西側與圍墻的最小距離約 6 m，圍墻外為現有化民后巷；東側與圍墻距離約 6 m，與已建福建省 5層框架結構的文物總店最小近距約 10 m。場地總體地勢平坦，局部呈小階梯狀。

本工程共設兩層地下室，底板面平均標高為-9.70 m。底板厚600 mm，底板底設300 mm厚墊層，基坑開挖至底板墊層底的平均深度為10.00 m，基坑支護周長約340 m，安全等級為一級。其基坑支護工況如表1所示，支護平面圖如圖1所示。

表1 基坑支護工況

圖1 基坑平面圖（單位/mm)

1.2 工程地質條件

擬建場地表層為人工堆積形成的填土，其下土層屬淤積、沖積成因類型和基巖風化帶組成，基底巖性為燕山晚期侵入的花崗斑巖，地貌單元屬福州盆地。根據巖土工程勘察報告，場地土自上而下，見表2。

表2 基坑各土層物理力學參數

1.3 水文地質條件

基坑開挖深度范圍內的地下水主要為：上部松散層孔隙潛水，受大氣降水和周邊排水溝入滲的影響，賦存于雜填土層，透水性中等，富水性弱?？辈炱陂g，地下水混合水位埋深0.83～1.62 mm，標高6.77～7.33 m。基坑采用φ700高壓旋噴樁止水帷幕隔水，坑內集水明排。

1.2.1 汽輪機模型 汽輪發(fā)電機模型包括同步機、汽輪機、交流勵磁機、熱工調速器和多質量扭轉軸接口．主要技術參數見表1[7]．

1.4 計算軟件及計算方法

工程采用理正深基坑軟件進行計算分析。輸入的土體參數、排樁和內支撐參數和選擇的計算模型、理論假定等，都會對計算結果有直接的影響。工程土體抗剪強度的參數采用固快指標。結構內力與變形計算值、支點力計算值應根據基坑開挖及地下結構施工過程的不同工況、根據受力條件分段按平面問題計算，選用彈性法。

2 基坑支護方案

綜合基坑的工程概況，該基坑具有以下幾個主要的特點：本基坑設計有兩層地下室，開挖深度比較大，平均開挖深度在10 m左右，根據規(guī)范，該基坑的安全等級屬于一級；基坑開挖范圍內土體性質比較差，透水性較弱，粘土層分布非常不均勻，淤泥層的厚度較大，坑底下臥層為粉質粘土；基坑形狀較規(guī)則，近乎長方形；周邊環(huán)境條件差，基坑北面、西面為城市道路，南側為已建綜合樓，東側為省文物總店，距離均較近，最近僅6 m，基本無放坡條件。

根據以上特點，基坑支護采用兩層內撐式灌注樁圍護結構，圍護樁采用旋挖鉆孔灌注樁，截面為φ900，間距約為1300mm。水平內支撐為現澆鋼筋混凝土結構，支承立柱上部采用鋼格構柱，下部采用 φ900旋挖鉆孔灌注樁做基礎。圍護樁之間采用φ700的高壓旋噴樁進行止水擋土；坑內局部超挖部分，根據開挖后的地質情況，采用放坡加砂袋反壓臨時支護?；又ёo典型剖面圖如圖2所示，其對應的施工工況入表1所示。

圖2 基坑支護剖面圖（單位:mm）

3 力學機制及變形分析

3.1 樁身彎矩分析

根據理正深基坑計算結果，圖3為樁身在不同工況下的彎矩圖，曲線1～7分別對應工況1～7。由圖可知，不同工況下樁身彎矩零點均在坑底以下約5 m處，工況3、4零點距離坑底較近。樁身彎矩圖以零點位置為中心對稱點呈近乎中心對稱，隨著基坑開挖的進行，樁身最大正負彎矩總體呈逐漸增大的趨勢，在最后一層開挖工況樁身彎矩峰值為所有工況中的最大值。

3.2 內支撐體系分析

如圖1所示，工程采用鋼筋混凝土對撐結合角撐支撐形式，各塊支撐受力相對獨立，支撐剛度大，有利于控制支護結構變形。內支撐體系可以直接平衡圍護樁上所受到的土壓力，主要受軸力和彎矩，屬于偏心受壓構件，受力明確。內支撐計算采用空間整體協(xié)同有限元計算方法，考慮了支護結構、內支撐結構及土空間整體協(xié)同作用的線彈性有限元計算方法，建立平面分析模型計算水平支撐的內力與變形。根據理正深基坑軟件計算結果，鋼筋混凝土內支撐的受到的最大軸力為8300 kN，最大彎矩為635 kN·m。

圖4為基坑橫向變形曲線，曲線1～7分別對應工況1～7。由圖可知，基坑在開挖初始階段，即工況1、2時樁頂的水平位移最大，樁身的位移隨深度的增加逐漸減小至零；隨著基坑不斷向下開挖和各道內支撐的施加，排樁的水平位移整體呈現出中間大兩頭小的變化規(guī)律，變形曲線呈現出猶如弓形的形狀，弓形峰值隨著開挖深度的增加而不斷增大，由工況3、4峰值小于工況5且小于工況6和7的曲線特點可以看出。同時峰值位置也不斷下移，最大變形量與基坑深度比值分別為0.10%、0.19%、0.30%。不少學者通過研究統(tǒng)計總結出，軟土地區(qū)一般板樁支護體系最大側向變形大約在0.01 H左右[7]，采用鉆孔灌注樁或地下連續(xù)墻的基坑一般小于0.01 H，基本落在0.20%至0.90%H之間[8]。因此該排樁支護基本上能較好的滿足橫向變形要求，說明本工程的基坑支護方案可靠，開挖方案合理，對基坑周圍環(huán)境保護較好，基本滿足對基坑變形控制的要求。

圖3 不同工況排樁彎矩圖

圖4 排樁橫向變形圖

3.4 基坑周圍豎向沉降規(guī)律分析

基坑開挖周邊地表沉降觀測圖如圖5所示。從沉降圖可以看出：該基坑周圍地表沉降整體較小，三種不同算法（三角形法、指數法和拋物線法）的平均最大值只有39 mm，由此可以說明該基坑工程所采用的支護形式和施工方案是較為合理的。根據拋物線法，基坑沉降的最大值出現在距基坑邊10 m左右的位置，這說明基坑的坑壁處并不是沉降最大的位置，沉降最大的位置和離基坑邊的距離之間有一定的關系。

圖5 地標沉降曲線

3.5 排樁支護變形機理分析

由以上對支護結構的彎矩、變形以及基坑周圍地表沉降的分析，可以發(fā)現基坑土壓力主要作用于支護結構排樁的兩側，即開挖側和非開挖側。基坑開挖之前，排樁兩側的土壓力大小基本相等，方向相反，互相抵消，此時排樁受到靜止土壓力作用；基坑開挖后，開挖側產生臨空，僅非開挖側受土壓力作用，兩側受力不平衡，此時排樁因此產生朝基坑開挖面的位移，位移的逐漸增大反映的是應力傳遞的變化過程，土壓力通過土體中力的傳遞作用于排樁上，通過排樁的變形來調節(jié)平衡，調節(jié)過程中土壓力逐漸變小，最終轉化成主動土壓力，排樁結構再次達到新的受力平衡。

3.6 排樁支護結構設計分析

在對該支護結構的變形機理進行分析后可以知道，排樁在基坑支護結構中主要承受水平方向的土壓力作用，排樁鋼筋受力特征主要取決于支護結構型式的選擇。以本文基坑支護工程為例，該基坑的開挖深度約為10 m，采用排樁并在基坑內部加設雙層內支撐的支護結構，支撐根據土層等綜合情況設置在地面以下1.45、5.45 m處。在進行內支撐施工前，需對土層上部先進行開挖，開挖后排樁露出部分處于懸臂狀態(tài)，開挖一側鋼筋牌受壓狀態(tài)，非開挖一側處于受拉狀態(tài)；上層內支撐設置完成后，繼續(xù)向下開挖，此時為內支撐式支護結構，排樁在開挖一側的鋼筋由于內支撐的作用由受壓狀態(tài)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)，非開挖側鋼筋則由受拉狀態(tài)變?yōu)榱耸軌?；基坑開挖完成，拆撐后，排樁向基坑方向位移，排樁恢復到初始開挖側的鋼筋受壓，非開挖側鋼筋受拉的狀態(tài)。

綜上所述，排樁在基坑支護中為受彎構件，不同深度彎矩大小不同，一般在開挖面附近彎矩最大。根據其受力特征，一般對排樁的配筋采用特殊處理，即基坑內外兩側不對稱且分段的配筋方式，在彎矩較大的坑底附近配筋率較大，這種配筋方式使得排樁在支護過程中能更合理抵抗土壓力，有利于鋼筋強度的充分發(fā)揮，與均勻布筋相比不僅更經濟，而且更有安全保障。

4 結論

以某中學基坑工程支護為例，采用理正計算軟件對基坑不同施工階段的排樁圍護結構彎矩變化規(guī)律、樁身變形規(guī)律以及基坑周圍地表沉降特點進行了分析研究，主要得到了以下幾個結論：

（1）排樁內支撐支護在基坑開挖過程中，樁身彎矩最大值出現在坑底附近，零點處于坑底以下5m范圍內，因此坑底深度對應樁側配筋需有所側重；

（2）排樁內支撐支護在基坑開挖過程中的水平位移呈現弓形形狀，最大水平位移是靠近坑底的位置，隨著挖深增加，樁身最大水平位移也隨之增加；

（3）排樁內支撐支護下的基坑開挖所引起的坑外地表沉降的沉降量與離坑邊距離有一定的關系，按照拋物線法分析基本呈先增大后減小的關系；

因此，排樁內支撐支護體系能有效控制基坑位移及周邊沉降，支護效果穩(wěn)定、安全，符合相關規(guī)范要求，是一種有效的支護形式。

［1］袁海慶，張光文．排樁-內支撐深基坑支護體系的等效轉換與簡化計算［J］．巖土工程學報，2011，33（5）：725－729．

［2］章潔．軟土地區(qū)深基坑內撐式排樁支護的變形規(guī)律現場監(jiān)測與數值模擬分析［D］．杭州：浙江工業(yè)大學，2013．

［3］何仕英．排樁內支撐體系在金色梧桐二期深基坑工程中的應用［J］．工程與建設，2013（5）：655－657．

［4］吳銘炳．軟土基坑排樁支護研究［J］．工程勘察，2001（4）：15－17．

［5］許錫昌，陳善雄，徐海濱．懸臂排樁支護結構空間變形分析［J］．巖土力學，2006，27（2）：184－188．

［6］林雪梅．軟土深基坑排樁支護的優(yōu)化設計和監(jiān)測［C］／／全國結構工程學術會議，2002．

［7］PECK R B．Deep excavation and tunneling in soft ground［C］／／Proceeding of the 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering，State－of－the－art Volume．Mexico City，1969：225–290．

［8］劉興旺，施祖元，益德清，等．軟土地區(qū)基坑開挖變形性狀研究［J］．巖土工程學報，1999，21（4）：456–460．

(責任編輯：朱聯九）

Application and Research of Inner-bracing Soldier Pile Retaining System in Soft-soil Deep Foundation Pit

ZHENG Su-ping
(College of Engineering，Fujian Jiangxia University,Fuzhou 350108,China)

Relying on real project and using management software for deep excavation,the changes of pile's bending moment and lateral deformation as well as adjacent ground settlement of deep dip in the excavating are analyzed.It is concluded that inner-bracing soldier pile retaining system can effectively control displacement and ground settlement around foundation pit,which has practical significance and can provide reference for similar engineering practice.

deep foundation pit；inner-bracing soldier pile retaining system；bending moment；deformation

TU463

A

1673-4343（2017）02-0083-06

10．14098／j．cn35－1288／z．2017．02．015

2016-12-16

鄭素蘋，女，福建南安人，講師。主要研究方向：邊坡及基坑的設計與施工。