余地華，田 野,2，賴國梁，陳 國，宋 志，張 濤，柳 瑤

(1.中建三局集團有限公司工程總承包公司，湖北 武漢 430070；2.湖北中建三局建筑工程技術(shù)有限責任公司，湖北 武漢 430070)

0 引言

傾斜樁支護和多級支護是兩種可提高懸臂式支護深度的新型支護結(jié)構(gòu)，在一些裝配式廊道、車站和深大沉井等因自身結(jié)構(gòu)不宜使用支撐或其他需要減少或消除支撐使用且支護深度合適的情況下，傾斜樁、多級支護及其組合支護結(jié)構(gòu)不失為一種比較好的選擇。

作為推動基坑工程綠色建造和可持續(xù)發(fā)展的需要，很多學者和工程技術(shù)人員對傾斜樁及多級支護開展了廣泛研究，如任望東等[1]開展了多級支護破壞模式及穩(wěn)定性參數(shù)分析；鄭剛等[2]對基坑多級支護的概念、形式、機理及破壞模式進行了研究和總結(jié)，首次提出了設(shè)置傾斜樁的多級支護形式；翁其平等[3]，劉杰等[4]，李松等[5]從工程應(yīng)用的角度，開展了多級支護的工程應(yīng)用分析；在傾斜樁研究方面，王恩鈺等[6]，孔德森等[7]，刁鈺等[8]開展了傾斜樁支護的數(shù)值分析，提出了傾斜樁所具有的內(nèi)力和位移控制優(yōu)勢，其中鄭剛等[9]提出了斜-直交替支護樁的剛架、斜撐和重力三大機理效應(yīng)；鄭剛等[10]通過三維數(shù)值模型和室內(nèi)試驗，開展了傾斜樁支護穩(wěn)定性及分析方法的研究，從試驗角度證明了傾斜樁所具有的支護優(yōu)勢。已有的研究為傾斜樁和多級支護的工程應(yīng)用奠定了堅實的理論和工程應(yīng)用基礎(chǔ)[11-12]。受施工影響，一些傾斜樁支護結(jié)構(gòu)在工程實踐中較難實現(xiàn)從而制約了其工程應(yīng)用，而將傾斜樁與多級支護進行結(jié)合，可以利用更經(jīng)濟的建筑資源產(chǎn)生更好的支護效果。目前針對斜樁與直樁組合的多級支護結(jié)構(gòu)相關(guān)研究較少，相關(guān)工程應(yīng)用也不多，本文以工程實例為基礎(chǔ)，分析斜樁與直樁組合的多級支護結(jié)構(gòu)支護方式、支護參數(shù)等因素對支護效果的影響，以期為支護結(jié)構(gòu)優(yōu)化及類似工程提供參考。

1 工程概況及數(shù)值模型分析

1.1 工程概況

工程項目位于武漢經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)硃山湖以南，擬建區(qū)屬剝蝕堆積壟崗及崗間坳溝地貌，相當于長江三級階地。項目設(shè)置地下室2層，基坑周長1 200m，開挖深度11.25m，本文選取基坑南側(cè)典型剖面進行分析，結(jié)合地下室車道，南側(cè)采用斜樁與直樁組合的多級支護結(jié)構(gòu)進行支護，第1級支護高4.0m，采用樁徑0.9m、間距2.2m、樁長18m直樁；第2級支護高7.25m，采用傾斜15°、樁徑0.9m、樁間距1.1m、樁長 16m斜樁，一、二級平臺寬3m，典型支護剖面如圖1所示。

圖1 基坑支護結(jié)構(gòu)剖面

1.2 數(shù)值模型分析

本文采用Plaxis 2D小應(yīng)變硬化土模型(HSS)進行土體模擬，根據(jù)勘察資料，同時結(jié)合當?shù)亟?jīng)驗，土層參數(shù)如表1所示，建立平面模型尺寸及網(wǎng)格如圖2所示。樁和冠梁采用板單元，彈性模量取30GPa、重度25kN/m3、泊松比0.2。根據(jù)剛度等效原則，前斜樁等效厚度0.71m，后直樁等效厚度0.56m。模型頂面為自由面，其他各面設(shè)置法向約束。

表1 土層計算參數(shù)

圖2 模型尺寸及網(wǎng)格

1.3 計算結(jié)果與實測分析

為驗證基坑開挖效果，在南側(cè)采用斜樁與直樁組合的多級支護位置設(shè)置深層土體測斜管，同時將數(shù)值計算的水平位移與實測結(jié)果進行對比，如圖3所示。數(shù)值計算第1級支護直樁最大樁身位移為22.20mm，第2級支護斜樁最大樁身位移為9.12mm，監(jiān)測最大水平位移為19.31mm，數(shù)值計算與實測第1級直樁位移接近，第2級斜樁位移明顯小于土體深層位移。同時數(shù)值計算顯示，整體位移主要還是發(fā)生在第1級支護或基坑上部，且直樁和斜樁存在端部位移，這是由于斜樁作用使樁底有朝向基坑的運動趨勢[7]。數(shù)值計算與監(jiān)測結(jié)果對比表明了基坑結(jié)構(gòu)的安全性和數(shù)值計算的可靠性，模型較好地反映了基坑開挖的變形特性。

圖3 實測與計算結(jié)果對比

2 參數(shù)影響分析

為進一步研究斜樁與直樁組合的多級支護結(jié)構(gòu)支護方式、支護參數(shù)等因素對支護效果的影響，采用簡化模型，?、?黏土作為單一土層進行計算分析，模型尺寸與前述實例一致，模型中支護樁等效厚度為0.60m、支護樁長均為15m、支護深度為10m。本文研究一直一斜、一斜一直及兩斜多級支護方式的開挖效果(見圖4)，比較不同開挖深度比H1/H2、不同平臺寬度B及不同傾斜角度下，斜樁與直樁組合的多級支護結(jié)構(gòu)位移變化情況，從而分析參數(shù)變化對支護效果的影響。幾何參數(shù)分析取值如表2所示。

圖4 斜直組合多級支護結(jié)構(gòu)

表2 參數(shù)取值范圍

2.1 支護類型及分級高度

為研究不同支護類型及分級高度對支護結(jié)構(gòu)位移的影響，分別計算一直一斜、一斜一直及兩斜多級支護結(jié)構(gòu)樁身位移，同時計算兩直多級支護結(jié)構(gòu)進行對比分析，其中分級平臺寬度為4m、斜樁角度為15°,計算結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明，斜樁與直樁組合的多級支護結(jié)構(gòu)中第1,2級樁身位移均明顯小于對應(yīng)的兩直樁多級支護，且第1級樁身位移均大于第2級樁身位移，說明將斜樁與多級支護進行組合可顯著控制位移，且最大位移均發(fā)生在第1級支護。一直一斜各級支護位移隨H1/H2增大而增大，一斜一直各級支護位移隨H1/H2增大而增大，但當?shù)?級支護高度小于第2級支護高度時(H1/H2<5/5)，一直一斜相比一斜一直各級位移更小，說明當?shù)?級支護高度較小時，可優(yōu)先選擇一直一斜多級支護結(jié)構(gòu)，反之，則優(yōu)先選擇一斜一直結(jié)構(gòu)，同時在結(jié)構(gòu)選擇中要考慮斜樁對地下室結(jié)構(gòu)的影響及各級支護樁間的相互影響。若支護空間允許，也可采用二級均為斜樁的分級支護結(jié)構(gòu)，其各級樁身位移相比其他結(jié)構(gòu)更小，且受分級高度的影響也較小。

圖5 斜-直組合多級支護不同分級高度位移

2.2 平臺寬度

圖6為計算一直一斜、一斜一直及兩斜多級支護結(jié)構(gòu)樁身位移隨平臺寬度的變化，其中分級高度H1/H2為5/5、斜樁角度為15°。結(jié)果表明，各類型多級支護結(jié)構(gòu)在平臺寬度<10m時(1倍挖深)，各級位移隨平臺寬度快速減小；平臺寬度為10～20m時(1～2倍挖深)，各級位移隨平臺寬度緩慢減?。黄脚_寬度>20m時(2倍挖深)，各級位移隨平臺寬度變化趨于平穩(wěn)直至無顯著影響。在1倍基坑挖深范圍內(nèi)增大平臺寬度，對斜樁與直樁組合的多級支護結(jié)構(gòu)減控制位移效果更好。

2.3 傾斜角度

圖7為斜-直組合多級支護結(jié)構(gòu)樁身位移隨傾斜角度的變化，其中分級高度H1/H2為5/5、平臺寬度B為5m。計算表明，斜-直組合結(jié)構(gòu)每級支護樁身位移均隨角度增大而減小，其中一斜一直及二斜多級支護結(jié)構(gòu)在0°～5°傾角范圍內(nèi)位移下降更快，其后樁身位移受角度影響變化較均勻?？紤]支護結(jié)構(gòu)總體位移主要發(fā)生在第1級支護中，第1級支護采用斜樁支護位移控制效果更優(yōu)，同時要考慮支護樁傾斜時的交叉影響及傾斜樁端嵌固應(yīng)穿過滑裂面一定深度，以保證支護的整體穩(wěn)定性。同樣，二斜多級支護結(jié)構(gòu)因其更好的位移控制效果，在支護空間較大或位移控制要求較嚴情況下，可以優(yōu)先采用。

3 結(jié)語

本文以工程實例為基礎(chǔ)，通過數(shù)值計算與實測分析，驗證斜樁與直樁組合多級支護良好的位移控制優(yōu)勢和支護效果。采用簡化模型，開展斜-直組合多級支護結(jié)構(gòu)分級高度比、平臺寬度、傾斜角度等參數(shù)對支護效果的影響分析，得到主要結(jié)論如下。

1)斜樁與多級支護進行組合可顯著控制位移，且最大位移主要發(fā)生在第1級支護。根據(jù)分級高度對支護結(jié)構(gòu)位移的影響分析，當?shù)?級支護高度較小時，可優(yōu)先選擇一直一斜多級支護結(jié)構(gòu)，反之，則宜選擇一斜一直結(jié)構(gòu)。

2)在1倍基坑挖深范圍內(nèi)增大平臺寬度，對斜樁與直樁組合的多級支護結(jié)構(gòu)減少位移效果更好，平臺寬度超過1倍挖深時，各級樁身位移隨平臺寬度變化趨于平穩(wěn)。

3)第一級為斜樁的多級支護在0°～5°傾角范圍內(nèi)樁身位移隨傾角增加降幅更大，其后變化趨于均勻，工程中需滿足斜-直組合多級支護的整體穩(wěn)定性，在支護空間較大或位移控制要求更嚴時，可采用二斜多級支護結(jié)構(gòu)。