排桩与抗滑桩在基坑与边坡支护中的选择及应用

李鸿宾，程 烈，陈晚华

（1.四川江源工程咨询有限公司，四川成都 610011；2.四川港航建设工程有限公司，四川成都 610011）

引言

基坑支护主要是确保支护结构能起挡土作用，基坑边坡保持稳定；确保相邻的建（构）筑物、道路、地下管线的安全；不因土体的变形、沉陷、坍塌受到危害；通过排降水，确保基础施工在地下水位以上进行。基坑支护结构类型主要分支挡式结构、土钉墙、重力式水泥土墙、放坡等。

基坑主要分为三级[1]：其结构重要性系数见表1。基坑设计中，对基坑变形监测是非常重要的指标，通过变形可观察支护结构的安全性，对潜在危险进行预警，基坑变形的监测值见表2。

表1 基坑支护结构重要性系数

表2 基坑变形监控值

边坡支护是指为保证边坡及其环境的安全，对边坡采取的支挡、加固与防护措施。常用的支护结构型式有：锚杆支护、抗滑桩支护、重力式挡土墙、锚杆挡土墙支护等。

建筑边坡安全等级分为三级[2]，其安全系数见表3。

表3 建筑边坡稳定安全系数设计标准

赵尚毅[3]等对抗滑桩设计安全系数标准进行了讨论，基于稳定性分析计算得到的侧向岩土荷载，满足稳定安全系数设计标准时不宜再考虑荷载分项系数，取2 种方法的极大值进行结构设计。

目前，根据相应规范[4]，桩顶水平位移限定值可采用悬臂段长度的1/100 控制，且桩顶位移不宜大于10 cm。根据这个要求，在实际工程设计的时候抗滑桩的桩顶允许变形也是以此为基准进行经验取值。

边坡抗滑桩支护和基坑排桩支护有共同之处也有不同。抗滑桩是穿过滑坡体深入于滑床的桩柱，用以支挡滑体的滑动力，起稳定边坡的作用，适用于浅层和中厚层的滑坡，是一种抗滑处理的主要措施。抗滑桩是凭借桩与周围岩、土的共同作用，把边坡下滑推力或主动土压力传递到稳定地层，即利用稳定地层的锚固作用和被动抗力来平衡滑坡推力，提高斜坡稳定性[5]。土质较好时，桩之间也会形成土拱，加大桩基的整体承载力。当滑坡体下滑时受到抗滑桩的阻抗，使桩后滑体达到稳定状态。使用抗滑桩，土方量小，施工需有配套机械设备，工期短，是广泛采用的一种抗滑措施。

基坑支护结构是依靠基坑中土层对进入土层的支护结构的水平压力与支护结构上部的拉锚或支撑提供的与水平压力方向相同的作用力来抵抗坑壁土和水产生的水平压力来保证坑壁土的稳定，限制坑壁土的变形，保证基坑开挖和基础结构施工能安全、顺利地进行。

杨斌[6]对排桩支护结构设计中计算方法和参数取用进行了初步探讨，经典法计算过于保守，易造成浪费，弹性法更加符合实际。程雪松[7]等连续冠梁的存在可以降低荷载传递系数，使处于同样局部破坏情况下的基坑降低连续破坏发生的可能性，对提高基坑支护结构抗连续破坏的能力有重要作用。

抗滑桩适用于永久工程，基坑支护适用于临时工程。若为永久工程，采用基坑排桩支护设计时，应结合桩基永久支护构造要求进行设计，其稳定安全系数应结合永久工程选取。共同之处在于都是利用桩基本身的强度来抵抗土体侧压力作用。结合工程案例，研究排桩和抗滑桩设计，研究支护选择方式并结合实际进行运用。

1 排桩及抗滑桩应用

1.1 案例1

某房屋建筑工程，用地红线东西方向道路高程分别283.00 m 和278.00 m，高差约5 m，拟以东侧高程为地面高程，西南侧回填，建设该房屋建筑。选取典型断面，建筑红线内设计道路高程283.95 m，建筑红线外侧设计高程277.80 m，现状地面高程为277.35 m，表层土清理后，拟在原始地面回填6.85 m修筑地下室，回填后形成6.85 m 边坡，其计算简图见图1。

图1 计算简图

回填土重度取18.5 kN/m³，饱和重度20 kN/m³，粘聚力c=0 kPa，内摩擦角25 °，水下粘聚力c=10 kPa，内摩擦角25 °。道路荷载取q=17.63 kpa。

建筑区域内地质物理力学参数见表4。

表4 地质物理力学参数表

1）排桩计算

采用排桩支护设计时，破坏后果影响严重，支护结构安全等级为二级，结构重要性系数为1.0，该支护为永久工程，取重要性系数为1.30。

①模型建立

采用排桩支护进行设计时，通过理正软件进行计算，其计算模型见图2。

图2 基坑计算模型

②计算结果

根据计算，桩基最大弯矩为16 993 kN·m，最大剪力为2 116 kN。桩长为26 m，桩身最大位移为30.95 mm。桩径为1.2 m，桩间距为3.0 m，并设冠梁，宽度为1.8 m，高度1.2 m。

2）抗滑桩计算

采用抗滑桩支护设计时[8]，该边坡为永久边坡，破坏后果严重，安全等级为二级，稳定安全系数为1.30。采用抗滑桩支护进行设计时，桩基嵌固段顶端地面处的水平位移不宜大于10 mm。首先计算下滑力，然后根据剩余下滑力进行抗滑桩计算。

①模型建立

因回填6.85 m 高，将回填土视为一层，主要计算回填土的下滑力，地基土简化为一层土，下滑力计算模型见图3 和计算结果见图4。

图3 下滑力计算模型

图4 计算结果图

②计算结果

最不利滑动面：

滑动圆心=（-11.708，6.850）m；

滑动半径=13.563 m；

滑动安全系数=0.187；

总的下滑力=163 kN；

总的抗滑力=31 kN。

③抗滑桩支护设计

计算方法采用m 法，通过计算满足设计要求抗滑桩桩总长为16.50 m，锚固点覆土厚度为1.5 m，嵌入深度8.25 m，桩径为1.50 m，桩间距为4.0 m。

桩最大弯矩为4 755 kN·m，距离桩顶11.41 m，最大剪力为914 kN，距离桩顶16.16 m，桩顶最大位移为54.5 mm。

朱泳[9]等在抗滑桩加固边坡稳定性影响因素的参数分析，选取桩头水平位移进行研究，通过对桩头位移-堆载关系曲线拟合，得出桩顶位移为44.3 mm，与本算例中第1 种情况吻合。

3）对比分析

通过上述两种设计支护方案，两者桩长相差9.5 m，桩径相差0.3 m，桩间距相差1.0 m，两方案，抗滑桩支护设计较优，其计算结果对比表见表5。

表5 计算结果对比表

1.2 案例2

某堤防工程，堤顶高程为354.00 m，堤顶宽度约2.55 m，面坡1:1.5，背坡1:3，堤防高程约5 m。因堤防下游修建航电枢纽，设计洪水位为358.00 m，超出堤顶4 m。对现有堤防进行加高加固。加固堤防一是不能过多侵占河道，影响河流泄洪；二是因堤防工程背坡有重要构筑物，也不能往堤后侵占太多空间。从地质情况来看，防止地基沉降过大以及不均匀沉降，新建堤防基础应置于砂卵石层，根据断面条件，新建堤防基础标高为342.00 m，堤顶取0.5 m 超高，高程为358.50 m，堤防高程约16.5 m，所以采用部分且垂直开挖的保护方式，开挖老堤防，形成基坑深度为12 m 的垂直边坡。其计算简图见图6，地质物理力学参数见表6。

图6 某堤防工程计算简图

表6 地质物理力学参数表

堤顶荷载取5 kPa，作用宽度为4 m，距离坑边距离1 m。堤后重要构筑物荷载取10 kPa，作用宽度1 m，距离坑边距离1 m。

1）排桩计算

①模型建立

采用基坑排桩支护设计时，破坏后果影响严重，支护结构安全等级为二级，结构重要性系数为1.0，通过理正软件进行计算，其计算模型见图7。

图7 基坑计算模型

②计算结果

根据计算，桩基最大弯矩为12 075 kN·m，最大剪力为1 361 kN。桩长为25 m，桩身最大位移为22.1 mm。桩径为1.2 m，桩间距为2.5 m，并设冠梁，宽度为1.6 m，高度1.0 m。

2）抗滑桩计算

采用抗滑桩支护设计时，该边坡为临时边坡，破坏后果严重，安全等级为二级，稳定安全系数为1.20。设计时，首先计算下滑力，然后根据剩余下滑力进行抗滑桩计算。

①模型建立

基坑以上分两层土，厚度分别为1 m 和11 m，下滑力计算模型见图8 和计算结果见图9。

图8 下滑力计算模型

图9 计算结果图

图10 抗滑桩计算简图

②计算结果

最不利滑动面：

滑动圆心=(-19.247，11.760) m；

滑动半径=22.513 m；

滑动安全系数=0.359；

总的下滑力=433 kN；

总的抗滑力=153 kN。

③抗滑桩支护设计

计算方法采用m 法，通过计算满足设计要求抗滑桩桩总长为25 m，锚固点覆土厚度为1.5 m，嵌入深度11.5 m，桩径为1.9 m，桩间距为2.5 m。

桩最大弯矩为10 762 kN·m，最大剪力为1 946 kN，桩顶最大位移为79.5 mm。

3）对比分析

通过上述两种设计支护方案，两者桩长相同，桩径相差0.7，桩间距相同，两方案，排桩支护设计较优。其计算结果对比表见表7。

表7 计算结果对比表

2 拓展分析

对于某建筑工程，通过抗滑桩设计及基坑排桩设计，以轴线100 m 计算，对比经济性，采用抗滑桩支护较优，较排桩支护，抗滑桩工程量约为其74 %。此建筑工程回填形成的基坑，采用抗滑桩设计较优。

对于某堤防工程，通过抗滑桩设计及基坑排桩设计，以轴线100 m 计算，对比经济性，采用排桩支护较优，较抗滑桩支护，排桩工程量约为其40 %。采用软件计算时，抗滑桩可直接可模拟堤防的背坡实际情况，而采用排桩支护时，排桩背侧为半无限体，增加了背侧填土，但是，在对比计算时，反而排桩设计较优。

因此，对于不同工程，不同的开挖深度，不同的地质情况，所采用的支护方式应多方面考虑，选择最优的方案。主要是由于边界条件的不同，地质条件存在差异。

为对比此两个工程，增加两组模型计算，一是建筑基坑，将基坑深度增加到12 m 进行计算；二是堤防支护，将基坑深度减小到6.85 m。通过计算对比，计算结果表8 和表9。

表8 计算结果对比表（h=12m）

表9 计算结果对比表（h=6.85m）

通过表中可得知：当基坑深度较深时，堤防与建筑都是排桩支护较优，而建筑中抗滑桩直径和间距相当。

通过表中可得知：当基坑深度较浅时，堤防与建筑都是抗滑桩支护较优。

从两个表对比来看，当基坑深度为12 m 时，排桩支护结构较优，两个案例对比，堤防工程排桩优势比较明显，其主要原因是地质条件相对较好。当基坑深度为6.85 m 时，抗滑桩支护结构较优，两个案例对比，堤防工程抗滑桩优势较明显。因此，当基坑由6.85 m 向12 m 递增时，必然会出现，两种支护结构方式在经济上相当。因各个工程地质等边界条件不相同，因此，无法定性分析临界具体的深度。但可得知，在支护设计时，若基坑或边坡开挖受外界条件限制，无法采用放坡型式，采用排桩或抗滑桩支护时，可通过两种方式对比进行分析，选取最优方案进行支护设计。

3 变形监测

上述某建筑工程案例于2019 年已完建，完建后通过监测水平位移[10]，其监测值见表10 和图11。

图11 典型断面水平位移监测值图

表10 位移监测值

经过完建后1 年的监测，该典型断面位移值最大为14.78 mm，其平均变化速率和累计变化量在控制范围内，后期随时间变化逐渐趋于稳定。结论证明，该建筑工程采用抗滑桩设计基本合理。

4 结语

1）在基坑与边坡支护中，选用的排桩支护与抗滑桩支护有共同之处也有不同之处。在开挖受外界条件限制，无法采用放坡型式，采用排桩或抗滑桩支护时，可通过两种方式对比进行分析，选取最优方案进行支护设计。

2）不同深度的基坑和边坡，采取抗滑桩或排桩经济性不同。当深度较小时，抗滑桩支护具有一定优势；当深度较大时，排桩支护具有一定的优势。因此，结构支护时，建议多方案进行比较论证。

3）当永久工程采用基坑排桩支护设计时，应结合桩基永久支护构造要求进行设计，其稳定安全系数应结合永久工程选取。