软土深基坑中双排桩临时支护与永久结构结合的应用与探讨

聂耳清

(广东省水利电力勘测设计研究院,广东 广州 510635)



软土深基坑中双排桩临时支护与永久结构结合的应用与探讨

聂耳清

(广东省水利电力勘测设计研究院,广东 广州 510635)

水利工程施工中,由于周边建筑物影响,没有场地条件进行自然放坡开挖需要临时支护结构来形成基坑,基坑的临时支护,一般在主体工程完工后,就已完成其功能使命,失去效用。该文以广东某深厚软基水闸工程为例,施工期利用双排桩进行水闸基坑支护,运行期继续作为上下游连接段翼墙的基础部分发挥效用,探讨双排桩临时支护与永久结构相结合的应用经验。实践证明,计算模型结果与实测结果较接近,对类似工程有一定的参考价值。

软土深基坑；双排桩支护；临时支护与永久结构结合

1 概述

双排桩支护结构是深基坑支护中常用的一种支护形式,它是由前、后排两排平行的钢筋混凝土桩及桩顶的冠梁及连梁组成的框架式空间结构[1]。水闸工程中,需要的施工空间较大,双排桩支护结构由于不需要架设内支撑,方便水闸的施工及基坑的形成。双排桩具有较大的侧向抗弯刚度,能有效的限制侧向变形,适用对于周边有密集建筑物的场地。一些学者已经对双排桩的作用机理做过很多的研究和总结,其中多数是将双排桩支护结构简化成平面计算横型,不同的是在模拟桩土间作用、桩底约束及前后排桩土压力计算上不同。有学者[2]对各种计算模型作过总结,认为采用土弹簧来模拟前后排桩间土作用,前排桩基基坑底面以下采用土弹簧来提供抗力[3],弹簧刚度系数根据m法来求,后排桩受到主动土压力的计算模型较为合理。广东某已建成水闸工程施工期采用双排桩进行基坑支护,并利用双排桩支护结构作为翼墙的基础,继续发挥效用,本文通过上述模型对双排桩支护结构及永久的翼墙结构进行模拟分析,并与实测结果进行对比分析。

2 计算模型

本文的计算模型是基于Winkler假定而提出的一种计算方法。双排桩支护采用门式框架杆系模型进行,排桩之间土体的作用以土弹簧模拟,弹簧系数K=Es/H(Es为土体的压缩模量,H为桩间土土层厚度)[4]。前排桩入土段亦采用土弹簧进行模拟,弹簧系数根据m法进行计算。本模型假定主动土压力全部作用于后排桩上,土压力通过前后排桩间的土弹簧进行传递。该模型,设置土弹簧模拟土体与前后排桩的相互作用,避免了人为分配前后排桩的土压力荷载,与现行《建筑基坑支护技术规范》(JGJ 120—2012)推荐的计算方法基本一致。

图1 双排桩计算模型示意

采用ANSYS对双排桩支护结构进行模拟计算,土弹簧采用COMBIN 14单元模拟,灌注桩采用BEAM 18单元模拟。

3 工程概况

广东省某水闸,1孔,单孔净宽60 m,采用升卧式翻板闸门,由于闸门开启时卧于闸底板上,底板厚度较大,基坑开挖深度较大,紧临水闸右岸有一厂房,需要进行基坑支护,基坑深度达13.5 m。该水闸工程地质情况复杂,淤泥层厚,呈流塑状,含水量高。场地地基土分布及物理力学指标见表1。

表1 地层结构及土的物理力学性质指标

4 基坑支护方案

据勘察资料,淤泥含水量达到72.9%,高压缩性,呈流塑状,天然承载力40～70 kPa,承载力低。

本工程基坑底高程为-11.5 m,路面高程为2.0 m,基坑深度达到13.5 m。路面距基坑有一定距离,自然坡度为1∶5,自然坡到基坑边的高程为-3.0 m,基坑垂直开挖高度达到8.5 m。由于基坑深度较大,且地质条件较差,为深厚淤泥层,采用常规的钢板桩支护、单排钢性桩支护难以承受如此大的水平侧向土地压力,同时基坑为非封闭的开放式基坑,没用条件采用排桩加支撑的支护方式,故考虑采用双桩桩进行支护方案。

施工期采用双排灌注桩对基坑进行支护,并对双排桩桩间淤泥采用搅拌桩进行加固,置换率达到25%；主体工程完成后,利该双排支护结构作为基础新建挡土墙。施工期支护断面及挡土墙结构断面详见图2和图3。

5 计算分析

5.1 计算参数取值

模型中淤泥层的取值直接影响到计算结果。

淤泥层入土段弹簧系数根据m法计算,m值根据《建筑基坑支护技术规范》(JGJ 120—2012)公式4.1.6式计算得淤泥层m值为0.62 MN/m4；前后排桩桩间淤泥采用搅拌桩进行加固,置换率为25%,搅拌桩桩体Es=100fcu=32 MPa,按百分占比计算得加固后土体Es=8.91 MPa。

图2 施工期支护结构断面

图3 完工后挡土墙结构断面

5.2 桩径选择

深基坑钻孔灌注支护中,常用的桩径有1.0 m和1.2 m桩径。本文选取该两种桩径进行比选。考虑前后两排均采用密排布置进行模拟分析,计算工况选取施工期支护工况。水平位移及内力计算结果见图4和图5。由结果云图可知,1 m桩径的最大水平位移为64.4 mm,桩体最大变矩为1 960 kN·m；1.2 m桩径的最大水平位移为48.1 mm,桩体最大变矩为2 580 kN·m。1 m桩径的水平位移较大,由于桩径较小,计算出的最大弯矩值较小。虽然相对1.2 m桩径,1.0 m桩径的工程投资较优,但考虑到基坑周边有厂房,64.4 mm的位移偏大,为安全起见,选取1.2 m桩径。

5.3 桩间矩选择及排间选择

1) 桩距分析

由于本工程淤泥为流塑状,为防止淤泥从桩间流出,前排桩采用密排布置,后排桩间距选取密排布置,2d(桩径)及3d(桩径)3种方案进行分析。比选工况选取施工期支护工况。后排桩密排布置计算结果见图6和图7；计算结果对比见表2。

表2 后排桩不同桩距计算结果对比

图4 1 m桩径位移云图

图5 1 m桩径弯矩云图

图6 1.2 m桩径位移云图

图7 1.2 m桩径弯矩云图

由表2可知,2d桩距及3d桩距整体位移过大,且后排桩弯矩较大,经比选,选择水平位移较小密排布置方案。

2) 排距选择

排距选择,已有不少学者做过研究,本文不在进行比选,桩距选择采用参考文献4中的建议值,取5d(桩径)[1]。

6 计算结果

根据上述分析成果,施工期采用双排灌注桩支护桩径为1.2 m,前后排桩均采用密排布置,排距为 6 m；支护桩施工完成后,先浇筑挡墙底板作为前后排桩的连系结构,等基坑内主体结构完工回填完成后,浇筑挡墙面板并填土至设计高程。挡墙底板顶高程为-3.0 m,挡墙墙顶高程为1.0 m,墙高为4 m。结构断面见图2和图3。

本文采用ANSYS软件建模进行支护结构的内力及位移计算。施工期支护计算结果见图6和图7；完工后挡墙结构计算结果见图8和图9。

计算结果统计表见表3。施工期水平位移与完工后水平位移相差不大,均小50 mm,桩身弯矩略有变小。两种工况计算结果均满足设计要求。

图8 完工后位移云图

图9 完工后弯矩云图

表3 各工况计算成果

7 实测结果

施工开挖过程中,在前后桩各布置一个测斜管观测桩体水位位移,由于观测费用有限,没有对桩体的内力进行观测。观测结果见图10和图11(注：图中每条每条曲线代表一个观测日期的数据)。

图10 前排桩测斜孔实测值

图11 后排桩测斜孔实测值

挡墙填土至设计高程后,对挡墙墙顶位移进行观测,墙顶水平位移基本稳定在38.9 mm附近。计算结果与实测结果见表4。实测水平位移曲线与计算位移曲线走势基本一致,最大水平位移计算值均比实测值大了10 mm左右,计算精度满足设计要求,表明本次选取的计算模型对实际情况模拟度较好。

表4 计算结果与实测结果对比

8 结论与建议

本文通过对双排支护桩桩径及桩距的选取进行了对比分析,对双桩排临时支护与永久结构结合结构进行计算并与实测结果对比分析,主要结论与建议如下：

1) 本文选取的计算模型以土弹簧模拟桩间土的作用是合理的,对实际情况模拟满足工程精度要求。

2) 本工程淤泥为流塑状,含水量高,敏感性高,施工时应尽量减少对该土层的扰动,本文采用双排桩进行支护,有效减少了对淤泥的开挖和扰动,永久挡墙对临时支护进行了有效的利用。工程建成后,永久挡墙运行稳定良好,为相关类似工程积累了一定经验。

3) 增加桩径,能在一定程度上减少结构的整体水平位移,但会较大幅度的提高工程投资,在选取桩径时应综合考虑安全与经济的最大化,必要时对前后排桩选取不同桩径进行比选。

4) 对于流塑性淤泥,由于桩间土无法形成土拱效应,建议前排桩密排布置,防止淤泥从桩间空隙流出。

[1] 王昱蘅,董必昌,冯晓腊,等.双排桩支护结构受力参数影响分析[J].科技导报,2009(14):64-68．

[2] 马郧,徐光黎.深基坑双排桩支护结构计算方法及工程应用[J].人民长江,2012(10):20-23．

[3] 陈小惠.锚杆排桩深基坑围护工程实践[J].广东水利水电,2004(S2):46-47．

[4] 何亚飞,杨敏.双排桩支护结构的计算模型对比分析[J].低温建筑技术,2009(9):109-111.

(本文责任编辑 马克俊)

Application and Discussion of Double-row Piles Temporary Supporting Combined with Permanent Structures in Deep Soft Clay Foundation Pit

NIE Er’qing

(Guangdong Water Power Investigation and Design Institute, Guangzhou 510635, China)

During water conservancy construction, due to the influence of surrounding buildings, there is no condition to form a foundation pit by large-scale excavation, so the temporary supporting structure is used in this case. Usually the temporary supporting structure will lose its function when the main project is completed. Through an engineering case of deep soft clay foundation sluice in Guangdong Province, which supporting the temporary foundation pit by double-row piles structure, and also use the double-row pile structure as the foundation of the upstream and downstream wing wall to explore the application experience of combine with double-row piles temporary support structure and permanent structure. Practice has proved that, the calculation model result closer by the measured result, it has reference value for similar project.

deep soft clay foundation pit； double-row piles supporting；combine with temporary supporting structure and permanent structure

2016-05-16;

2016-06-06

聂耳清(1985),男,硕士,工程师,从事水工结构工程设计工作。

TU471+.8

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1008-0112(2016)06-0018-04