深厚砂层中衡重式双排桩深基坑支护设计实例

于 亮 程振宇 李 力

(深圳市大升高科技工程有限公司)

1 工程概况

坪山第二实验学校项目位于深圳市坪山区坪山街道竹青路草埔小区东北约300m 处，场地北侧紧邻竹青路，南侧为农田，西侧为盈典实业有限公司厂区，东侧为正在建设中的绿荫路。场地现状为荒废的农田。拟建教科研培训中心、多层教学楼、体艺科技综合楼、行政楼、培训教室等。场地±0.00 标高为绝对标高34.50m，场地西侧为两层地下室，开挖深度为8.9m（局部电梯井基坑深12.2m）；场地东侧为一层地下室，开挖深度为4.4m～6.2m。基坑开挖面积约26710m2，周长约664m。

图1 基坑平面布置俯瞰图

2 地质和水文地质条件

场地原始地貌为冲洪积平原，后经人工挖填后较为平坦开阔，场地现状为荒废的农田。本基坑开挖主要涉及土层为素填土层和粉质粘土、含砾粉质粘土及砾砂层等，大部分为强透水层，地下水非常丰富。地下水地下水位埋深埋深介于0.70m～5.10m，高程介于27.79m～33.24m，平均高程为30.57m。孔隙水主要赋存于第四系人工填土层、砾砂层中。砂层中的孔隙水具微承压性。

地层自上而下依次为：

⑴杂填土：褐红、褐黄、灰褐色，稍湿，松散～稍密，主要由粘性土堆填而成。层厚0.50m～2.60m，平均厚度1.28m。

⑵粉质粘土：褐红、褐黄、灰褐色，湿，可塑～硬塑。层厚0.50m～17.70m，平均厚度5.40m。

⑶砾砂：浅黄、灰白、灰褐色等，饱和，稍密为主，局部中密，级配良好。层厚0.60m～18.60m，平均厚度6.40m。

⑷含砾粉质粘土：褐黄、灰黑、灰褐色，湿，可塑～硬塑。层厚2.00m～35.50m，平均厚度12.56m。

⑸含碎石粉质粘土：黑、灰黑、灰褐色，主要成分为粉质黏土，稍湿～湿，硬塑状态。层厚5.10～43.00m，平均厚度19.05m。以下为微风化岩。

根据场地勘察报告，选取基坑典型的地层分布工况，表1 给出了在基坑开挖影响深度范围内地层的主要岩土物理力学参数。

表1 土层物理力学参数

3 基坑设计方案

3.1 支护选型

基坑支护设计选型条件如下：①基坑周边2 倍深度范围内无重要建筑物、管线等，基坑变形限值可适当放宽；②学校项目工期进度要求紧，支护设计结构选型考虑不干扰地下室外墙施工和基坑土方开挖；③项目跨度大，分东、西两块分期出地面，基坑支护选型不宜采用内支撑结构；④强透水层很厚，普遍在6m 以上，基坑设计必须考虑较好的止水帷幕；⑤砂层具有承压特性，锚索在深厚砂层中容易出现涌水、涌砂等问题，排除锚索方案。⑥本基坑深度约9m，悬臂桩无法满足基坑安全稳定性要求。

综上所述，基于国标基坑规范[1]表3.3.2 中所列常用基坑支护形式无法同时满足上述条件，本项目支护设计方案引入了衡重式双排桩结构。

3.2 设计方案

锚索、土钉等传统基坑支护形式对地下空间及对周边环境影响极大，在深厚砂层中容易出现涌水、涌砂现象，基坑开挖施工过程风险性较大。刘国楠等[2]首次提出了衡重式双排桩结构，该结构由上部L 型，基形衡重台(冠梁、连梁、水平连接板、侧挡土板)和下部双排桩组成见图2。

图2 衡重式双排桩支护结构示意图

L 形衡重台下双排桩前后排距为3.6m，前排桩为咬合桩(素桩和荤桩咬合形成)，主要起挡土作用兼做止水帷幕，直径1.0m，钢筋桩间距1.6m；后排桩采用旋挖灌注桩，直径1.0m，布置间距3.2m。基坑开挖深度约9.0m，前排桩嵌固深度为13.0m，后排桩嵌固深度为11.0m（见图3）。

4 有限元数值分析

4.1 模型建立

图3 衡重式双排桩支护典型剖面

本文采用有限元分析软件MIDAS GTS-NX 简化并选取关键施工阶段建模分析，主要建模原则及基本假设如下：

⑴土层采用修正摩尔-库伦模型，各土层假定为各向同性理想弹塑性体，基坑围护桩、冠梁、连梁、挡板等均假设为线弹性体。

⑵土层采用三维实体单元模拟，采用二维板单元模拟基坑的围护结构，采用一维梁单元模拟基坑的冠梁、连梁等（见图3）。土体采用四面体网格划分单元。

⑶基坑的止水帷幕采用渗透系数为0 的界面单元模拟。

⑷模型水平尺寸按基坑边外扩不小于5 倍的基坑深度即45m，竖向地层坑底以下取3 倍基坑深度。

4.2 计算工况

施工顺序：放线施工前排咬合桩及后排灌注桩→分段放坡两侧1:1.0（坑外）/1:1.5（坑内）开挖至双排桩顶设计标高→施工钢筋混凝土冠梁、连梁和压板→施工300mm 厚钢筋混凝土挡板→挡板后回填土压实密实度不低于0.93→施工排水沟以及安全护栏→基坑分层分段开挖至坑底。

表2 给出了数值分析各模拟工况。

表2 数值分析各模拟工况

4.3 数值分析计算模型

衡重式双排桩结构结合了双排桩和衡重式桩板墙结构两者的受力特性，参考胡荣华等[3-5]对衡重式桩板墙和顾问天等[6]对衡重式双排桩的研究成果，其计算基坑侧壁主动土压力分布采用土压力分配法，本文采用衡重式双排桩设计计算模型如图4 所示。

4.4 数值分析计算结果

三维计算模型网格及边界条件如图5 所示。图6 和图7 分别给出了数值分析计算水平位移云图和竖向位移云图。

图4 衡重式双排桩设计计算模型

图5 三维计算模型网格及边界条件

图6 水平位移云图(最大值18.3mm)

图7 竖向位移云图(最大值30.4mm)

5 基坑变形监测

5.1 监测方案

基坑主要监测项目：坡顶水平位移、坡顶沉降、地下水位，桩身深层水平位移。基坑监测布置方案见图8 所示。

5.2 监测数据分析

本项目共设置了13 组深层水平位移监测点（图10给出了#7 点、#8 点、#9 点的数据），前后排桩桩身水平位移变形趋势基本一致，呈现“倾覆式”横向侧移。#7 点的桩身最大水平位移为19.28mm，其余点位的桩身最大水平位移均介于7.99～19.28mm。结合现场条件分析，#7 点测点变形较大原因是：施工单位在坑边5.0～10.0m 范围设置了约50t 的钢筋加工棚，约增加了78.5kPa 附加荷载。

图8 基坑监测布置方案

图9 基坑监测现场图

图10 支护桩各监测断面桩身侧移随深度关系曲线

图11 和图12 分别给出了坑顶竖向沉降、水平位移监测结果随时间变化曲线图，180d 时基坑挖至坑底后，坑顶水平侧向变形和竖向沉降基本无明显变化。

图11 坑顶竖向位移随时间变化关系曲线

图12 坑顶水平位移随时间变化关系曲线

5.3 对比数据分析

有限元数值分析与实际基坑监测桩身深层水平位移结果对比如图13 所示。

图13 桩身横向变形随深度变化曲线

从图13 桩身横向变形随深度变化曲线对比结果可知：

⑴有限元数值分析所得支护桩身横向变形分布规律与实测结果变化趋势基本一致，水平变形曲线呈现为倾覆式。

⑵有限元数值分析结果前后排桩的侧移量均大于实测数据。

⑶有限元数值分析结果与实测值的桩顶位移差距较小，桩端差异较大，其主要原因与数值分析采用的土层变形模量取值有关。

6 结论

⑴有限元数值分析所得支护桩身横向变形分布规律与实测结果变化趋势基本一致，水平变形曲线呈现为倾覆式。

⑵衡重式双排桩作为一种新型支护结构可用于在深度9m 的深基坑，无需额外其他支锚结构即可满足基坑安全性要求，便利于土方开挖。

⑶衡重式双排桩在深度为9m 的基坑可以满足一级基坑水平变形30mm 规定的限值，适用于周边环境复杂、变形环境对变形较敏感，对于更深的基坑设计可以另结合其他支护型式。