预制矩形桩在上海软土深基坑围护结构中的受力分析与应用

陈 晨，刘全林

(1.安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001；2.上海强劲地基工程股份有限公司，上海 201800)

在基坑工程中，常用的围护结构有诸如地下连续墙、钻孔灌注桩、SMW工法桩、钢板桩等多种选择[1]，各种围护形式都有各自的优势和不足。在国家大力推行装配式建筑的今天，预制的标准化围护结构设计与应用为基坑围护提供了绿色化与装配化的前景。预制矩形桩作为其中1种预制围护结构逐渐在基坑工程得到使用。目前，国内外学者对预制矩形桩的受力、计算方法及施工技术都有较多研究[2-4]，在一些土质较好、周边环境良好的基坑应用中使用取得了不错的效果。本文以上海软土地区环境中两相邻基坑为例，通过有限元模拟结合现场实测数据分析预制矩形桩结合预应力鱼腹式钢支撑在上海软土地区基坑应用中的可靠性，为基坑工程中使用预制矩形桩围护结构的设计和施工提供参考。

1 预制矩形桩的结构型式与设计计算方法

1.1 预制矩形桩结构形式

预制矩形桩采用工厂化生产，制成成品后运送至施工现场。预制矩形桩结构如图1所示，桩顶甩筋长度为450 mm，与冠梁钢筋笼连成一体浇筑冠梁，桩身预留直径80 mm孔用于起吊构件，坑内侧桩身设置预埋件方便支撑安装时架设角钢牛腿。桩端设计为锥形，方便沉桩，预制矩形桩布置如图2所示。

图1 预制矩形桩结构

图2 预制矩形桩布置

1.2 预制矩形桩的设计计算

1.2.1 围护桩内力计算

预制矩形桩采用平面杆系结构弹性地基梁法进行分析[5]，弹性地基梁法计算示意图如图3所示，将水压力以及土压力当作荷载，内支撑简化为弹性支座，坑底以下土体视作为弹性地基，围护桩视作竖向放置在弹性地基上的梁。

图3 弹性地基梁法计算

1.2.2 预制矩形桩抗弯计算

根据规范[6]，预制矩形桩抗弯按式(1)计算

(1)

式中:MU为正截面抗弯承载力设计值；M为弯矩设计值。

1.2.3 预制矩形桩抗剪计算

根据规范[6]，预制矩形桩抗剪按式(2)计算

V≤VCS=0.25βcfcbh0+fyv(ASV/s)h0.

(2)

式中:VCS为正截面抗弯承载力设计值；V为弯矩设计值。

1.2.4 预制矩形桩裂缝计算

根据规范[6]，预制矩形桩裂缝计算按式(3)计算

(3)

式中:ωmax为计算的最大裂缝宽度；ωlim为最大裂缝宽度限值；αcr为构件受力特征系数；ψ为裂缝间纵向钢筋应变不均匀系数；σs为纵向受拉普通钢筋应力；ES为钢筋弹性模量；CS为最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离；ρte为有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率；deq为受拉区钢筋等效直径。

2 预制矩形桩的工程应用

2.1 工程概况

本项目位于上海市浦东新区，主要建筑有F1生产厂房、C1动力厂房、地下车库等，建筑物位置较分散,需开挖多个基坑，整个项目开挖面积约47 000 m2。建筑场地属滨海平原地貌类型，场地地势基本平坦，基坑开挖深度范围内分布的土层主要有素填土及局部分布的浜底淤泥、灰黄色粘土、淤泥质粘性土及砂质粉土。基坑下部分布有淤泥质粘土、软塑粘性土，土的基本物理力学参数见表1。场地地下水位埋深为0.5～0.7 m，主要依靠地表水渗入及大气降水补给。

2.2 基坑支护的围护结构设计

本文选取项目中较典型的C1动力厂房及相邻的F1生产厂房基坑做研究，2个基坑距离约24 m，开挖深度均为7 m左右，场地四周较空旷，基坑安全等级三级，环境保护等级三级。经过比选可采用SMW工法桩作为基坑竖向围护结构，因本项目整体开挖面积大，施工工期较长，型钢租赁费较高，因而采用700×300预制矩形桩代替H700×300×13×24型钢。内支撑均采用1道预应力鱼腹式钢支撑，预应力鱼腹式钢支撑作为1种装配式内支撑，不仅可以增加挖土的便利性，提高施工速度而且型钢可回收，绿色环保。剖面示意图如图4所示。围护结构设计采用启明星FRWS板桩模块进行设计，桩身内力计算结果见表2，裂缝及配筋计算见表3，桩身配筋见图5。

表1 土的基本物理力学参数

图4 F1，C1基坑剖面

表2 桩身内力计算结果

表3 预制矩形桩内力及配筋计算结果

图5 预制矩形桩配筋

3 预制矩形桩的结构受力分析与模拟

3.1 有限元模拟及网格划分

以上节所列的工程项目为研究对象，考虑到内支撑采用的预应力鱼腹式钢支撑的复杂性，数值分析采用PLAXIS2D有限元分析软件进行模拟分析。PLAXIS作为一个通用岩土工程有限元软件已大量运用于岩土工程的项目中。郝志斌等[7]利用PLAXIS研究了深基坑局部挖深对支护结构的影响。王杰等[8]利用PLAXIS2D对新型桩-土-撑组合支护体系在工程中的应用进行研究。白晓宇等[9]利用PLAXIS有限元软件研究基坑中使用桩-撑-锚组合支护体系的变形特性。王兴等[10]运用PLAXIS2D对深基坑在堆载变化情况下支护结构性状进行研究。

表4 模型中土层主要物理力学参数

表5 模型中结构构件计算参数

3.2 开挖工况

工况1：施加地面超载及预制矩形桩施工。

工况2：左侧F1基坑开挖至内支撑中心标高以下0.5 m；右侧C1基坑开挖至内支撑中心标高以下0.5 m。

工况3：放坡面层施工、内支撑施工。

工况4：土方开挖至坑底。

3.3 预制矩形桩受力分析

因左侧和右侧基坑受力具有相似性，所以本文仅对右侧C1基坑进行详细分析。桩身所受弯矩如图6、图7所示，开挖第一层土未加内支撑时，围护桩上部出现负弯矩，此时围护桩为悬臂状态，桩体坑内侧受压。架设钢支撑开挖第二层土后，支撑位置处出现负弯矩，这表明预应力鱼腹式钢支撑能够与预制矩形桩共同工作，形成整体支护效果。桩身所受剪力如图8、图9所示，在钢支撑位置处，桩身剪力图出现突变，充分说明支撑对围护桩变形的约束作用，且钢支撑+预制矩形桩的体系工作良好，对基坑变形有较好的控制作用。对比左侧和右侧预制矩形桩桩身弯矩图及剪力图，C1基坑左侧桩身最大弯矩及最大剪力均小于右侧桩，原因在于F1基坑土体开挖后，C1基坑左侧桩承受的主动土压力小于右侧桩。

图6 C1基坑左侧围护桩桩身弯矩

图7 C1基坑右侧围护桩桩身弯矩

图8 C1基坑左侧围护桩桩身剪力

图9 C1基坑右侧围护桩桩身剪力

3.4 基坑周边土体变形分析

基坑开挖完成时网格变形如图10所示，基坑两侧地面及两基坑中间地面均出现向下凹的形态。两基坑坑底网格均出现不同程度的向上凸起。

图10 基坑开挖完成时网格变形

C1基坑右侧20 m范围土体沉降曲线如图11所示，C1基坑右侧20 m范围内土体沉降随着与坑边距离的增加先增大后减小，坑边最大沉降位置距离坑边约6.5 m的位置，最大沉降为23.99 mm。两基坑中间地面沉降如图12所示，基坑中间地面沉降表现为两端小中间大的凹形，距离左侧C1基坑边约9 m位置最大沉降为35.10 mm，因为两侧基坑周边土体沉降的叠加作用导致中间沉降远大于C1基坑右侧沉降。基坑开挖过程中，C1基坑坑底土体隆起变形如图13所示，坑底隆起呈现马鞍形的形态，因为左侧F1基坑开挖土体卸荷，C1基坑左侧的隆起量小于右侧，最大隆起量为27.98 mm。

图11 C1基坑右侧地面沉降变形曲线

图12 两基坑中间地面沉降变形曲线

图13 C1基坑坑底土体隆起变形曲线

3.5 预制矩形桩水平位移分析

F1基坑开挖完成时预制矩形桩水平位移如图14所示，水平位移曲线均呈现外凸型。F1基坑左侧预制矩形桩最大水平位移为30.20 mm，最大水平位移在坑底以上约0.5 m的位置。基坑右侧预制矩形桩最大水平位移在坑底附近位置，最大水平位移为29.16 mm。因为右侧C1基坑开挖后土体卸荷，右侧预制矩形桩最大水平位移小于左侧最大水平位移。C1基坑开挖完成时预制矩形桩水平位移如图15所示，水平位移规律与F1基坑相似。C1基坑左侧预制矩形桩最大水平位移为36.21 mm，最大水平位移在坑底以下约1 m的位置。C1基坑右侧预制矩形桩最大水平位移为37.49 mm，最大水平位移在坑底以下约0.5 m位置。由于左侧F1基坑桩顶处于淤泥质粉质黏土中土质较差，而右侧C1基坑桩顶处于粉质粘土中土质较好，与C1基坑相比，F1基坑预制矩形桩桩顶位置水平位移接近C1基坑桩顶位置水平位移的两倍。因为两基坑预制矩形桩桩底均处于淤泥质粘土中，桩底位置水平位移均较大。

图14 F1基坑预制矩形桩桩身水平位移

图15 C1基坑预制矩形桩桩身水平位移

两基坑预制矩形桩水平位移实测值与模拟值相比，两者规律基本相同，实测值均不同程度大于模拟值，原因在于基坑实际施工过程中难以做到理论上的对称挖土以及时空效应的影响。

4 结 论

1)通过对预制矩形桩桩身受力情况的研究发现，预制矩形桩+预应力鱼腹式钢支撑的体系在上海软土地区共同作用效果较好，能够形成1个整体承受基坑外部水土压力的作用。

2)基坑开挖的数值模拟结果及现场监测的预制矩形桩桩身水平位移均满足规范要求，基坑开挖过程中安全稳定，证明预制矩形桩的围护结构在上海地区对基坑变形控制效果较好，是1种较好的装配式基坑围护结构形式。

3)在类似开挖面积大、施工周期长的基坑工程中，采用H型钢造价较高，预制矩形桩代替H型钢更具经济性优势。