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        斜樁支護(hù)在基坑工程中的監(jiān)測(cè)和對(duì)比分析

        2023-06-07 14:30:20李兵兵
        關(guān)鍵詞:斜樁單排支護(hù)樁

        李兵兵

        (中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司,北京 100131)

        0 引言

        在軟土地區(qū),基坑支護(hù)通常采用設(shè)置豎向支護(hù)結(jié)構(gòu)加水平支撐的形式[1-2]。但是對(duì)大面積、形狀不規(guī)則的基坑來(lái)說(shuō),水平支撐的布置較復(fù)雜,會(huì)限制施工空間[3],并且支撐的施工和拆除成本也會(huì)增加,導(dǎo)致工期延長(zhǎng),造成一定的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。

        在實(shí)際工程中,該文將預(yù)制樁傾斜一定角度進(jìn)行布置,可在滿足基坑變形要求的前提下實(shí)現(xiàn)無(wú)水平支撐支護(hù)。這種傾斜樁支護(hù)技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)外已被應(yīng)用于工程實(shí)踐中。李珍[4]、鄭剛[5-6]、孔德森[7-10]等利用數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)分別對(duì)單排直樁、雙排直樁及斜直交替布置的支護(hù)樁的受力和變形特性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明,隨著傾斜角的增大,單排傾斜樁的樁頂水平位移減少。斜直交替樁控制樁頂水平位移的能力高于單排傾斜樁。對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)而言,樁身變形和坑外沉降是基坑變形控制中最重要的指標(biāo)。和無(wú)支撐懸臂直樁支護(hù)技術(shù)相比,傾斜樁支護(hù)技術(shù)在樁身位移控制和坑外沉降控制方面都具有較大的優(yōu)勢(shì)。

        該文以天津金鐘河大街南側(cè)地塊項(xiàng)目基坑工程為背景,介紹該工程中采用的斜直交替支護(hù)類型、斜樁的施工過(guò)程和要點(diǎn),同時(shí)在基坑的不同部位針對(duì)性地設(shè)置了雙排樁支護(hù)和單排樁加設(shè)一道支撐的支護(hù)形式,對(duì)比了不同支護(hù)形式的樁身變形、內(nèi)力以及坑外沉降的差異。

        1 工程簡(jiǎn)介

        天津金鐘河大街地塊項(xiàng)目基坑工程位于天津市河北區(qū),擬建工程建筑包括6 棟高層建筑、4 棟多層建筑及一層地下室(局部地下二層)。基坑開(kāi)挖面積約25700m2,開(kāi)挖深度為4.5m。

        場(chǎng)地北側(cè)為趙沽里大街,西側(cè)鄰靖辰公寓。公寓外側(cè)為規(guī)劃道路群芳路,道路下存在已運(yùn)營(yíng)地鐵線路地鐵5 號(hào)線,此區(qū)域?yàn)槎軜?gòu)。南側(cè)鄰天江里小區(qū),東側(cè)為中國(guó)聯(lián)通院落,內(nèi)有2 層營(yíng)業(yè)大廳和通信鐵塔。工程與周邊道路情況如圖1所示。

        圖1 工程場(chǎng)地周邊環(huán)境圖

        該基坑涉及深度范圍內(nèi)各土層土性指標(biāo)統(tǒng)計(jì)和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見(jiàn)表1。

        表1 基坑影響范圍內(nèi)土體物理力學(xué)指標(biāo)

        2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工

        2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式

        基坑整體開(kāi)挖深度為4.5m,地下結(jié)構(gòu)西側(cè)距用地紅線最近3.6m,并且用地紅線外7.4m 為6 層住宅,采用傳統(tǒng)懸臂支護(hù)無(wú)法確保周邊建筑物及地鐵線路的安全,如果采用單排樁加整體一道水平支撐的方案則會(huì)造成出土困難,并增加工期和造價(jià)。綜合考慮下,決定在南側(cè)場(chǎng)地開(kāi)闊處采用放坡開(kāi)挖,大部分位置采用A-A 剖面斜直交替樁支護(hù)結(jié)構(gòu),局部采用B-B 剖面雙排樁支護(hù)做對(duì)比段,角部采用C-C 剖面預(yù)制樁加支撐的支護(hù)形式做對(duì)比段?;悠矫娌贾萌鐖D2 所示。

        圖2 基坑支護(hù)平面布置圖

        A-A 剖面斜直交替支護(hù)采用了樁長(zhǎng)11m、間距1.7m 的375mm×500mm 矩形預(yù)制樁,截面外方內(nèi)圓,中空?qǐng)A形直徑210mm,混凝土強(qiáng)度等級(jí)C80,預(yù)應(yīng)力鋼筋布筋方式為12?10.7mm 預(yù)應(yīng)力鋼棒,螺旋箍筋為?5@100,截面形式如圖3 所示。B-B 剖面雙排樁支護(hù)的前/后排樁長(zhǎng)均為11m,排距2.2m,前排樁為間距1m 的375mm×500mm 矩形預(yù)制樁,后排樁為?600@2000 的灌注樁。C-C 剖面采用樁長(zhǎng)10m、間距1m 的375mm×500mm 矩形預(yù)制樁,并在樁頂處設(shè)置一道鋼筋混凝土支撐。上述3 個(gè)剖面如圖4 所示。

        圖3 預(yù)制樁截面形式(單位:mm)

        圖4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面(mm)

        2.2 斜樁支護(hù)的施工與土方開(kāi)挖

        A-A 剖面設(shè)計(jì)的斜樁傾斜角度為20°,采用專用斜樁機(jī)進(jìn)行靜壓法施工。施工前,根據(jù)設(shè)計(jì)傾斜角度并結(jié)合下返深度和設(shè)備高度分別計(jì)算樁位線、入土線和對(duì)位線。在樁位復(fù)核無(wú)誤后,根據(jù)支護(hù)設(shè)計(jì)圖紙并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況劃分施工區(qū)段,安排沉樁的先后次序,按順序施工傾斜樁,以控制擠土效應(yīng)。斜樁靜壓機(jī)在樁位對(duì)正,夾持器抱緊,設(shè)備調(diào)平后進(jìn)行斜樁的壓入。

        施工斜直交替支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí),先將直樁壓至地坪,再施工斜樁。斜樁先施工至自然地坪后,再二次送深至設(shè)計(jì)標(biāo)高。連續(xù)的施工區(qū)段接處還需要預(yù)留2~3 根樁與下一區(qū)段統(tǒng)一二次送深至設(shè)計(jì)標(biāo)高。斜樁與直樁的樁頂用冠梁剛性連接在一起,冠梁寬度不宜小于樁截面高度+200mm,高度不宜小于樁截面高度的0.6 倍。

        在支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度滿足開(kāi)挖條件且坑內(nèi)地下水位以下土方得到有效降水疏干后,根據(jù)分層、分段的對(duì)稱、均衡、適時(shí)的原則開(kāi)挖基坑。開(kāi)挖時(shí)要注意挖土機(jī)械不能碰撞或損害支護(hù)樁,并注意保護(hù)斜直交替樁間土。基坑開(kāi)挖工作于2019 年6 月完成。

        3 基坑變形監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

        為了確?;拥陌踩_(kāi)挖,并研究斜樁支護(hù)的應(yīng)用效果,該工程對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中的樁頂位移、支護(hù)樁深層位移、周邊道路及建筑物沉降進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。其中矩形預(yù)制樁的側(cè)移采用基坑測(cè)斜儀進(jìn)行測(cè)量,在帽梁澆筑前將測(cè)斜管放入空心矩形樁內(nèi)。為了既能保證測(cè)斜管居中,從而正確反映樁身變形,又不影響預(yù)制樁的剛度,在矩形樁內(nèi)交替灌注1.5m 深的沙子和0.3m 厚的砂漿以固定測(cè)斜管,使測(cè)斜管能夠準(zhǔn)確反映支護(hù)樁的變形情況。

        基坑開(kāi)挖完成時(shí),A-A 剖面、B-B 剖面和C-C 剖面的支護(hù)樁測(cè)斜結(jié)果如圖5 所示。

        圖5 開(kāi)挖完成時(shí)支護(hù)樁測(cè)斜結(jié)果

        從圖5 可以看出,3 種支護(hù)的樁身變形模式相似,都類似于樁頂加水平支撐的單排樁變形。其中A-A剖面斜直交替樁支護(hù)的直樁最大水平位移為12.51mm,斜樁為11.95mm;B-B 剖面雙排樁支護(hù)前排樁最大水平位移為14.11mm;C-C剖面單排樁加一道支撐支護(hù)樁的最大水平位移為8.27mm。測(cè)斜結(jié)果表明,在該基坑支護(hù)形式設(shè)置條件下,3 種圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形均較小,采用斜直交替樁支護(hù)的變形略大于帶支撐的單排樁支護(hù),略小于雙排樁支護(hù)。

        計(jì)算斜直交替樁支護(hù)和雙排樁支護(hù)的每延米造價(jià)匯總見(jiàn)表2。取鉆孔灌注樁造價(jià)1500 元/m3,375mm×500mm 預(yù)制樁210 元/m,帽梁和連梁1500 元/m3。由表2 可知,A-A剖面斜直交替支護(hù)和B-B 剖面雙排樁支護(hù)相比,每延米造價(jià)能節(jié)省3075 元,在滿足基坑變形控制要求和施工條件的前提下選擇斜直交替支護(hù)可以降低工程造價(jià)。

        表2 A-A 剖面和B-B 剖面支護(hù)結(jié)構(gòu)每延米造價(jià)對(duì)比

        基坑西側(cè)周邊建筑和地表沉降的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,B-B 剖面和A-A 剖面對(duì)應(yīng)的最大坑外地表沉降分別為6.21mm 和6.34mm,西北角C-C 剖面的地表沉降為5.28mm。3 種支護(hù)形式的坑外地表沉降量比較接近。距離B-B 剖面和A-A 剖面的最近建筑物沉降最大值分別為2.29mm 和1.69mm。以上結(jié)果表明,采用斜直交替樁支護(hù)可以較好地控制基坑開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境的影響。

        4 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

        4.1 有限元模型建立

        為了進(jìn)一步探究斜直交替樁支護(hù)的變形規(guī)律,該文參照該工程的支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面分別建立雙排樁支護(hù)、斜直交替支護(hù)和單排樁加水平支撐支護(hù)的數(shù)值模型。將B-B 剖面雙排樁支護(hù)的前后排樁均換為375mm×500mm 預(yù)制樁,樁間距1.7m。此時(shí)雙排支護(hù)樁與A-A 剖面斜直交替支護(hù)樁的剛度相同。在單排樁加一道水平支撐的計(jì)算模型中,支護(hù)樁同樣采用375mm×500mm 矩形預(yù)制樁,樁間距為0.85m 和11m。

        使用有限元軟件Plaxis2D 建立3 種支護(hù)形式的數(shù)值模型,并進(jìn)行對(duì)比和分析。模型高度和模型左側(cè)邊界至支護(hù)樁距離取25m,模型底面施加雙向約束,兩側(cè)施加法向約束。土體本構(gòu)模型采用小應(yīng)變硬化土模型,排水類型為不排水,考慮基坑開(kāi)挖過(guò)程中坑內(nèi)降水對(duì)變形的影響[11],土體參數(shù)見(jiàn)表3。根據(jù)等效剛度原則,支護(hù)樁等效為板單元,樁體彈性模量取38000MPa,泊松比取0.2。水平支撐用錨錠桿單元模擬,支護(hù)樁與土體的接觸面采用界面單元來(lái)模擬。A-A 剖面的模型網(wǎng)格劃分如圖6 所示。

        表3 土體模型計(jì)算參數(shù)

        圖6 A-A 剖面有限元模型網(wǎng)格劃分

        4.2 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

        開(kāi)挖至坑底時(shí),不同支護(hù)形式的樁身水平位移和坑外沉降的對(duì)比如圖7 所示。

        圖7 3 種支護(hù)形式的樁身水平位移和坑外沉降的對(duì)比

        當(dāng)樁身剛度相同時(shí),斜直交替支護(hù)的最大水平位移為11.74mm,雙排樁支護(hù)的前后排樁最大水平位移均為20.63mm,斜直交替支護(hù)最大水平位移比雙排樁支護(hù)減少了43.14%。2 種支護(hù)形式的樁身水平變形模式相近,并且最大水平位移都出現(xiàn)在樁頂處。排樁加水平支撐的樁身最大位移為8.98mm,發(fā)生在距離樁頂3.16m 位置處,樁頂位移為8.06mm。與斜直交替支護(hù)相比,排樁加水平支撐支護(hù)的樁頂位移減少了2.99mm,最大水平位移減少了3.68mm。以上結(jié)果說(shuō)明斜直交替支護(hù)控制樁頂位移的能力優(yōu)于雙排樁支護(hù),略差于帶水平支撐的單排樁支護(hù),并且斜直交替支護(hù)的最大位移較小,與帶水平支撐的排樁支護(hù)相近。這是由于斜直交替支護(hù)結(jié)構(gòu)隨開(kāi)挖向坑內(nèi)偏移時(shí)斜樁受壓,因此其水平分力對(duì)直樁起到支撐作用,使樁身變形模式類似于帶水平支撐的“內(nèi)凸式”[12]。

        由于斜直交替支護(hù)斜樁的斜撐作用限制了坑內(nèi)土體的隆起,因此使靠近樁底部分斜直交替支護(hù)的水平位移略大于雙排樁支護(hù)。與監(jiān)測(cè)結(jié)果相比,數(shù)值模擬結(jié)果的樁頂水平位移偏大,原因可能是二維數(shù)值模擬沒(méi)有考慮帽梁的空間作用對(duì)支護(hù)樁頂變形的約束作用。

        3 種支護(hù)形式的沉降曲線均為凹槽形,類似于帶水平支撐的基坑支護(hù)坑外沉降曲線。斜直交替支護(hù)的最大坑外沉降值為9.71mm,比雙排樁支護(hù)減少了37.91%;帶支撐的單排樁支護(hù)最大坑外沉降值為7.47mm,比雙排樁支護(hù)減少了52.24%。通過(guò)以上對(duì)比可以得知,在支護(hù)樁剛度和樁長(zhǎng)相同的情況下,斜直交替支護(hù)限制坑外沉降的能力介于雙排樁支護(hù)和帶水平支撐的單排樁支護(hù)之間。

        不同支護(hù)形式的樁身彎矩的對(duì)比如圖8 所示。3 種支護(hù)形式的彎矩隨深度的變化基本一致,均產(chǎn)生反彎點(diǎn)。帶水平支撐的單排樁最大正彎矩為94.1kN·m,略大于其他2 種支護(hù)的彎矩。斜直交替支護(hù)斜樁和雙排樁支護(hù)前排樁的最大彎矩值為87.6kN·m 和70.7kN·m,分別大于對(duì)應(yīng)各自直樁和后排樁的最大彎矩值,原因可能是斜樁和前排樁分配到的土壓力更多。與雙排樁相比,斜直交替支護(hù)樁身彎矩的反彎點(diǎn)更靠近樁底,并且樁身最大正彎矩較大,這也說(shuō)明了斜直交替支護(hù)對(duì)變形的控制能力優(yōu)于雙排樁支護(hù)。

        圖8 3 種支護(hù)形式的樁身彎矩對(duì)比

        5 結(jié)語(yǔ)

        該文以天津金鐘河大街南側(cè)地塊項(xiàng)目基坑工程為基礎(chǔ),對(duì)預(yù)制樁斜直交替支護(hù)在基坑工程中的變形進(jìn)行了對(duì)比和分析。得出如下結(jié)論:1)斜直交替樁的斜樁對(duì)直樁的斜撐作用使斜直交替支護(hù)的樁身位移模式為“內(nèi)凸式”,坑外沉降曲線為凹槽形,類似于帶水平支撐的排樁支護(hù)。2)斜直交替支護(hù)的帽梁將直樁與斜樁剛接,起到了協(xié)調(diào)斜直樁變形和傳遞相互作用力的作用,因此在設(shè)計(jì)和施工時(shí)要使帽梁截面滿足剛度和受力要求,確保帽梁能夠起到將直樁和斜樁剛接的作用。3)在支護(hù)樁剛度和樁長(zhǎng)相同的情況下,斜直交替支護(hù)限制樁頂水平位移和坑外沉降的能力介于帶支撐的排樁支護(hù)和雙排樁支護(hù)之間,并且樁身最大水平位移、彎矩與帶支撐的排樁支護(hù)較接近。4)當(dāng)基坑開(kāi)挖深度較小但傳統(tǒng)懸臂支護(hù)的計(jì)算變形過(guò)大時(shí),可以考慮采用斜直交替的預(yù)制矩形樁支護(hù)的形式,避免設(shè)置水平支撐體系,既能節(jié)省造價(jià),又能加快基坑開(kāi)挖進(jìn)度。

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