双排桩与单排桩组合多级支护结构在深大基坑中的应用

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(中南勘察设计院(湖北)有限责任公司，武汉 430071)

1 研究背景

多级支护结构主要指较大较深的基坑工程采用的多种不同形式的分级开挖支护结构。近年来，多级支护结构在深基坑工程中得到了广泛应用，如国家大剧院基坑最大开挖深度为32.5 m，由上到下分别采用排桩+锚杆、地下连续墙+锚杆和薄壁悬臂地下连续墙的多级支护方法[1]；天津嘉海花园1期工程基坑开挖深度为15.75 m，采用了单排桩+双排桩形成的2级支护结构[2]；上海虹桥综合交通枢纽基坑工程采用了3级联合支护体系[3]；天津金钟河大街项目1C地块基坑采用了双排桩与单排桩组合的多级支护方案等[4]。使用多级支护可避免大量设置内支撑，土方开挖外运方便，可显著缩短工期，减少支护造价。目前，学者们对基坑预留反压土的工作机制[5-8]研究较为透彻，而对多级支护的变形特性和稳定性研究较少，其中郑刚等[2，9]、任望东等[10]对2级支护基坑的破坏模式进行了深入的研究，提出了基坑破坏形式的3种典型模式。

本文以凯德广场古田项目深基坑工程为例，采用双排桩与单排桩组合形成的多级支护结构，减少了大面积设置内支撑，有效地解决了传统桩撑支护造价高、工期长、拆除内支撑产生的固体废弃物易造成环境污染等多方面的问题，取得了较好的社会经济效益。使用有限元方法对由双排桩与单排桩组合形成的多级支护深基坑的变形特性和稳定性进行了深入的研究，提出了整体式破坏、关联式破坏和分离式破坏分别对应的2级支护间距范围，以期为基坑设计计算提供借鉴。

2 多级支护主要形式与破坏机理

2.1 主要形式

多级支护结构主要有单排桩+双排桩、单排桩+重力式挡土墙、双排桩+重力式挡土墙、单排桩+单排桩、双排桩+双排桩组合形式，具体如图1。同时，郑刚等[11-12]提出了倾斜桩形成的多级支护结构。同理，上述2级支护还可发展为3级及以上的多级支护形式，原理相同，在此不一一列出。

图1 多级支护形式Fig.1 Patterns of multi-level retaining

2.2 破坏机理

郑刚等[2]、任望东等[10]采用有限元以及MPM(Material Point Method)等方法对双排桩(第1级支护)与单排桩(第2级支护)所形成的多级支护基坑的破坏机理进行了深入的研究，得到了以下3种主要破坏形式：

(1)整体式破坏。2级支护之间土体形成一个类似整体的重力式挡土墙，发生整体的倾覆破坏，土体滑动面不进入2级支护之间土体。整体式破坏主要发生在2级支护之间水平距离较小的情况下。

(2)分离式破坏。2级支护的围护桩各自发生倾覆破坏，两组滑动面互不相交，土体滑动面进入2级支护之间土体。分离式破坏主要发生在2级支护之间水平距离非常大的情况下。

(3)关联式破坏。2级支护的围护桩各自发生倾覆破坏(但可能分先后)，两组滑动面进入2级支护之间土体，在2级支护之间相交。关联式破坏主要发生在2级支护之间水平距离介于整体式破坏和分离式破坏之间的情况下。

3 多级支护深基坑工程实例

3.1 工程简介

武汉凯德古田商用置业有限公司拟在汉口古田二路与解放大道交汇处投资兴建凯德广场古田项目，拟建工程基坑开挖深度为14.40～16.10 m，基坑周长为1 005 m，呈近似正方形，基坑开挖面积约为6.5万m2，属于超深超大基坑，基坑重要性等级为一级。基坑北侧存在已运营的轻轨1号线，该侧分布有地下管线，且基坑东侧有在建高架桥，基坑周边环境较为复杂，对周边环境的保护是本基坑支护设计重点考虑的问题。

3.2 工程地质与水文地质

拟建场区地貌单元属长江冲积Ⅰ级阶地，场区经拆迁回填整平，现地势较为平坦。在勘探深度范围内场区内覆盖层为厚度超过60 m的第四系全新统冲(洪)积地层，具有典型的二元结构，下卧基岩为背斜且核部志留系坟头群泥岩地层。本场地整平地面标高为绝对标高+24.000 m，基岩埋深在地面以下60～65 m深度处。图2为典型工程地质剖面。

图2 典型工程地质剖面Fig.2 Typical engineering geological profile

场地地下水主要分为上层滞水、孔隙承压水2种类型。上层滞水主要赋存于人工填土之中，接受大气降水和地表积水垂直及侧向的渗透补给，多以蒸发方式排泄，无统一自由水面，水位及水量随大气降水的影响而波动。孔隙承压水主要存在于下部粉细砂、卵砾石层之中，与汉江有密切的水力联系，其水位变化受汉江水位变化影响，呈互补关系，水量丰富，地下承压水水头标高约为17.35 m。

3.3 多级支护结构

由于基坑开挖深度达14.40～16.10 m，一般需要设置内支撑才能满足变形控制要求，但本基坑开挖面积巨大，达6.5万m2，如果设置大量内支撑，势必影响土方开挖和外运，并且内支撑前期浇筑、后期的拆除均需要一定时间，将严重影响工期，同时内支撑拆除之后会产生大量固体废弃物，造成资源浪费和环境污染。因此本基坑考虑主要使用如下几种支护形式(基坑支护结构平面布置见图3)：

图3 基坑支护结构平面布置Fig.3 Layout plan for the support structure of foundation pit

(1)基坑4个角部区域使用单排桩+两道钢筋混凝土支撑。

(2)其余部位使用双排桩+坑内留土，在留土空间不足的南侧JJ′ 段与西侧M′N′段区域使用双排桩(第1级支护)和单排桩(第2级支护)组成的多级支护结构。

对于本基坑的南侧JJ′段与西侧M′N′段多级支护结构，具体支护信息如下：

(1)南侧JJ′ 段：双排桩(第1级支护)中的前、后排桩桩径1 m，桩间距1.5 m(局部后排桩桩间距3 m)，桩长28 m，排距为3 m；单排桩(第2级支护)桩径0.9 m，桩间距3 m，桩长18 m；第1级支护与第2级支护之间的留土宽度为9.6 m，留土高度6.7 m，留土未加固；该支护段开挖深度为16.1 m。

(2)西侧M′N′段：双排桩(第1级支护)中的前、后排桩桩径1 m，桩间距1.5 m，桩长28 m，排距为3 m；单排桩(第2级支护)桩径0.9 m，桩间距1.2 m，桩长15.5 m；第1级支护与第2级支护之间的留土宽度为5.4 m，留土高度6.7 m，留土加固；该支护段开挖深度为16.1 m。

图4为南侧JJ′段支护剖面，图4中括号内数值为西侧M′N′段留土宽度，前排桩指靠近基坑开挖侧的支护桩，而后排桩指远离基坑开挖侧的支护桩，H为留土高度，B为2级支护间距。

图4 南侧JJ′段支护剖面Fig.4 Profile of support structure in JJ′ segment on the south side

图5 数值分析模型Fig.5 Numerical analysis model

4 多级支护结构深基坑数值分析

4.1 数值分析模型

目前，传统的基坑设计计算软件无法考虑多级支护结构的计算[13-16]，本文拟采用有限元数值分析软件对南侧JJ′段建立双排桩与单排桩组成的多级支护深基坑模型。模型宽度为150 m，高度为70 m，土层采用四边形平面应变单元模拟，双排桩、单排桩及连梁采用梁单元模拟，模型单元尺寸控制在1 m以内，共10 733个单元。根据实际施工工况对模型进行应力分析，并在基坑开挖至底部时，使用强度折减法(SRM)进行基坑整体稳定性分析，图5为数值分析模型。

由于本基坑存在深厚的软黏土地层，承载力较低，本次数值分析采用修正摩尔-库伦本构模型。该模型能很好地考虑土体的卸载特性，尤其适用于土质软弱的深基坑。表1为地层物理力学参数，表中参数根据场地详勘报告选取，其中E为弹性模量，ν为泊松比，γ为重度，c与φ分别为黏聚力和内摩擦角，黏聚力与内摩擦角根据直接快剪试验获得，其中土体的卸载模量考虑为2～3倍的弹性模量，对较软弱地层，如地层1、地层2-1、地层2-2、地层2-3、地层2-4，卸载模量取2倍弹性模量；对弹性模量较大的地层，如地层3-1、地层3-2、地层4-1，卸载模量取3倍弹性模量。

表1 地层物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of soil strata

4.2 实测对比

图6(a)为单排桩水平位移对比(图中XZCX05,XZCX06测点位置见图3)，图6(b)为双排桩水平位移对比。

图6 单排桩和双排桩水平位移对比Fig.6 Comparison of horizontal displacement between single-row pile and double-row pile

从图6中可知：

(1)位于同一计算剖面的XZCX05与XZCX06测点水平位移有较大差别，离角撑部位较近的XZCX05测点实测单排桩水平位移明显小于位于基坑中部的XZCX06测点，这一点正好与基坑的长边效应吻合。针对长边较长并且土质条件较差的情况，有必要对长边中部一定区域范围内的第1级支护与第2级支护之间的留土进行加固，可更好地控制基坑变形；有限元数值计算结果与XZCX06测点实测值更为接近。

(2)实测后排桩位移大于前排桩位移，而有限元数值计算结果显示双排桩前后桩位移基本一致，与实测有较大差距，但从双排桩最大水平位移数值看，模拟值与实测值基本吻合。在数值模拟中，由于连梁使用弹性本构的梁单元模拟，并且其轴向刚度较大，同时桩间土使用三轴搅拌桩加固，力学性能得到显著改善，桩间土使用弹性本构的实体单元模拟，其传力性能良好，使得前后桩模拟值呈现一致的变形规律；双排桩(第1级支护)位移明显大于单排桩(第2级支护)，本例中双排桩的计算悬臂高度为8.0 m，单排桩的计算悬臂高度为6.7 m，二者支护高度相差不大，但双排桩的侧向刚度远大于悬臂桩，产生这一现象的原因主要是留土宽度不够和留土土质条件较差。

图7为塑性区发展云图，图7中给出了示意性的临界滑裂面。本例第1级支护与第2级支护之间的留土宽度B为9.6 m，从图中模型整体塑性区开展情况可知，该破坏形式与整体式破坏相似，计算得到的安全系数为1.875。

图7 塑性区发展云图(B=9.6 m)Fig.7 Contours of the development of plastic zones

4.3 2级支护间距的影响分析

为分析第1级支护与第2级支护间距B(B详见图4)对多级支护结构深基坑变形特性和稳定性的影响，本节以图5中的数值分析模型为基础，取H=6.7 m，仅改变2级支护间距B，分析基坑变形和稳定性的变化趋势。经计算分析，基坑变形和安全系数与2级支护间距B关系如图8所示。

图8 基坑变形和安全系数与2级支护 间距B关系Fig.8 Variations of deformation and safety factor against the spacing B between two-level retaining structure

从图8中可知：

(1)随着2级支护间距B的增大，第1级支护与第2级支护的最大水平位移呈现逐渐减小趋势，并逐渐趋于稳定；第1级支护与第2级支护最大水平位移趋于稳定所对应的B有所不同，第1级支护(双排桩)最大水平位移趋于稳定所对应的B约为45 m，第2级支护(单排桩)最大水平位移趋于稳定所对应的B约为20 m。

(2)随着2级支护间距B的增大，基坑整体安全系数呈现逐渐增大的趋势，并逐渐趋于稳定；安全系数趋于稳定对应的B约为45 m，该距离与第1级支护(双排桩)最大水平位移趋于稳定所对应的B相同。

图9为多级支护基坑滑裂面，其中B1为第1级支护被动区在坑底的破裂宽度，B2为第2级支护主动区在坑顶的破裂宽度。

图9 多级支护基坑滑裂面Fig.9 Slide plane of multi-level retaining foundation pit

从经典的朗肯土压力理论出发，第1级支护与第2级支护之间的留土，作为第1级支护的被动区的同时，也是第2级支护的主动区。笔者认为当B=min(B1，B2)时，此时的2级支护间距B为整体式破坏和关联式破坏的临界点；当B=B1+B2时，此时的2级支护间距B为关联式破坏和分离式破坏的临界点；当B>B1+B2时，基坑破坏形式为分离式破坏；当min(B1，B2)≤B≤B1+B2时，基坑破坏形式为关联式破坏；当B

图10 不同2级支护间距B塑性区发展云图Fig.10 Contours of the development of plastic zones in the presence of different spacing B between two-level retaining structure

图10中依次给出了整体式破坏、关联式破坏和分离式破坏的典型破坏形式塑性区发展云图，从图10中可知：

(1)随着2级支护间距B的增大，基坑破坏形式逐步由整体式破坏向分离式破坏转化。

(2)当B=9.6 m时(见图7)，基坑破坏形式为整体式破坏；当B=14.6 m时，基坑破坏形式为关联式破坏，本文提出的整体式破坏与关联式破坏对应的临界B取B1与B2之中的较小值，即B=B2=12.8 m，处于9.6 ～14.6 m之间，可说明本文提出的多级支护结构基坑发生整体式破坏和关联式破坏对应的条件是合理的。

(3)当B=39.8 m时，基坑模型的底部塑性区开始局部区域未贯通，但2级支护之间塑性区仍有贯通的趋势，可认为2级支护基坑的破坏形式为关联式破坏，当B=44.8 m时，2级支护之间塑性区贯通的趋势由于B的增加受到限制，基本可认为2级支护的破坏形式为分离式破坏，而本例中的理论计算B值为42.4 m，处于39.8 ～44.8 m之间，即正好处于关联式破坏和分离式破坏之间，一定程度上可说明本文提出的多级支护结构基坑发生关联式破坏和分离式破坏对应的条件是合理的。当B=54.8 m时，从基坑模型的塑性区云图可以看出，此时的2级支护基坑破坏形式完全转化为分离式破坏。

4.4 留土高度的影响分析

为分析第1级支护与第2级支护之间的留土高度H(H详见图4)对多级支护结构深基坑变形特性和稳定性的影响，本节以前文的数值分析模型为基础，取B=9.6 m，仅改变留土高度H，分析基坑变形和稳定性的变化趋势。经计算分析，基坑变形和安全系数与留土高度H关系如图11所示。

图11 基坑变形和安全系数与留土高度H关系Fig.11 Variations of deformation and safety factor of foundation against the height H of earth berm

从图11中可知：

(1)随着留土高度的增加(留土高度即为第2级支护的高度)，第2级支护的最大水平位移逐渐增大，而第1级支护的最大水平位移逐渐减小，但第1级支护最大位移减小的幅度远小于第2级支护最大位移增加的幅度。当第2级支护高度达到6 m以后，继续增大第2级支护的高度，第1级支护最大位移基本不再变化。本例中第2级支护为单排桩，一般悬臂单排桩的支护高度宜为6 m，最大限度地发挥第2级支护的作用，既可控制留土的变形，同时可显著减小第1级支护的支护高度，对基坑变形的控制是有利的。

(2)随着留土高度的增加，基坑整体稳定性安全系数基本不变，并且基坑破坏形式也未发生改变。

5 结 论

本文以凯德广场古田项目深基坑工程为例，通过采用多级支护结构，减少了大面积设置内支撑，有效地解决了传统桩撑支护造价高、工期长、拆除内支撑产生的固体废弃物易造成环境污染等多方面的问题，取得了较好的社会经济效益。并使用有限元方法对由双排桩与单排桩组合形成的多级支护结构的变形特性和稳定性进行了深入的研究，主要得到了以下结论：

(1)随着2级支护间距B的增大，第1级支护与第2级支护的最大水平位移呈现逐渐减小趋势，并逐渐趋于稳定；第1级支护与第2级支护最大水平位移趋于稳定所对应的B不同。

(2)基坑整体稳定性安全系数随着2级支护间距B的增大呈现逐渐增大的趋势，并逐渐趋于稳定；安全系数趋于稳定对应的B与第1级支护最大水平位移趋于稳定所对应的B相同。

(3)提出了整体式破坏、关联式破坏和分离式破坏分别对应的2级支护间距范围，当B=min(B1，B2)时，此时的2级支护间距B为整体式破坏和关联式破坏的临界点；当B=B1+B2时，此时的2级支护间距B为关联式破坏和分离式破坏的临界点。当B>B1+B2时，基坑破坏形式为分离式破坏；当min(B1，B2)≤B≤B1+B2时，基坑破坏形式为关联式破坏；当B

(4)随着留土高度的增加，第2级支护的最大水平位移逐渐增大，而第1级支护的最大水平位移逐渐减小，但第1级支护最大位移减小的幅度远小于第2级支护最大位移增加的幅度。最大限度地发挥第2级支护的作用，既可控制留土的变形，同时可显著减小第1级支护的支护高度，对基坑变形的控制是有利的。

(5)基坑整体安全系数随着留土高度的增加基本不变，并且基坑破坏形式也未发生改变。

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