基坑倾斜桩无支撑支护机理与工程应用*

郑 刚，吴小波，周海祚，刘照朋

(1.天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津 300072； 2.天津大学建筑工程学院，天津 300350)

0 引言

在软土地区，存在大量的地下1层～地下2层甚至更深的基坑工程，传统的悬臂支护结构的稳定性较差，往往会导致较大的坑外土体沉降并且对周围建筑物产生不利影响，无法达到较好的支护效果[1-4]。近年来我国基坑工程技术取得了一系列重要进展[5-7]，然而，几十年来，软弱土地区的基坑工程仍普遍采用水平内支撑技术控制基坑工程稳定、变形及其对周边环境的影响。大面积基坑水平支撑支护技术存在着耗材多、耗费人力多、造价高、工期长、土方开挖与地下结构施工难度大、工业化建造程度低等突出问题。大面积基坑钢筋混凝土支撑的施工与拆除的工期可占基坑施工总工期的20%～40%，耗费的钢材、水泥和砂石料也可占基坑工程造价的20%～40%。此外，基坑的水平支撑是临时结构，使用完毕后需要拆除，会产生大量固体废弃物和噪声。因此，传统的大面积基坑采用钢筋混凝土内支撑的方式，不符合国家绿色低碳发展的理念[8-9]。因此，对于量大面广的基坑工程，是否能有新一代的支护技术，在地下1层～地下2层深度范围内(或更深度)，既能有效保证基坑支护结构稳定性和变形控制效果，又能取消水平支撑，实现基坑工程无支撑支护。

为实现绿色低碳支护发展要求，2010年作者[10-11]对倾斜支护桩支护结构开展了一系列试验研究，结果表明倾斜桩支护结构，特别是斜直交替支护结构和前排桩倾斜的新型双排桩支护结构，可显著提升支护桩变形控制能力并达到降低桩身内力的效果。随后，作者开展了一系列倾斜桩室内模型试验与数值模拟分析，用于研究倾斜桩支护的力学性能与支护机理[12-15]。同时，国内外学者对这种倾斜桩支护结构的受力与变形特性进行了相应研究，孔德森等[15-16]基于笔者的模型试验[10]和实际工程的数值验证，对不同角度的倾斜桩以及斜直交替桩进行数值模拟，结果表明倾斜支护桩的抗倾覆能力较垂直支护桩有较大的提高，应力集中现象降低，桩身弯矩分布更为合理。Maeda等[18]通过两组深度为9.6m，倾斜角度为10°的倾斜桩离心机试验，发现相同开挖深度，斜桩的水平位移、挠曲变形、土压力较垂直支护桩小，且开挖深度越大，斜桩作用越明显。Seo等[19]也做了倾斜支护桩的室内模型试验，分别对比了单排悬臂支护桩、双排支护桩同时倾斜和前排垂直后排倾斜的双排桩的工作性状。

已有研究结果表明倾斜桩支护结构具有较好的受力性能和变形控制能力，同时由于倾斜桩支护结构取消了水平支撑，可在便于施工、提高工程建设效率的同时保证其经济性，在工程中具有显著的应用价值。本文基于倾斜桩支护结构的优点，对软土基坑中倾斜桩的支护机理和施工方法进行了研究，并就倾斜桩支护代表工程进行了介绍。

1 倾斜桩支护及其优势

传统基坑支护技术的支护桩一直采用竖直支护桩，若将桩体与竖直方向呈一定角度倾斜设置，并由冠梁连接，称为倾斜桩支护结构，如图1所示。将竖直支护桩与倾斜支护桩交替布置，支护桩桩顶位于同一轴线并用冠梁连接的组合结构为斜直交替支护结构，如图2所示。相比于传统悬臂支护，倾斜桩支护结构的抗倾覆能力和抗变形能力更优，当形成斜直组合支护结构形式，其稳定与变形控制能力进一步显著提升[10]。同时，研究表明，在一定的条件下，斜直交替支护结构具有内支撑结构相近的变形控制能力[20]，可在取消内支撑的前提下加快施工速度，减少固体废弃物，从而实现绿色无支撑支护。

图1 倾斜桩支护结构

图2 斜直交替支护结构(内斜/直)

图3 倾斜桩无支撑支护结构

图4 倾斜桩无支撑组合支护结构变形对比

图5 倾斜桩无支撑组合支护结构弯矩对比

基于长期研究，作者研发了系列倾斜桩无支撑组合支护体系，包括斜直交替桩组合支护、X形倾斜交替桩组合支护、八字形倾斜桩组合支护、个字形倾斜桩组合支护和斜直组合双排桩支护等，如图3所示。在天津城区软弱土质(参数如表1所示)条件下，将倾斜桩无支撑组合支护结构与传统支护进行了变形与弯矩对比，如图4，5所示。基坑深度达到7.0m时，悬臂支护桩变形过大、不能维持稳定性，采用倾斜10°～20°的支护桩与竖直支护桩进行组合形成的支护结构可显著降低桩身变形。对于开挖深度7m的算例来说，相比于内支撑支护结构，部分形式的倾斜桩无支撑支护结构的变形控制能力与内支撑支护结构几乎相当，均能将桩身最大位移控制在30mm以内，且取消内支撑后的支护桩桩身受力几乎没有增加。这意味着对地下1层～地下2层深度甚至更深的基坑，采用倾斜桩支护技术，能够在取消水平内支撑的情况下保持稳定性(自稳)的同时，也能有效控制基坑变形及其环境影响，从变形控制的角度也能取消内支撑，从而为倾斜桩无支撑支护技术的广泛应用奠定了基础。

表1 土体物理力学参数

2 支护机理

传统悬臂式支护结构，内撑支护结构，桩身轴力很小，支护桩主要承担弯矩和剪力，类似竖向设置于地基重的地基梁，其桩身轴力、摩阻力对基坑稳定和变形控制的贡献可以忽略。相比于传统支护结构形式，倾斜桩组合支护结构可产生较大的桩身轴力，发挥了桩身轴力的贡献(内斜桩受压、外斜桩受拉)，大幅度提高支护结构无支撑支护能力，工作机理产生重大改变。倾斜桩组合支护结构的工作机理[15]主要包括地基梁作用，斜撑效应，刚架效应，重力效应，减隆效应，机理简图如图6所示。

1)地基梁作用 传统支护桩基本为纯弯构件，主要发挥地基梁作用，桩身轴力和桩侧摩阻力很小，对控制基坑变形和稳定的作用几乎可忽略。而倾斜桩组合支护结构在发挥地基梁作用的同时，桩身作为一个桩体的轴向作用对变形与稳定的控制作用也较为显著，即如下的斜撑效应和减隆效应。

2)斜撑效应 在整个支护体系中，直桩、斜桩除发挥地基梁作用外，桩身均将产生较大侧摩阻力和轴力，如图6b所示，其中斜桩的轴力在桩顶处的水平方向的分力对直桩起到水平支撑作用，从而显著减小支护结构变形，提高基坑抗倾覆稳定性。因此，斜桩侧摩阻力和端阻力的发挥可以提高支护体系的整体稳定性和抗变形能力。此种作用称之为斜撑效应。

3)刚架效应 直桩和斜桩通过桩顶冠梁的连接，形成一个共同抵抗土体变形的刚架体系，如图6c所示。桩体与冠梁间不能发生相对转动。在此三角形刚架支护体系中，斜桩倾斜一定角度后，相较于直桩减小了自身的桩身受力，并且增强了抗倾覆稳定性，具有更强的抵御桩后土体变形的支护能力，而斜桩对于直桩也起到了一定的支撑作用，从而进一步控制直桩的变形。

4)重力效应 如图6d所示，斜桩与直桩桩间土体的重量可起到一定抗倾覆的作用，提升支护结构整体的抗变形能力。此种作用称之为重力效应。

5)减隆效应 如图6e所示，斜桩与直桩桩间土的存在会给坑内被动区土体提供更大的竖向力，此竖向力与坑内土体隆起变形方向相反，加之斜桩插入被动区主要隆起区域，起到类似抗拔桩的作用，两者均可起到减小坑底隆起的作用，相应地可减小坑外土体沉降，从而减小基坑的整体变形，进一步提高支护结构的变形控制效果。

图6 倾斜桩组合支护结构主要支护机理

整体上看，斜撑效应与刚架效应在控制桩身与土体变形的作用上最为重要，倾斜桩组合支护结构的最大优势体现在斜桩对直桩的支撑作用上。刚架体系保证此作用的存在，斜撑效应保证此作用最大程度的发挥。

3 施工设备及工艺

3.1 施工设备

传统静力压桩设备只能施工竖直的预制桩。在港口与近岸工程常采用柴油锤打桩机打设倾斜工程桩用于港口和近岸工程结构，由于无法满足城市对噪声的控制要求，锤击打桩机无法应用。因此，联合相关工程机械公司研发了系列倾斜桩压桩机，解决了城市环境中施工倾斜支护桩的难题。

针对倾斜支护桩施工而专门研发的倾斜桩静力压桩机主要类型有YZY300X和YZY800X两种类型静力压桩机。YZY300X斜桩、直桩通用静力压桩机的构造主要包括：操纵室、吊机总成、平台总成、夹桩器总成，主副压油缸和变幅系统等。压桩机的各构造功能如下：①操纵室，驾驶人员和操纵平台的控制室，用以控制整个吊装压桩过程；②吊机总成，用以在沉桩过程起吊预制桩，并完成喂桩过程将预制桩放置于正确位置；③平台总成，上部设备的安装操作平台；④夹桩器总成，通过夹桩油缸的伸缩带动夹桩板移动实现对桩抱夹。顶部与压桩油缸活塞相连，跟随压桩油缸与活塞做直线往复运动；⑤主副压油缸，固定在夹桩器龙门架上用以控制活塞做直线往复运动，以实现压桩角度的变化；⑥变幅系统，通过变幅油缸和水平伸缩油缸的调节实现前中后倾桩；⑦长船和短船，静压斜桩机的行走设备总成。静压斜桩机构造如图7所示。

图7 静压斜桩机构造

3.2 施工工艺

倾斜桩支护结构静压法施工工艺流程如图8所示。通过斜桩静压机，可将预制混凝土桩顺利压入基坑开挖场地，实现了倾斜桩结构施工的高效性。

图8 施工工艺流程

4 工程应用

基坑倾斜桩支护技术已在天津、福建、湖北等多省市地区得到了应用，取得了显著的技术经济效果。

4.1 工程案例1

图9a为条件滨海软土地区倾斜桩无支撑支护工程应用案例。基坑开挖面积约46 000m2，大部分位置开挖深度约4.9m，局部深坑6.3m。基坑坑底以下分布一层厚度约7m的淤泥质粉质黏土层，该层土正好是基坑被动区的主要受力土层，对支护桩的稳定性和变形开展均很不利。

为了对比传统悬臂支护结构和倾斜桩支护结构的变形控制能力，在基坑整体上采用了斜直交替支护结构的基础上，在D—D剖面处设置了单排桩悬臂支护结构。两种支护参数如图9b所示。D—D剖面处基坑深度为4.9m，排桩为375mm×500mm的预制空心矩形桩，桩间距为850mm，桩长15m，混凝土强度等级为C80，桩顶用帽梁连接，其混凝土强度等级为C30。待支护桩施工完成时在该区段布置桩身位移监测测点，测量结果如图10所示，相比于悬臂支护，斜直交替可显著降低支护桩的水平位移，单排悬臂支护桩桩身的最大水平位移相当于斜直交替支护结构最大位移的3倍作用。由此可见，对本工程而言，对传统竖直支护桩，由于其变形过大，将不得不采用竖直排桩并设置内支撑。由于其面积达46 000m2，内支撑的材料消耗、造价和工期将非常可观，而斜直交替支护桩可在无内支撑的情况下高效控制支护桩变形，从而可取消水平支撑。对开挖面积达46 000m2的大面积基坑来说，取消内支撑的节材降耗、降低造价、缩短工期、便于基坑施工的效益是极其显著的。

图9 基坑挖深平面布置及支护参数

图10 基坑支护与监测结果

4.2 工程案例2

建设于天津大学北洋园校区内的国家重大科技基础设施“大型地震工程模拟研究设施”的第一级基坑开挖深度8m，且开挖深度范围内分布有软弱土层，按照传统经验，该工程支护结构将采用钻孔灌注桩作为支护桩，并采用如图11所示的钢筋混凝土内支撑。

图11 基坑钢筋混凝土内支撑方案

由于基坑开挖面积达29 500m2，内支撑加排桩的支护形式存在着前文所述的耗材多、耗费人力多、造价高、工期长、土方开挖与地下结构施工难度大等问题。因此，笔者提出了采用倾斜桩无支撑支护技术的建议并得到建设方采纳。考虑到场地区域的土层性质较差，在基坑开挖范围内存在5.8m厚的淤泥质粉质黏土层，为满足基坑变形控制要求，采用了上部放坡2.5m结合斜直交替桩的支护形式，如图12所示。

图12 基坑斜直组合支护剖面

本基坑开挖到坑底后的支护桩实景如图13所示，土方正在开挖和外运的实景见图14。由此可见，大面积基坑采用无支撑支护技术为土方开挖外运、地下结构的施工提供了显著便利。最终工期节省72天，基坑造价节约1 100万元。

图13 基坑斜直组合支护实景

图14 基坑开挖实景

基坑支护桩位移监测点布置如图15所示，代表性监测点的支护桩水平位移如图16所示，支护桩最大水平位移控制在25mm以内，位移控制效果良好。

图15 基坑平面及监测布点

5 结语

低碳、绿色基坑支护与建造技术成为发展低碳、绿色工程的重要需求。针对软弱土地区量大面广的地下1层～地下2层(或更深)的基坑工程技术长期存在的突出问题，课题组研发了高效提升基坑支护结构的稳定性和变形控制能力的系列倾斜桩无支撑支护技术。条件适当时，针对软弱土地区量大面广的地下1层～地下2层甚至更深的基坑工程可取消内支撑，形成新一代、绿色可持续发展的无内支撑基坑支护技术。具体结论如下。

1)传统基坑支护技术的支护桩一直采用竖直支护桩，倾斜桩组合支护结构，可显著提升支护结构的变形控制能力，条件适当时可实现大面积基坑无支撑支护。

2)倾斜桩组合支护结构的“一桩五用”机理，可有效控制支护结构的桩身变形与土体位移，使无内支撑支护结构具备自稳性和自撑性。

3)已研发倾斜桩设备技术有明显优势，可以满足倾斜支护桩的施工要求，为倾斜桩组合支护结构的工业化施工提供便利。

4)相比于传统支护结构，倾斜桩及其组合支护结构可高效、经济控制稳定与变形，可在缩短施工周期的同时，支护桩实现工业化施工，具有显著的推广价值。