基坑工程倾斜桩及其与多级支护组合的工程应用研究

田 野 陈 国 宋 志 张 涛 柳 瑶 田 浩 高 雨

1. 中建三局集团有限公司工程总承包公司 湖北 武汉 430070；2. 湖北中建三局建筑工程技术有限责任公司 湖北 武汉 430070

随着城市建设的发展，基坑工程领域大量使用桩、撑、墙等支护结构。作为一种临时性支护措施，支撑使用后所产生的固体废物污染和资源浪费越来越多，与绿色建造的发展理念相悖。因此，有很多学者[1-4]提出了无支撑支护的概念和方法（图1）。

图1 基坑工程无支撑支护

倾斜桩支护技术和多级支护技术分别为2种减少甚至取消部分支撑使用的有效支护方式。倾斜桩是指将传统垂直支护桩以一个小的角度进行倾斜，从而达到减小位移、降低桩身弯矩、提高支护结构整体稳定性等目的的一种新型支护方式；多级支护结构主要是指较大、较深的基坑工程采用的多级不同形式的分级开挖支护结构[3]。

多级支护方式和倾斜桩支护方式在一些工程实践中得到了成功应用，如武汉凯德广场古田项目采用双排桩与单排桩组合的多级支护结构[3]，上海虹桥综合交通枢纽项目采用了多级联合支护结构[4]，天津某软土基坑工程采用倾斜桩基坑支护[5]等。

很多学者和工程技术人员也对多级支护和倾斜桩支护的工程特性和受力机理展开了研究，如郑刚等[1]、任望东等[2]提出了多级支护的破坏模型，郑刚等[6]分析了倾斜桩支护的作用机理。相关工程应用和理论分析为基坑工程新型无支撑支护技术的应用提供了重要保障。

多级支护方式和倾斜桩支护可以作为单独的支护结构或措施以达到减少或消除支撑使用的目的，也可以作为组合支护方式发挥更好的无支撑支护效果。虽然多级支护方式和倾斜桩支护有比较好的支护优势，但现行国家规范和行业标准中对相关设计方法并无明确规定[7]，导致其工程应用受到一定程度的限制。本文以工程实例为基础，研究倾斜桩及其与多级支护结构组合支护的工程特点，采用数值计算方法，分析传统垂直桩支护、倾斜桩支护、倾斜桩与多级支护结构组合支护等的内力、位移及整体稳定性变化情况，探讨各种支护方式的特点，以期为不同特点工程的无支撑支护选型提供一定的参考。

1 工程概况

1.1 工程地质条件

工程位于武汉经济技术开发区硃山湖以南，鄂江左线堤上路以北处，工程占地面积约156 000 m2，设置2层地下室，基坑距离红线约11 m，红线外为通行道路。基坑壁主要为第四系中更新统冲洪积黏性土及碎块石土，基坑壁岩土特征如下：①1杂填土，杂色，局部以褐红色含砾黏土为主，稍湿-湿，松散，主要由砖渣、碎石、混凝土块及砂、砾等混少量黏性土组成，局部见褐红色硬土块，土性差异大，堆填时间不足10 a；①2素填土，杂色，局部灰褐色，饱和，主要由软-可塑状黏性土混少量砾石及生活垃圾组成，局部见少量腐殖质，偶见老黏土硬土块，埋深较大时，底部为极不均匀的软化层；④1黏土，老黏土，硬塑状；④2碎块石土，褐黄色，饱和，中密，碎、块石成分主要为石英、燧石、砂岩等，多呈棱角-次棱角状，粒径多大于20 mm，常见大于110 mm的大块状及短柱状岩芯，含量一般大于60%，充填物为硬塑状黏性土，碎、块石多被黏性土包裹，碎、块石排列无规律。钻探中在砾石块径较小时取样进行颗粒分析，其黏粒含量为20%～90%。岩土物理力学参数见表1。场地北侧邻湖，地下水主要为上层滞水和局部孔隙承压水。

表1 岩土物理力学参数

1.2 基坑支护方案

基坑开挖深度11.25 m，基坑重要性安全等级为一级。根据不同支护段周边条件，在确保无支撑情况下分别采用不同的支护方式，与本文实例相关的典型支护措施分别为垂直双排桩支护、前斜后直双排桩支护、倾斜桩多级支护，如图2所示。

图2 典型支护剖面

1）垂直双排桩支护。涉及支护长度约80 m，前后排钻孔灌注支护桩桩径1.0 m，前排桩间距1.3 m，后排桩间距2.6 m，桩长均为18.5 m。

2）前斜后直双排桩支护。涉及支护长度约为120 m，钻孔灌注支护桩桩径0.9 m，前排斜桩间距1.1 m、桩长20.5 m、倾斜角度10°～15°，后排直桩间距2.2 m、桩长18.0 m。

3）倾斜桩多级支护。主要应用于临边地下室坡道区域，涉及支护长度约为15 m，第1级采用垂直桩支护，桩径0.9 m，桩间距2.2 m；第2级采用倾斜桩支护，倾斜角度15°，桩径0.9 m，桩间距1.1 m，第1级支护高度为3 m，平台宽度为3～6 m，支护桩前桩长18.0 m、后桩长15.0 m。

2 数值计算分析

2.1 模型建立

选取典型剖面，采用Midas GTS NX有限元计算软件，按二维平面应变考虑，模型宽度取整体基坑宽度的一半，宽度为120 m，高度取4倍基坑开挖深度，高50 m。除顶面外，其他三面边界条件设置约束，模型计算方法为修正摩尔-库仑模型，土体卸载模量取3～5倍弹性模量。支护桩、桩顶连梁采用梁单元，弹性模量取30 GPa，泊松比取为0.2，其他参数见表1。为简化计算，增加各支护方案的可比性，取同一地层参数进行计算对比，同时取消桩顶坡，考虑荷载20 kPa，各支护方案对应结构参数见表2。

表2 典型支护方案设计

2.2 位移结果分析

通过数值计算，得到不同支护方案开挖至基底工况下的基坑水平位移云图，如图3所示。根据位移云图可知，垂直双排桩位移最大值主要位于桩顶部〔图3（a）〕，倾斜双排桩最大位移主要位于桩顶向下的部位，且主要位于倾斜桩桩身〔图3（b）、图3（c）〕，说明倾斜桩发挥了更重要的支护作用。

图3 各支护方案位移云图

对各支护方案位移变化的比较（图4）可知，方案一位移明显大于其他方案位移，说明采用倾斜桩支护可以显著减小基坑支护位移；方案三位移最小，说明采用倾斜桩多级支护，同时在分级平台设置连梁时，位移控制效果更好，不设置连梁的倾斜桩分级位移要大于设置连梁的位移，对于第1、2级支护平台宽度比较小的情况，其分级破坏模型以整体式破坏或关联式破坏为主，连梁可以增强支护结构的整体性，提高结构刚度，从而在一定程度上减小位移。

图4 各支护方案位移比较

2.3 整体稳定性分析

根据施工工况，进行施工过程和应力分析。基坑开挖至基底时，采用强度折减法（SRM）对基坑进行整体稳定性分析，计算得到不同支护方案开挖至基底工况的整体稳定性安全系数。为方便对比分析，将其绘成变化曲线，如图5所示。

图5 整体稳定性安全系数对比

结果表明，各支护方案的整体稳定性安全系数均满足规范要求，采用倾斜桩支护方案的整体稳定性安全系数均大于垂直双排桩支护方案，说明倾斜桩可有效提高基坑整体稳定性安全系数，各支护方案对基坑整体稳定性的控制效果与位移控制效果相似，即设连梁的倾斜桩多级支护位移和整体稳定性控制效果最优，前斜后直双排桩次之，无连梁倾斜桩多级支护较差，垂直双排桩最差。

2.4 桩身弯矩分析

图6为基坑开挖至基底工况下的支护桩弯矩变化情况。通过对比各方案桩身弯矩变化（图7）可知，倾斜双排桩桩身弯矩显著小于垂直双排桩桩身弯矩〔图7（a）、图7（b）〕，说明倾斜桩不仅可以减小位移、增加整体稳定性，而且可以减小桩身弯矩，达到经济的目的。同时，倾斜双排桩与垂直双排桩桩身弯矩变化形态基本相似，即前后排桩上部均为负弯矩、下部均为正弯矩，但反弯点的位置及弯矩大小略有差异；对于倾斜桩分级支护，是否设置连梁对弯矩的影响比较大，不设连梁时桩身弯矩在各方案中最小，设置连梁时桩身弯矩最大，且最大弯矩主要位于连梁连接处，连梁有效传递了水平力，使前后排桩连接处出现应力集中，增大了桩身内力。

图6 各支护方案桩身弯矩

图7 各支护方案桩身最大弯矩比较

综合前述倾斜桩分级支护对设置连梁产生的不同位移和整体稳定性支护效果可知，连梁可减小位移、增加整体稳定性，但也会增大桩身弯矩，引起配筋的变化，需要根据不同的工程条件，通过不同的工程措施平衡各计算参数的计算结果。对本工程实例而言，若各方案位移和整体稳定性均符合规范要求，则可采取不设置连梁的措施，从而可实现最小的桩身弯矩和配筋。对于平台宽度较大的分级支护，当破坏模型转变为分离式破坏，即各分级支护结构之间的破坏并不关联时，则没有必要设置分级支护间的连梁。

3 实施效果分析

为验证支护效果，在基坑外侧土体中设置测斜管，实测支护桩开挖至基底工况下的桩身位移，结果如图8所示。监测结果显示，各支护段位移均不超过30 mm，位移控制效果可满足规范规定及工程实际要求，其中倾斜双排桩位移略小于垂直双排桩，说明倾斜桩支护效果更佳，并具有更大深度的悬臂式无支撑支护的工程应用潜力。

图8 开挖至基底的实测位移

4 结语

本文以工程实例为基础，采用数值计算方法研究倾斜桩及其与多级支护结构组合支护的工程特点，通过工程应用达到了更有效的无支撑支护效果。通过对支护方案内力、位移及整体稳定性的计算分析比较， 得到以下主要结论：

1）倾斜双排桩及其与多级支护结构的组合支护，相比于传统垂直双排桩，能显著减小基坑位移，提高整体稳定性安全系数。倾斜桩多级支护通过平台连梁的设置，提高了支护结构的刚度和整体性，对整体式或关联式破坏模式的分级支护具有更好的位移和稳定性控制效果。

2）倾斜双排桩桩身弯矩显著小于垂直双排桩桩身弯矩，且弯矩形态较接近。对于倾斜桩分级支护，不设连梁时的桩身弯矩在各方案中最小，设置连梁时的桩身弯矩最大；连梁可减小位移、增加整体稳定性，但也会增大桩身弯矩，引起配筋的变化；对于分离式破坏模式的分级支护，可考虑不设置平台连梁或板。工程应用中应根据具体工程情况，采用对应结构措施。

3）通过现场位移监测，各支护方案均达到了比较好的应用效果，其中，倾斜双排桩支护结构的位移控制效果总体好于传统垂直双排桩的位移控制效果。