基于桩—弹簧模型芜申运河城区段三排桩支护受力验算分析

钱大心　刘文艺

摘 要：芜申运河芜湖城区段退建工程采用三排桩支护结构形式，通过本项目实际工程案例，介绍了工程地质条件、支护设计参数和施工流程，并基于桩-弹簧模型对典型断面（K0+480）桩基受力情况进行验算分析;分析得到三排桩桩顶水平位移基本一致，达到19.4mm，桩基最大弯矩达到1067.7kNm，桩基最大剪力达到468.4kN，两者都位于前排桩;桩基最大轴力为652.5kN，位于后排桩;芜申运河芜湖段退建工程三排桩支护形式开创先河，为类似工程提供宝贵经验。

关键词：桩-弹簧模型;三排桩支护;受力验算;弯矩;剪力

中图分类号：U615           文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2019）05-0063-02

芜申运河芜湖市城区段扩建拓宽工程中，其因周边高层林立及地质条件较差，为控制周年建筑位移，工程支护结构采用多排桩支护形式;我国对多排桩围护结构的研究起始于20世纪90年代初，目前主要集中于基坑工程中双排桩的受力机理与设计计算方法研究，国内双排桩支护结构尚未有成熟可靠的设计方法，受力机理、边界条件与计算方法等缺少系统的研究[1-2]。三排桩的研究成果则几乎空白，设计并无规范可依，在边坡工程中仅有少数的应用与研究，其工作机理、桩-土相互作用规律以及滑坡推力分配等问题研究结果仍不太丰富，设计计算仍处于半理論半经验阶段[3-4]。

1 工程概况

芜申运河原称芜太运河，古称胥河，是沟通长江、水阳江、青弋江与太湖的人工运河，位于长江三角洲河网地区，横跨安徽、江苏、上海两省一市，全长296公里。芜申运河芜湖市城区段自青弋江入江口至袁泽桥，长约4.3公里。

（1）水文地质条件。芜申运河芜湖段设计最高通航水位：清弋江入江口～大砻坊9.6m（城市防洪要求）、清水10.89m（20年一遇）;设计最低通航水位（98%保证率）：清弋江入江口1.39m、大砻坊1.46m、清水1.69m。

（2）地形地貌。芜申运河青弋江口～荆山河口段航道位于长江下游南岸的平原地带，大部分为地形平坦开阔、河渠交错的平原圩区，主要有芜当联圩、麻风圩（城南圩）、荆山圩;另有少量微丘分布，主要有荆山。圩内地面高程一般在5.0～10.0m，地势基本上呈东低西高趋势。

（3）工程地质。①1层杂填土（Q4ml）：杂色，主要由碎砖、碎砼、碎石混灰土等组成，结构复杂，松密程度不等。①2层素填土（Q4ml）：黄灰、黄色，主要由可塑粘性土组成，局部含少量碎砖、碎石。②层重粉质壤土（Q4al）：黄褐、黄灰色，可塑～软塑状态，含少量铁锰氧化物，局部夹、间粉砂、细砂。③层淤泥质重粉质壤土（Q4al）：深灰、灰黑色，流塑状态，有腥臭味。④层重粉质壤土（Q4al）：灰绿、灰色，软塑～可塑状态。为软土和硬土的过渡层。⑤1层粉质粘土（Q4al）：黄灰、灰黄、褐黄等色，硬塑，局部坚硬、可塑状态，含铁、锰结核，夹重粉质壤土。⑤2层重粉质壤土（Q4al）：黄灰、褐黄、黄等色，硬塑～坚硬状态，含有铁、锰结核。⑥层重粉质壤土夹中粉质壤土（Q4al）：灰、深灰色，可塑，局部软塑，夹多层砂壤土、薄层粉砂、细砂。⑦层粉质粘土（Q3al）：黄褐色，硬塑，局部可塑，夹重粉质壤土，局部含砾石，砾石含量随深度增加而增大，为岩石风化残积土。

（4）断面选取。选取依托工程典型的K0+480断面（B区段）作为研究分析断面，计算断面施工现场环境如图1所示。

2 设计及施工方案

桩基础设计与布置如图2，前排桩采用φ1200@1500钻孔灌注桩，中后排桩采用φ1200@2400钻孔灌注桩，桩长均为28.8m，持力层为中风化安山质角砾岩，钢筋混凝土底板厚1500mm;灌注桩桩间以及岸坡采用φ600水泥搅拌桩框格型布置;所有围护结构均采用C30混凝土。

三排桩结构施工方案如图3，防洪墙退建工程施工步骤：①新防洪墙钻孔灌注桩及桩间水泥搅拌桩施工;②新防洪墙底板及墙身施工;③原防洪墙拆除及桩前岸坡从地表10.60m高程开挖至高程7.0m处;④岸坡开挖至高程5.5m处;⑤岸坡开挖至高程4.0m处;⑥灌注桩挂板施工及桩前水泥搅拌桩施工;⑦岸坡开挖至高程2.5m处;⑧岸坡开挖至河底高程-1.8m处;⑨护坡施工及岸坡压脚施工;⑩挡水围堰挖除。

由于三排桩支护结构设计无规范可循，缺乏工程实践经验，方案设计与结构抗倾覆验算时，暂未能考虑中间一排桩的有利作用。设置三排桩实际上缩短了排桩的间距，增强了三排桩结构整体刚度与空间组合效应，同时影响了桩间土拱效应，理论上相对于双排桩结构能更好地阻止桩间土流失发生绕桩破坏。

3 桩-弹簧计算模型及分析

3.1 计算模型

荷载结构法是我国目前广为采用的地下结构设计方法，计算时先按地层分类法或由实用公式确定地层压力，保证衬砌结构能安全可靠地承受地层压力等荷载的作用下，按弹性地基上结构物的计算方法计算衬砌的内力，并进行结构截面设计[5]。三排桩看作弹性地基上的刚架结构，开挖引起的不平衡土压力作用在三排桩结构上。具体土层参数如表1。

计算时考虑4.0m以下边坡自身稳定，考虑墙前三角形坡土体对抗滑桩的有利作用高度为1/3坡高。简化后，深基坑深度取10.6-（-1.80）-1/3×（4.0+1.80）=10.5m。

按三排桩计算，桩顶标高为地面下2.6m，桩长28m，入土深度20.1m。前排桩径1.2m，桩间距1.49m;后两排桩径1.2m，间距2.4m;连梁厚度1.5m。前中排桩间距4m，中后排桩间距3.8m。弹性模量均按照C30混凝土计算（E=30000MPa），按桩土间的面积计算桩的等效刚度。坑外水位按地面下2m计算，坑内水位按坑底计算，按后排桩外地面超载10kPa计算。

3.2计算结果

通过同济大学曙光分析软件计算可得每排桩内力计算结果如表2：

3.3监测分析

现场监测结果显示：①随着开挖进行，新防洪墙灌注桩测斜累计值逐渐增加，防洪墙桩基变形明显受到岸坡土方卸载施工影响，且越接近坡底土方卸载施工步对桩基倾斜影响越大，尤其是从高程2.5m卸载至高程-1.8m的施工步;②土方卸载至坡底-1.8m时，新防洪墙灌注桩累计最大位移达到9.53mm，经过多次监测，数据已趋于稳定，在规范允许值范围以内，表明围护方案可靠，并且比较经济合理。

4 主要结论

基于桩-弹簧模型对芜申运河芜湖城区退建工程三排桩支护结构受力验算，得出如下主要结论：

（1）基于桩-弹簧模型三排桩支护形式受力分析可知，三排桩桩顶水平位移一致，可达到19.4mm，桩顶连梁刚度较大，可保证桩基顶部变形位移协调。

（2）三排桩支护形式中，前排桩所受弯矩最大值可达到1067.7kN×m，前排桩剪力最大值达到468.4kN，轴力最大位于中排桩，可达652.5kN。

（3）测斜监测数据显示，随着开挖深度增加，测斜数值不断增加，三排桩最终桩顶水位位移可达到9.53mm，在规范允许值范围以内，围护方案可靠。

（4）采用桩-弹簧模型可为河道边坡卸载设计与施工提供有益的参考，为后续的类似工程积累经验、提供参考。