高层建筑深基坑支护结构设计及内力分析

王洪木，陈金锋，刘佳，穆锐，李治霞，曹继东

（1重庆建工第二建设有限公司，重庆 400030；2陆军勤务学院军事设施系，重庆401331；3招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067；4重庆建筑科技职业学院，重庆 401311；5中国人民解放军32080部队 建设方案室，北京 100091）

0 引言

随着我国经济的快速发展以及西部大开发战略的进一步深化，西部很多地区正处于城市化加速发展进程中[1]。而城市化的一个标志就是，各类建筑的兴建。在重庆等西部山地城市中，大量建筑将在有深厚回填土的地基上建设，同时也将伴随越来越多的深基坑工程问题[2]。由于重庆的深厚回填土地基大多填筑时间不长，其均匀性和密实度均不如老黏土，锚固性能不太好，这就限制了锚杆、锚索等支护体系的采用。尤其对于新填方的基坑边坡，若采用锚拉式支护，新填土沉降压缩及固结变形尚未完成，会增大土中锚杆、锚索的拉力，甚至造成支护体系失效等工程问题。研究表明，悬臂式桩板挡墙支护结构可避免类似工程问题[3]。本文以重庆某高层建筑深基坑支护结构为背景，运用弹性支点法，通过理正岩土软件，对该大楼基坑的悬臂式桩板挡墙进行支护设计及内力分析，对悬臂桩板挡墙施工要点及建议也进行简要阐述，旨在抛砖引玉，为山地城市深厚回填土基坑支护结构的设计和施工提供参考。

1 工程概况

重庆市某高层建筑的办公楼共26层，地下车库3层，在其四周形成深度2.3～13.2m的基坑边坡（图1）；基坑除裙房北侧一角开挖至基岩，开挖岩石厚度1～1.5m，形成土岩混合基坑边坡外，其余都为土质基坑。基坑边坡人工填土为第四系人工填土，厚度大，物质成分为砂岩、泥岩碎块石和少量建筑垃圾，局部含少量卵石，回填时间2～3年，其结构主要为稍密，结构分层比较混乱，填土的均一性差。从基坑边坡的组成分析，该边坡易坍塌，且较深（最深处有13.2m）。为确保坡脚拟建建筑物的施工安全及坡顶公路的正常使用，必须对该基坑边坡进行有效支挡。

2 支护方案

2.1 支护结构平面布置

由于场地存在深厚的新近回填土，其沉降压缩及固结变形尚未完成，且该土层结构分层比较混乱、均一性差，因此该土层锚固性能不太好，采用锚拉式的支护方式不太合适。根据场地的工程地质特征，结合基坑的平面布置要求，采用悬臂式桩板挡墙支护体系进行永久性支护（图1），其中悬臂抗滑桩共分为四种，分别为KHZ-1、KHZ-2、KHZ-3、KHZ-3a。 为了节省造价，将抗滑桩设置在地下室框架柱下（如图2所示，KHZ-1上涂黑的矩形块即为地下室靠土体一侧的边框架柱，该矩形块的标高为238.0～239.6m）。入口处桩顶标高往上至室外地坪处不再填土，而是设置架空平台（图1、图2）。KHZ-1桩顶标高为238.0m，可作为边框架柱（该柱标高为238～239.6m）的基础，也可以兼作抗滑桩桩顶标高以下（226.5～238m）的边框架柱；桩间挡板亦可兼作地下室侧墙挡板使用。另外，为了尽量减少抗滑桩上的土压力，抗滑桩外土体从道路红线往基坑方向按1:1.19放坡，土体实际标高低于此放坡线标高时，可维持原状。由于KHZ-2、KHZ-3、KHZ-3a离公路比较远，因此放坡后桩顶标高可显著降低，分别为229.8m、231.1m、231.1m，各桩板挡墙上的土压力亦可大大减小。施工时，先采用“跳桩施工”的方式施工抗滑桩，待所有抗滑桩施工完毕且桩身混凝土强度达到要求后，再用逆作法施工桩间挡板。

图1 悬臂式桩板挡墙及入口处架空平台基础平面布置图

图2 抗滑桩与框架柱位置关系图

2.2 设计参数

2.2.1 基坑支护结构重要性系数

由于基坑周边存在受影响的道路，根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120—2012）可将基坑的安全等级定为一级，因此基坑支护结构重要性系数取1.1[4]。

2.2.2 岩土参数

（1） 人工填土

悬臂桩后为第四系人工填土，回填时间2～3年，结构主要为稍密，填土的结构均一性差，填土的天然容重为20.6kN/m3，综合内摩擦角为30o。

（2）中风化泥岩

中风化泥岩的天然单轴抗压强度标准值为15.48MPa。

（3）坡顶附加荷载

考虑到道路靠近基坑一侧的边线离基坑的距离为12.5m，与道路至基坑底面的高度接近，且施工期间该公路上通行的车辆非常少，因此，可不考虑施工期坡顶的附加荷载。

3 悬臂桩板设计及内力分析

下面以KHZ-1为例对抗滑桩、挡板及护壁等进行设计。

3.1 桩内力计算原理及计算参数

（1） 计算原理

虽然此建筑基坑支护结构安全等级为一级，但是由于抗滑桩板墙兼作地下室外墙，当几个月后地下室施工完毕，地下室楼层的梁板会对抗滑桩产生侧向支撑作用。因此，地下室梁板形成强度之前，抗滑桩及挡板可以按照临时边坡进行考虑，同时应按永久性支护验算地下室梁板强度达到要求后，桩板式挡墙与地下室梁板结构共同作用时的安全性。根据 《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013）表3.2.1，该边坡高度为13.2m，处于10～15m范围内，且边坡破坏后果严重，故边坡安全等级为二级；再根据《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013）表5.3.2，安全等级为二级的临时边坡，安全系数不小于1.2[5]。综上所述，取1.2倍的主动土压力作为桩的外荷载；将承受水平荷载的单桩视作弹性地基（由水平弹簧组成的线性变形体）上的竖直梁，并假定地基水平抗力系数随深度增加。采用m法[5]对桩进行计算（由理正岩土软件计算）。

（2）主要计算参数

根据地质勘查报告，结合重庆当地工程实际经验，对土层参数进行取值，得到土层参数，见表1。

表1 土层参数

由于抗滑桩兼作地下室侧墙柱基，桩不仅承受水平荷载，还须承担竖向荷载，因此将KHZ-1嵌入中风化岩层3m，以便提供足够的竖向承载力（图3）。

图3 KHZ-1计算模型（单位：m）

桩的材料及尺寸参数：

桩混凝土强度等级：C40；桩纵筋级别：HRB400级；板混凝土强度等级：C40；板纵筋级别：HRB400级；墙后填土内摩擦角：30°；墙背与墙后填土摩擦角：15°。桩总长23.2m，其中悬臂段长11.2m，嵌入深度为12.0 m，桩底假定为铰接；桩截面形状为矩形，桩截面宽度为1.5m，桩截面高度为2.5m，桩间距为8.49m。

3.2 悬臂桩板内力计算结果分析

图4为抗滑桩远离基坑一侧库伦主动土压力的大小、分布情况及合力作用点位置。由图可知，桩深度为11.2m处的库仑主动土压力的第一破裂角为34.02°，库仑土压力合力Ea为518.7 kN，作用点高度为4.106m，库伦土压力的水平分量Ex为501.0kN。

图4 全墙的土压力（只有第一破裂面）

图5为内力计算结果，由图5 a）桩身弯矩沿桩深度分布图可知，悬臂段桩身弯矩随着桩深度增大而迅速增大，到达基坑底面时，弯矩随桩深增大的速度明显变小，这主要是由于基坑底面以下桩前土体对桩产生的被动土压力随着桩进入坑底面以下土层深度加深的增大速度远大于桩后主动土压力随深度加深的增大速度（桩前被动土压力的增大速度大约为桩后主动土压力增大速度的3倍）。基坑底面往下4.2m（距离桩顶深15.4m）处，桩后弯矩达到最大值32395kN·m。当桩深度继续增大时，桩身弯矩逐渐减小；到底端时，弯矩降为零。这与计算时桩底端为铰接的基本假定是一致的。

由图5 b）桩身剪力沿桩深度分布图可知，基坑底面以上，桩身剪力为负值，其绝对值随着桩深度的增大而增大，当桩深度到达基坑底面时，桩身剪力的绝对值达到一个局部极大值4914kN；基坑底面以下，随着桩深度的增大，桩身剪力的绝对值逐渐减小至零，然后又反向增大，当桩深度为22.7m时，桩身剪力达到最大值7515kN。

由图5 c）桩水平位移沿桩深度分布图可知，桩身最大水平位移在桩顶处，为87mm；随着桩深度的增大，桩水平位移逐渐减小，至底端处，桩水平位移降至零。这亦与计算时桩底端为铰接的基本假定是一致的。

由图5 d）桩侧土体反力沿桩深度分布图可知，桩侧土体反力在18.6m深度处达到最大值927.2kPa，此处为强风化岩顶面往下0.5m处；随着深度的进一步增大，桩侧土体反力逐渐减小。建议对支护桩附近这些土反力较大的土层及强风化岩层进行注浆处理，以提高坑底以下支护桩的锚固效果，减小支护桩的水平位移。

图5 桩内力及位移沿桩深度分布

3.3 共同作用时支护桩的内力验算

为验算地下室梁板强度达到要求后，桩板式挡墙与地下室梁板结构共同作用时的安全性，利用PKPM的SATWE计算分析模块，将主体结构与桩板墙建在一个模型里，将土体自重及运营期公路的车辆荷载对桩板墙产生的土压力折算成柱子的水平方向恒荷载，作用到柱子（支护桩）上，恒荷载分项系数取1.35。运营期公路的车辆荷载按20kPa考虑，根据 《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120—2012）第3.4.7条[4]，车辆荷载作为局部附加荷载按45°往下扩散。道路边线距离KHZ-1外侧边最近处为10.7m，因此只需考虑公路表面10.7m以下的KHZ-1才会受到公路车辆荷载的影响。经过计算可得出各个楼层的内力，如表2所示。

表2 共同作用时，KHZ-1的内力

比较表2与图5 a）、图5 b）可知，共同作用时，KHZ-1的弯矩及剪力远小于该支护桩悬臂受力时的弯矩及剪力。共同作用时，KHZ-1的轴压比为0.05，非常小，当柱子偏心受压时，可视其为大偏心受压构件；另外，该构件计算跨度与宽度的比值为5/1.5=3.3＜8，故该构件的稳定系数等于1。因此，共同作用且偏心受压时，将KHZ-1按受弯构件比按压弯构件进行配筋更安全。下面，将共同作用工况及悬臂受力工况时，支护桩的最大弯矩与剪力沿桩深度分两段进行比较如下：

距离桩顶0～7m处，共同作用时的最大弯矩、剪力分别为1289kN·m、1096kN，而悬臂受力工况时的最大弯矩、剪力分别为5867kN·m、2256kN，共同作用工况最大弯矩、剪力仅为悬臂工况的22%与49%；距离桩顶7～11.2m处，共同作用时的最大弯矩、剪力分别为3471kN·m、3150kN，而悬臂受力工况时的最大弯矩、剪力分别为20912kN·m、4914kN，共同作用工况最大弯矩、剪力仅为悬臂工况的17%与64%。

实际上，由于共同作用时KHZ-1的弯矩及剪力均较小，SATWE的计算结果亦表明，共同作用时，KHZ-1的纵向受力主筋及箍筋均只需要按照构造配筋即可。

3.4 抗滑桩配筋

（1）抗滑桩纵向钢筋配筋

由于共同作用时，KHZ-1的纵向受力主筋及箍筋均只需要按照构造配筋即可。因此，判断悬臂受力时的工况为支护桩的最不利工况，只需根据悬臂受力时的桩身弯矩沿深度分布图 （图5a）对支护桩进行配筋即可，可分段配筋如下：

距离桩顶0～7m：面侧和背侧所需纵向钢筋面积均为7920mm2，基坑支护结构重要性系数为1.1，一根直径32mm的钢筋面积为803mm2，故面侧和背侧纵筋根数均为7920×1.1/803=10.7根，取11根[6]。

距离桩顶7～23.2m：面侧纵筋计算方法同上，面侧纵筋取11根。背侧纵筋15.4m处最大，为40310mm2，故背侧纵筋根数为40310/803=50.2根，取51根[7]。这里之所以不再将纵筋乘以结构重要性系数1.1，主要基于以下几个方面的考虑：

①虽然此建筑基坑支护结构安全等级为一级，但是由于抗滑桩板墙兼作地下室外墙，当几个月后地下室施工完毕，地下室楼层的梁板会对抗滑桩产生侧向支撑作用，此时抗滑桩支护结构的安全性将大大提高；

②面侧钢筋已放大10%，能部分提高抗滑桩在7～23.2m深度处的抗弯承载力；

③ 此时背侧配筋已经很大，如果再乘以结构重要性系数1.1，则每根KHZ-1抗滑桩需多配5根直径32mm、长度16.2m的纵筋，很不经济。

（2）抗滑桩嵌入深度验算

由于悬臂桩嵌入段为岩层，地基横向承载力特征值fH可由文献[5]第13.2.8条第1款计算：

式中：KH为在水平方向的换算系数，根据岩层，根据岩层构造可取0.5～1.0；η为折减系数，根据岩层的裂缝、风化及软化程度可采用0.3～0.45；frk为岩石天然单轴极限抗压强度标准值（kPa）[5-6]。

由图5 d）土反力分布图可知，悬臂桩嵌入中风化岩3m时桩侧最大横向压应力在距离桩顶18.6m处，其数值为927.2kPa，再乘以结构重要性系数1.1[7]，得：

综上可知，抗滑桩悬臂桩嵌入中风化岩3m满足要求[7]。

（3）桩间挡板及其护壁设计

将桩间挡板看作两端固支的单向板（桩作为支座），并取1m深度单位计算宽度计算配筋，分段配筋结果如表3。

表3 桩间挡板表

护壁厚度取200mm，护壁混凝土等级为C20，坡顶无外荷载；人工挖孔桩护壁所承受的土压力取地面以下5m处的主动土压力值[4]，由图3库伦土压力沿深度分布情况可知，地面以下5m处的主动土压力值为43.4kPa。取1m深度为护壁单位计算宽度计算配筋，将护壁长边按两端固支板计算，则最大弯矩设计值为[7]：

式中：qx为地面以下5m处作用在护壁上的主动土压力值（kPa）；l为护壁长边的计算跨度（m）。

护壁结构重要性系数取1.1，经计算可得，护壁的横向受力配筋为：每米深度需配置HRB335级钢筋509mm2，实配鋛12@200（钢筋面积为565 mm2），双层配置[6]。

4 结论

（1）根据场地基坑的工程地质特征及场地基坑的平面布置要求，结合内力计算结果，选用悬臂式桩板挡墙对深基坑进行永久性支护是合理的、可行的。

（2）内力分析表明，悬臂段桩身弯矩随桩深的增大而急剧增大，在基坑底面时，弯矩随桩深增大的速度明显变小，基坑底面往下4.2m处，桩内侧弯矩达到最大值；当桩深度继续增大至桩底端时，桩身弯矩逐渐减小至零。基坑底面以下，随着桩深度的增大，桩身剪力的绝对值逐渐减小至零，而后桩身剪力反向增大，当桩深度为22.7m时，桩身剪力达到最大值。桩侧土体反力在强风化岩顶面往下0.5m处达到最大值；随深度的进一步增大，桩侧土体反力逐渐减小。

（3）在支护设计中，将抗滑桩外土体从道路红线往基坑方向适当放坡，减少抗滑桩上的土压力，同时，降低基坑支护高度，抗滑桩可兼作地下室框架柱基础，抗滑桩挡板亦兼作地下室的侧墙挡板，具有较好的经济效益。对受力比较大的桩及挡板尽量采用HRB400级钢及强度等级高的混凝土，可有效节省工程材料及费用。