基坑悬臂式倾斜桩支护性能研究进展

胡力文，孙洪军，万 悦，贾敏慧

基坑悬臂式倾斜桩支护性能研究进展

胡力文，孙洪军，万 悦，贾敏慧

（辽宁工业大学 土木建筑工程学院，辽宁 锦州 121001）

针对倾斜桩的工作机理归纳了室内试验、数值模拟以及两者结合的研究方法所得出的结论，新型支护形式的出现对现在以及未来基坑支护工程具有重大意义。

基坑；倾斜桩；支护；数值模拟

当今社会发展得越来越快，建筑行业作为城市建设重要的一部分，也迎来了更多的考验。城市的楼宇越来越高，许多城市地上建筑发挥的空间较小，所以近年来涌现出了许多地下建筑的新形态。这就对基础工程的安全性和承载能力提出更高的要求。基坑支护方式按支护结构形式的不同，分为排桩支护、SMW工法、重力式水泥墙等。

传统的基坑支护方式存在一定程度的弊端，竖直排桩施工简单但抗倾覆能力较差，基坑较容易被破坏。使用地下连续墙加水平支撑或者是排桩加水平支撑能够减小基坑的变形，但设置水平支撑加大了施工难度，并且将水平支撑拆除后会产生大量的建筑垃圾。将竖直桩倾斜一定角度后，既能够提高抗倾覆能力，减小基坑的变形，又能降低经济成本、降低环境污染。国内外已有大量学者在倾斜桩方面得到了丰富的成果，大量研究成果表明，倾斜桩能够减小桩顶位移以及坑外土体沉降，起到较好的支护作用，并且倾斜桩桩身的弯矩分布正负峰值的绝对值相近。

除此之外，有学者将倾斜桩和竖直桩组合使用，发现斜直交替组合桩的支护效果要强于单排倾斜桩，室内试验和数值模拟的研究结论表明，斜直交替组合桩的抗倾覆能力和变形控制能力更好，其桩身弯矩分布形式类似于内支撑结构的弯矩分布，通过改变倾斜角度达到了与加内支撑同样的支护效果。现已有实际工程使用斜直交替组合桩，例如天津地区的仁恒海和院、环欧等基坑工程，并且有学者在实际工程的基础上使用有限元分析软件建立模型发现斜直交替组合桩的支护效果要优于双排竖直桩，这不仅仅增强了支护桩的支护性能，在经济节约方面也起到了较大作用。

为了比较更多布桩形式之间支护效果的强弱，使用Flac 3D进行数值模拟。在同样的土体环境下，改变支护桩的布桩形式以及倾斜角度，研究桩顶位移、土体沉降、桩身弯矩、桩身轴力等的变化规律，该规律对实际工程支护方式的选用具有一定的参考意义。

1 室内试验模型

现如今大部分建筑物的基坑尺寸和深度较大，在实际环境中进行试验较为困难。通常设置合适的相似比，使用试验槽、试验土、桩传感器等来进行室内试验。在室内试验环境下，选用合适的材料模拟支护桩，已有研究中出现的模型桩材料见表1。

表1 模型桩材料表

郑刚等[1]设置5种模型试验，将排距作为定量，比较不同倾斜角度和不同布桩方式下排桩的工作性状，实验模型如图1所示。从桩顶水平位移、桩后土体沉降以及桩身弯矩3个角度分析，发现斜桩的支护能力和抗倾覆能力比直桩更好，并且斜桩的支护能力与倾斜角度呈正比，斜直交替组合桩的表现也更优于单排斜桩和直桩。2021年，郑刚等[2]在已有研究[1]的基础上，进行了7组室内模型试验，得出倾斜桩的倾斜角度相同时，内斜直和内外斜2种组合支护形式的支护性能要优于外斜直组合支护形式。

图1 试验整体示意图[1]

孔德森等[3]设置了全直桩、全斜桩(10°)以及斜直交替桩(10°)3种布桩方式进行试验，通过分析桩的受力特性得出斜直交替支护桩的正弯矩和负弯矩峰值的绝对值近似，并且桩身弯矩分布均匀，优化了支护结构受力。徐源等[4]设置了8组模型试验，得出试验所设置的8种工况中前排桩的最优倾斜角度为10°。叶金铋等[5]为了研究双排倾斜桩的受力特性，设置了5种工况进行室内试验，得出结论：小排距前排倾斜双排桩因空间刚架效应受到了限制，导致承载力低于双排竖直桩；5种工况中，双排斜桩的布置方式是最优的。

Hanna等[6]对砂土中直桩和斜桩在竖向荷载作用下的承载力性能进行了试验和理论研究。发现倾斜角度从0°到30°变化时，支护桩的竖向极限承载力越来越小。Wienke等[7]利用大型模型试验对倾斜细长桩进行了冲击力研究。Zhang等[8]为了研究竖向荷载作用下倾斜桩的工作性状进行了试验，得出倾斜桩的倾斜角度小于5°时，倾斜桩的桩顶沉降小于竖直桩，而大于5°时，结果相反。Maeda等[9]通过离心机试验比较了相同开挖深度下，竖直桩和倾斜桩(10°)的挡土效果。得出倾斜桩的水平位移小于竖直桩并且在挠曲变形和土压力方面也有同样的效果。Wrana[10]通过室内试验对桩基承载力的计算方法进行了补充和说明，α法用于计算黏性土中桩的短期承载力，β法用于计算黏性土和无黏性土中桩的长期承载力。Kitsikoudis等[11]对一个向下游方向倾斜的刚性圆柱周围的冲刷形态和近尾流场变化进行研究，测试了3种倾角，得出冲刷深度、冲刷面积和冲刷体积随桩倾斜角度的增加而减轻。Diao等[12]对斜桩基坑的稳定性进行研究，得出倾斜桩支护的基坑可能存在2种破坏模式，分别是倾覆破坏和整体破坏。随着倾斜角度的增大，破坏模式逐渐由倾覆破坏向整体破坏转变。倾斜桩支护基坑的稳定性与土体的不排水抗剪强度呈正相关，与土体重度、倾斜桩埋置深度、开挖深度比和倾斜角度呈负相关，而与基坑开挖的影响无关。

室内模型试验中使用百分表和应变片得到支护桩桩顶位移、桩后土体沉降、桩身应变等数据，该数据能大致反映出随着开挖过程桩身受力的变化，但由于能够设置监测的位置数量有限，以及人工测量所设置的长度、角度等数值不完全准确，因此与实际受力存在一定的误差。

2 数值模拟

使用有限元软件来研究倾斜桩的支护性能需要设定土体模型和参数，将实际土体环境还原后，能够设置多种工况对支护桩的工作性状进行横向、竖向比较。更利于分析支护桩受倾斜角度、布桩形式等的变化规律。

2.1 使用Plaxis数值模拟

郑刚等[13]以实际工程数据为基础，使用有限元软件Plaxis 3D进行数值模拟，建立了有限元数值计算模型（如图2所示），提出斜直交替组合结构的工作机理，冠梁、斜桩和直桩形成的刚架效应、受斜桩粗糙程度影响的斜撑效应以及与土体重度相关的重力效应。

图2 有限元数值计算模型[13]

王恩钰等[14]基于实际工程使用有限元软件Plaxis 3D进行数值分析，在斜桩和直桩组合形式上进行了创新，工况模型如图3所示，通过不同组合支护形式的变形对比得出“人”字形式布桩能更好地控制桩身变形，斜直交替组合中的内斜能更好地控制坑外沉降。

（a）传统悬臂直桩支护；（b）单排倾斜桩支护；（c）斜直交替内斜倾斜桩支护；（d）斜直交替外斜倾斜桩支护；（e）“个”字形倾斜桩支护；（f）“人”字形倾斜桩支护[14]

张松波等[15-16]分别以前桩倾斜角度、桩长、连梁长度以及桩间距作为变量设置了12种工况进行模拟分析，得出在符合实际工程的前提下，适当增加这4种变量的取值都能够增强双排桩的支护性能。周海祚等[17]使用Plaxis 3D进行数值模拟，分析了倾斜角度、插入比和土体强度系数对倾斜桩稳定性的影响。宋福渊等[18]使用Plaxis 2D针对直桩和斜桩的位移以及坑底隆起等参数进行分析研究，认为斜桩对控制相邻建筑物的沉降和变形起到明显作用。

2.2 使用Flac 3D数值模拟

孔德森等[19]使用FLAC 3D软件将倾斜桩和竖直桩的受力特性进行比较，结果表明，倾斜桩比竖直桩具有更好的抗倾覆性并且前者的桩顶位移要小于后者，倾斜桩的弯矩分布更加合理，大大提高了支护性能。胡文红等[20]针对倾斜桩桩周土体加固进行数值模拟，设置6种工况分析倾斜桩桩顶位移、桩身弯矩等参数，得出加固体的弹性模量与加固效果呈正比，但该效果不是无限增加的。刁钰等[21]在斜直交替组合桩的基础上加入主动控制技术，使用FLAC 3D软件进行分析得出液压千斤顶置于斜桩桩顶的效果最佳，并且膨胀位移和主动桩倾斜角度增大都可以增强主动控制效果。范鹏程等[22]改变斜直交替组合桩的倾斜角度，发现随着角度的增大，基坑地表沉降在减小。

2.3 使用其他软件数值模拟

郭景琢等[23]将实际工程和有限元软件ABAQUS结合使用，提出了一种考虑桩土相互作用的平面杆系有限元倾斜桩设计计算方法。王建[24]使用有限元软件Midas GTS针对不同倾斜角度下，前排倾斜双排桩的受力特性进行模拟分析。得出支护桩的抗倾覆能力随着倾角的增大而增强并且桩顶位移也随之减小。但是倾斜角不能无限增大，结果显示当倾斜角度达到20°和25°时，不能充分发挥桩的承载性能。黄晓程等[25]使用Midas GTS/NX岩土工程有限元软件通过改变双排桩前桩的长度、直径以及倾斜角度来研究双排桩整体的支护性能。得出在合理范围内增大倾斜角、桩长以及桩径都能够明显提高双排桩的支护性能。Padrón等[26]研究了桩前角对倾斜桩深基础运动内力的影响，通过改变倾斜角度和桩土刚度比进行参数分析。得出在桩的最深处，随着桩倾斜角度的增大，最大运动弯矩和剪力在减小，与地基构型和土体性质无关。Carbonari等[27]建立了数值模型来研究不同土层中倾斜群桩基础桥墩的地震响应，考虑了群桩的不同布置方式和不同倾斜角度。得出随着角度的增大倾斜桩承受的轴力在增大；而位移随桩身倾角的增加而减小；中硬土地基上桥墩的剪力和弯矩随着桩基倾角的增大而减小。李栋等[28]为了研究斜直交替中斜桩的桩长和桩径对支护桩支护性能的影响，使用Midas GTS/NX进行三维数值模拟，发现在开挖后期桩长对水平位移的影响要大于桩径。

3 室内试验模型结合数值模拟

在室内试验的基础上进行数值模拟，不仅能够完善室内试验所达不到的准确性，并且有更丰富的结论对试验结论进行支撑。王际凯等[29]设置了4种工况进行试验研究倾斜长短组合桩的支护效果，基坑示意图如图4所示，并且使用有限元软件Midas-GTS按照相似比还原了试验，合理分配桩长进行拓展研究。认为在桩长总量确定并且短桩的嵌固深度满足条件时，倾斜角度存在临界值，在临界值以内时，最优桩长受倾斜角度的影响更大，但在临界值以外时，斜桩的支护效果与其长度呈正比。

图4 基坑示意图[29]

郑刚等[30]通过试验和数值模拟研究在相同竖向荷载作用下改变倾斜桩角度时桩的承载力特性，得出倾斜角度对桩的竖向承载形状的影响存在一个门槛值。Gangqiang等[31]通过试验和模拟分析堆载作用下嵌入固结土中的倾斜群桩的工作性能，并且考虑了固结时间、桩间距以及倾斜角的影响。得出倾斜群桩的阻力随着固结时间和桩间距的增大或倾斜角度的减小而增大。Misir等[32]通过模型试验以及数值软件模拟研究了在水平荷载作用下短桩的抗拔性能，其中将土质条件和桩的倾斜角度作为变量。Seo等[33]通过室内试验和模拟研究斜桩的安装方式、斜桩间距以及斜桩端部的固定性对支护桩工作性状的影响，得出斜桩的存在和固定使得支护桩的侧向位移分别减小了约40%和15%。

4 结论

(1)倾斜桩向坑内倾斜时，桩身受到压力发挥斜撑作用，而向外倾斜时，桩身受到拉力，起到了锚固作用。因此在桩顶位移、桩身弯矩、土体沉降等方面，倾斜桩比传统竖直桩的表现更优，并且在一定范围内，随着倾斜角度的增大，倾斜桩的支护能力也在增强。

(2)国内外学者研究了多种倾斜桩支护组合形式，并在不同方面比较其支护性能。目前，总体来说在单排倾斜桩中，斜直交替内斜桩是最优的支护方案。

(3)使用双排桩支护，桩的刚度更大，能够减小基坑水平位移和变形。结论(1)同样适用于双排桩，前排桩倾斜时，支护结构的抗倾覆能力更高，当基坑环境复杂，基坑深度和面积较大时可以采取此支护方式。

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Research Progress on Supporting Performance of Cantilever Inclined Pile in Foundation Pit

HU Li-wen, SUN Hong-jun, WAN Yue, JIA Min-hui

（School of Civil and Architectural Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）

In view of the working mechanism of inclined pile, the conclusions obtained by laboratory tests, numerical simulation and the research method of the combination of the two are summarized, the appearance of new support forms is of great significance to the present and future foundation pit support engineering.

foundation pit; inclined pile; support; numerical simulation

10.15916/j.issn1674-3261.2023.05.010

TU473

A

1674-3261(2023)05-0332-05

2023-03-21

胡力文(1998-)，女，山东临沂人，硕士生。

孙洪军(1973-)，男，辽宁锦州人，教授，博士。

责任编辑：孙 林