馬 勇，鄧義釗，李 川

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院,廣州 510635;2.廣東省巖土工程技術(shù)研究中心,廣州 510635)

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的快速發(fā)展和大型基礎(chǔ)設(shè)施的高速建設(shè)，我國(guó)的深基坑支護(hù)工程也越來越多，支護(hù)形式也越來越多樣化。在廣東南沙、橫琴、中山、汕頭和江門等區(qū)域廣泛分布著較為深厚的軟土，軟土厚度達(dá)10～50 m，對(duì)基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)施工管理均帶來了很大的挑戰(zhàn)[1]。根據(jù)基坑的支護(hù)高度和周邊環(huán)境的限制，深厚軟土區(qū)域的基坑通常采用樁撐、樁錨等剛度較大的支護(hù)形式。對(duì)于樁撐(錨)支護(hù)形式，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的嵌固深度需同時(shí)滿足規(guī)范要求的穩(wěn)定性安全系數(shù)和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形限值[2]。由于軟土厚度較大，支護(hù)樁往往需要穿透深厚軟土層，并進(jìn)入下臥硬土層一定深度。按照目前常規(guī)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)，在滿足支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和變形要求的條件下，支護(hù)結(jié)構(gòu)往往按等長(zhǎng)嵌固深度進(jìn)行布置。根據(jù)樁撐(錨)支護(hù)結(jié)構(gòu)典型受力分析可知，支護(hù)結(jié)構(gòu)在開挖面附近部位承受的彎矩相對(duì)較大，而在基坑開挖面附近以下部分隨著深度的增加而不斷減小，導(dǎo)致基坑開挖面以下部分支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗彎能力無法完全發(fā)揮，又由于基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)在深厚軟土地質(zhì)往往嵌固深度很長(zhǎng)，導(dǎo)致深厚軟土地質(zhì)下的基坑支護(hù)成本往往很高。因此，在滿足基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求和變形控制要求的前提下，同時(shí)又能夠很好地降低基坑支護(hù)成本的長(zhǎng)短樁組合支護(hù)體系成為了基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的一個(gè)優(yōu)化研究對(duì)象[3-12]。

本文以某典型深厚軟土地質(zhì)長(zhǎng)短組合樁支護(hù)基坑為例，采用MIDAS-GTS有限元軟件和理正深基坑軟件進(jìn)行長(zhǎng)短組合樁樁錨支護(hù)的研究分析，并結(jié)合基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)際監(jiān)測(cè)變形情況對(duì)比分析長(zhǎng)短樁樁錨組合結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果，可為類似基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的借鑒和參考。

1 工程概況

某基坑支護(hù)工程開挖面積約3.8萬m2，周長(zhǎng)約760 m，設(shè)置為2層地下室，開挖支護(hù)最大深度為8.75 m?；又苓吘鶠橐殉尚问姓缆?。本基坑為超過一定規(guī)模的危大工程，且處于深厚軟土地質(zhì)，軟土層厚度達(dá)17.3～25.9 m，周邊環(huán)境也較為復(fù)雜。因此，如何在保證基坑支護(hù)安全的同時(shí)，也能更好地控制支護(hù)成本，成為本項(xiàng)目基坑支護(hù)工程設(shè)計(jì)咨詢的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2 地質(zhì)情況概述

2.1 地層分布

根據(jù)地質(zhì)揭露，本場(chǎng)區(qū)巖土層自上而下工程地質(zhì)特征分述如下：

1) 填土層：全區(qū)分布，層厚為0.40～8.40 m，灰黃色，干-濕-飽和。

2) 吹填淤泥質(zhì)土、吹填砂土層：分布于場(chǎng)區(qū)大部分地段，層厚為1.00～12.20 m，灰色，飽和，流塑態(tài)。

3) 粉砂層：全區(qū)分布，層厚為3.00～12.80 m，灰黃-灰色，飽和，松散—稍密狀，局部中密。

4) 淤泥、淤泥質(zhì)土層：全區(qū)分布，層厚為17.30～25.90 m，灰色，流塑態(tài)。

5) 粘性土、砂土層：斷續(xù)分布，層厚為0.50～6.80 m，灰色，飽和，以軟塑態(tài)灰色粘土和稍密狀細(xì)砂為主。

6) 粗砂含卵石層：全區(qū)分布，層厚為2.10～16.20 m?；尹S—灰白色，飽和，中密-密實(shí)狀。

7) 砂質(zhì)粘性土層：主要分布于場(chǎng)區(qū)南側(cè)，北側(cè)由于基巖埋藏較淺呈斷續(xù)分布，揭示層厚為0.20～17.40 m。為花崗巖風(fēng)化殘積土，可塑-硬塑態(tài)。

8) 全風(fēng)化花崗巖帶(γ53(1))：斷續(xù)分布，層厚為0.40～12.30 m，灰黃—灰綠—灰白等斑雜色，硬。

9) 強(qiáng)風(fēng)化花崗巖帶(γ53(1))：僅少數(shù)鉆孔缺失，余者鉆入或鉆穿厚為0.40～15.80 m，灰黃—灰綠等斑雜色，硬。

10) 中風(fēng)化花崗巖帶(γ53(1))：除部分鉆孔未鉆及外，大部分地段均鉆及、未穿，已控制厚度為0.60～7.50 m。

場(chǎng)地地下水主要為孔隙潛水、層間孔隙承壓水和基巖裂隙弱承壓水?？紫稘撍x存于第1-3砂土層孔隙中；層間孔隙承壓水主要賦存于第5層(砂土亞層)、6層(砂土層)，具弱承壓性；基巖裂隙弱承壓水賦存于第9、10巖帶風(fēng)化巖石裂隙中，與風(fēng)化裂隙發(fā)育程度有關(guān)?？碧綔y(cè)得地下穩(wěn)定水位埋深在1.50～6.10 m之間。

典型地質(zhì)縱斷面如圖1所示。

圖1 典型地質(zhì)縱斷面示意

2.2 地質(zhì)參數(shù)

結(jié)合地質(zhì)勘察報(bào)告和廣東地區(qū)經(jīng)驗(yàn)中取用的強(qiáng)度參數(shù)，各巖土層計(jì)算參數(shù)見表1所示。

表1 巖土體強(qiáng)度參數(shù)建議值

3 基坑支護(hù)方案

3.1 方案選型

典型基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析的研究表明，對(duì)于常規(guī)樁錨支護(hù)體系來說，基坑支護(hù)開挖面以下支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形隨著支護(hù)嵌固深度的增加而不斷減小，支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力也逐漸減小，但支護(hù)結(jié)構(gòu)一般按最大受力位置進(jìn)行包絡(luò)計(jì)算，導(dǎo)致大部分支護(hù)結(jié)構(gòu)的材料抗力不能充分發(fā)揮，進(jìn)而造成一定程度的浪費(fèi)。

根據(jù)本基坑的支護(hù)深度、周邊環(huán)境和深厚軟土的地質(zhì)條件，并結(jié)合對(duì)支護(hù)經(jīng)濟(jì)性的需求，經(jīng)過深入的方案分析和比選，采用長(zhǎng)短間隔灌注樁+預(yù)應(yīng)力錨索的組合支護(hù)體系。長(zhǎng)樁穿透深厚淤泥層進(jìn)入下臥密實(shí)粗砂層，主要使基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范的穩(wěn)定性要求；短樁嵌入基坑底一定深度，并盡量放置在粉砂層，主要使基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范的變形控制要求；從而一定程度上緩解了常規(guī)支護(hù)設(shè)計(jì)全部采用長(zhǎng)樁支護(hù)結(jié)構(gòu)造成的支護(hù)費(fèi)用居高不下的成本壓力。基坑止水帷幕采用常規(guī)的大直徑攪拌樁密排止水，樁長(zhǎng)穿透粉砂層進(jìn)入下臥相對(duì)不透水層1.5 m。為使預(yù)應(yīng)力錨索錨固段盡量放置在粉砂層，錨索錨固段采用旋噴擴(kuò)大頭錨固段與常規(guī)錨固段相結(jié)合的形式，只在錨索錨固段的底部設(shè)置一定長(zhǎng)度的擴(kuò)大頭錨固段?；又ёo(hù)典型剖面示意見圖2所示。

圖2 典型支護(hù)斷面(長(zhǎng)短間隔樁+錨索支護(hù))示意(單位：mm)

3.2 計(jì)算模型

根據(jù)長(zhǎng)短樁+預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)體系的受力特點(diǎn)，將該支護(hù)模型分成3步進(jìn)行包絡(luò)計(jì)算。

第1步：將所有的長(zhǎng)樁替換為短樁進(jìn)行模擬計(jì)算，即短樁長(zhǎng)度范圍以下的長(zhǎng)樁部分不考慮其作用，根據(jù)此條件進(jìn)行樁徑和樁間距的選取。本基坑支護(hù)采用Φ800@1 000的支護(hù)灌注樁，樁長(zhǎng)為12.7 m，復(fù)核支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和配筋。第一步的模擬計(jì)算簡(jiǎn)稱“計(jì)算方法1”。

第2步：將所有的短樁替換為長(zhǎng)樁進(jìn)行模擬計(jì)算，復(fù)核支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和配筋，即認(rèn)為支護(hù)結(jié)構(gòu)為常規(guī)的等長(zhǎng)嵌固深度。本基坑支護(hù)采用Φ800@1 000的支護(hù)灌注樁，樁長(zhǎng)為37.6 m，第2步的模擬計(jì)算簡(jiǎn)稱“計(jì)算方法2”。

第3步：?jiǎn)为?dú)考慮長(zhǎng)樁進(jìn)行模擬計(jì)算，不考慮短樁的作用，復(fù)核基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性安全系數(shù)和短樁樁底以下部分長(zhǎng)樁的配筋。本基坑支護(hù)采用Φ800@2 000的支護(hù)灌注樁，樁長(zhǎng)為37.6 m。第3步的模擬計(jì)算簡(jiǎn)稱“計(jì)算方法3”。

上述3種計(jì)算方法完成計(jì)算后，按照下列原則進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)：

1) 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形：按照“計(jì)算方法1”和“計(jì)算方法2”中計(jì)算較大者選取進(jìn)行變形控制；

2) 支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)：按照“計(jì)算方法3”進(jìn)行穩(wěn)定性安全系數(shù)復(fù)核；

3) 支護(hù)結(jié)構(gòu)配筋：短樁配筋按照“計(jì)算方法1”和“計(jì)算方法2”的包絡(luò)結(jié)果進(jìn)行選取；長(zhǎng)樁配筋按照“計(jì)算方法1”和“計(jì)算方法2”以及“計(jì)算方法3”中在設(shè)計(jì)短樁樁底標(biāo)高以下部分的長(zhǎng)樁彎矩。

4 典型計(jì)算結(jié)果及分析

本節(jié)選取典型剖面采用不同計(jì)算方法進(jìn)行分析(典型支護(hù)斷面見圖2)，不同計(jì)算方法得到的支護(hù)結(jié)構(gòu)位移內(nèi)力包絡(luò)示意見圖3～圖5所示。

圖3 支護(hù)結(jié)構(gòu)位移內(nèi)力包絡(luò)(計(jì)算方法1)示意(支護(hù)全部按短樁12.7 m，間距1.0 m)

圖4 支護(hù)結(jié)構(gòu)位移內(nèi)力包絡(luò)(計(jì)算方法2)示意(支護(hù)全部按長(zhǎng)樁37.6 m，間距1.0 m)

圖5 支護(hù)結(jié)構(gòu)位移內(nèi)力包絡(luò)示意(計(jì)算方法3)(支護(hù)只考慮長(zhǎng)樁37.6 m，間距2.0 m)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果匯總(見表2)可以看出，“計(jì)算方法1”將長(zhǎng)樁全部視為短樁，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為33.26 mm，“計(jì)算方法2”將短樁全部視為長(zhǎng)樁，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為31.73 mm，表明基坑坑底以下支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形隨著嵌固深度增加而逐步減小，超過一定范圍后的支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度增加對(duì)控制支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大變形影響不大。特別對(duì)于本項(xiàng)目這種深厚軟土地質(zhì)條件下的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，如全部采用常規(guī)長(zhǎng)樁支護(hù)，會(huì)導(dǎo)致樁身材料無法得到充分的發(fā)揮，且對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形控制影響不大，增加33.2%的支護(hù)成本僅僅減小了4.6%的支護(hù)結(jié)構(gòu)變形，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性很差，也一定程度上影響了施工工期。

表2 計(jì)算結(jié)果匯總

5 有限元數(shù)值模型驗(yàn)證

由于基坑長(zhǎng)短樁支護(hù)尚沒有明確的規(guī)范依據(jù)，為驗(yàn)證本文提出的包絡(luò)設(shè)計(jì)方法的可行性，采用了MIDAS-GTS大型有限元軟件進(jìn)行相互校核驗(yàn)證分析。采用二維地層結(jié)構(gòu)法，巖土體采用二維平面單元，修正摩爾-庫侖準(zhǔn)則；支護(hù)結(jié)構(gòu)采用一維梁?jiǎn)卧€彈性模型；錨索采用一維植入式桁架結(jié)構(gòu)，線彈性模型。有限元數(shù)值模擬考慮長(zhǎng)短樁的共同作用，計(jì)算結(jié)果見圖6和圖7所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移為32.1 mm，短樁和長(zhǎng)樁的最大彎矩為420 kN·m，有限元的計(jì)算結(jié)果均略小于本文提出的包絡(luò)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，按包絡(luò)設(shè)計(jì)也是偏安全的，匯總見表3所示。

表3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

圖6 支護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移分布示意

圖7 支護(hù)結(jié)構(gòu)樁身彎矩分布示意

6 監(jiān)測(cè)成果分析

根據(jù)信息化施工和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的要求，本項(xiàng)目對(duì)基坑整個(gè)開挖過程進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，基坑開挖到底后，支護(hù)結(jié)構(gòu)的深層水平位移實(shí)測(cè)值與不同計(jì)算方法的理論值對(duì)比見圖8所示。

圖8 樁身深層水平位移對(duì)比示意(開挖到坑底)

由圖8可以看出，支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)最大水平位移位于樁頂附近，其值介于“計(jì)算方法1”和“計(jì)算方法2”兩種理論方法算得的最大水平位移之間，且與有限元計(jì)算的最大水平位移也基本吻合。“計(jì)算方法1”和“計(jì)算方法2”的樁身深層變形曲線在短樁樁身范圍內(nèi)基本吻合，在樁頂以下短樁樁身范圍區(qū)域與實(shí)測(cè)值相差偏大，但在短樁樁底以下區(qū)域又與實(shí)測(cè)值具有較好的吻合，分析主要是因?yàn)殚L(zhǎng)短樁組合結(jié)構(gòu)具有一定的空間效應(yīng)，不完全是平面應(yīng)變問題，導(dǎo)致出現(xiàn)一定的計(jì)算差異?？偟膩碚f，本基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與理論分析成果具有一定的相符性，在整個(gè)基坑施工期間，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制較好，達(dá)到了既安全又經(jīng)濟(jì)可行的效果。

7 經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

結(jié)合本文長(zhǎng)短樁包絡(luò)設(shè)計(jì)方法和常規(guī)等嵌固長(zhǎng)度設(shè)計(jì)方法的差異，根據(jù)表4可以看出，在深厚軟土地質(zhì)條件下，本項(xiàng)目案例采用長(zhǎng)短樁包絡(luò)設(shè)計(jì)方法，支護(hù)樁的工程費(fèi)用可以節(jié)省33.2%，大大降低了整個(gè)基坑支護(hù)的成本。長(zhǎng)樁和短樁的樁長(zhǎng)差異越大，本文長(zhǎng)短樁包絡(luò)設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益越明顯。

表4 經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)對(duì)比分析

8 結(jié)語

1) 在深厚軟土地區(qū)，采用長(zhǎng)短組合支護(hù)結(jié)構(gòu)在充分考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和穩(wěn)定的條件下是可行的。

2) 深厚軟土地質(zhì)條件下長(zhǎng)短組合支護(hù)結(jié)構(gòu)既可以很好地解決基坑底以下部分支護(hù)結(jié)構(gòu)抗彎能力無法充分發(fā)揮的問題，又能較好地滿足基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)合理性要求。

3) 長(zhǎng)短組合支護(hù)結(jié)構(gòu)由于理論發(fā)展限制，尚未有較為完善的理論體系來指導(dǎo)設(shè)計(jì)，實(shí)踐中采用了3種計(jì)算方法進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)也偏于安全。

4) 本文的包絡(luò)設(shè)計(jì)原則適用于深厚軟土地質(zhì)條件下的長(zhǎng)短樁組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件差異較大時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際條件復(fù)核計(jì)算確定短樁長(zhǎng)度。

5) 本文采用“一長(zhǎng)一短”的長(zhǎng)短樁設(shè)計(jì)方法，在工程實(shí)踐中也有“一長(zhǎng)多短”的設(shè)計(jì)案例，采用本方法應(yīng)用時(shí)需作進(jìn)一步研究。