咬合樁拱形圍護結構在臨江拱座深基坑中的應用

吳事貴 蘇玉杰

摘 要：為解決二元結構臨江拱座深基坑施工過程中滲水量大、水土壓力大和征地困難的問題，在滿足實際工期需求的前提下，結合臨江拱座深基坑特殊的工程地質條件，提出了一種臨江拱座深基坑咬合樁拱形支護方案，分析了咬合樁拱形圍護結構的特征，校核了咬合樁拱形圍護結構強度，并對咬合樁拱形圍護結構的變形情況進行了監測。結果表明：1）咬合樁拱形圍護結構兼有擋土和止水作用，具有施工工期短、止水效果好、無需內支撐等優點;2）要使拱形結構的冠梁不受彎矩與剪力作用，則冠梁對應的半徑應為定值;3）依據冠梁受力特點設計的拱形圍護結構能利用冠梁自身強度分擔部分土壓力荷載，基坑冠梁安全性好，圍護結構受力合理，穩定性好，對周邊建筑物的影響在允許范圍。咬合樁拱形圍護結構支護方案實際應用效果良好，可為拱形咬合樁圍護結構設計及工程應用提供參考。

關鍵詞：地基基礎工程;二元結構;咬合樁;深基坑;拱形圍護結構

中圖分類號：TU476文獻標識碼：A

doi： 10.7535/hbgykj.2020yx05010

收稿日期：2020-04-16;修回日期：2020-06-25;責任編輯：張?軍

第一作者簡介：吳事貴（1977—），男，四川成都人，高級工程師，碩士，主要從事巖土工程勘察與基礎工程方面的研究。

通訊作者：蘇玉杰高級工程師。E-mail：511295090@qq.com

吳事貴，蘇玉杰.

咬合樁拱形圍護結構在臨江拱座深基坑中的應用

[J].河北工業科技，2020，37（5）：366-373.

WU Shigui，SU Yujie.

Application of arched retaining structure of secant piles in deep foundation pit near the river

[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2020，37（5）：366-373.

Application of arched retaining structure of secant piles in

deep foundation pit near the river

WU Shigui， SU Yujie

（Sichuan Highway Planning， Survey， Design and Research Institute Company Limited， Chengdu， Sichuan610041， China）

Abstract：

In order to solve the problems of large amount of water seepage， high water-soil pressure and difficult land acquisition of binary structure during the arched retaining structure construction in deep foundation pit near the river， under the premise ofmeeting the requirement of actual construction period， an arched secant pile support method of the arch deep foundation pit near the river was proposed with the special engineering geology taken into account. In this paper， the characteristics of the arched retaining structure of secant piles were analyzed， the arched retaining structure strength was checked and the deformation of the arched retaining structure of secant piles was monitored. The results indicate that： 1） the retaining structure has the functions of retaining soil and stopping water， and it has the advantages of the short construction period， good water stopping effect and unnecessary internal support; 2） to make the top beam of the arch structure free from bending moment and shear， the corresponding radius of the top beam should be a fixed value; 3） the arched retaining structure designed according to the mechanical characteristics of the top beam can share part of the earth pressure load by using the strength of the top beam.

The top beam has the advantages of good safety， reasonable stress of retaining structure and good stability，

Moreover， the influence of foundation pit excavation on the surrounding buildings is within the allowable range. Overall， the arched retaining structure of secant piles has a good application effect， and the research results can provide a reference for the design and engineering application of the arched retaining structure of secant piles.

Keywords：

ground foundation engineering; binary structure; secant pile; deep foundation pit; arched retaining structure

隨著基礎設施建設的不斷推進，各種平面構型的深基坑圍護結構不斷涌現。常見深基坑平面多布置為矩形[1-3]，實際應用中，將基坑四邊樁體排布成半徑相同或相近的拱邊，形成拱形圍護結構，基坑四角設置角點樁構成類似橋梁“拱座”結構時，基坑變形程度比直線型圍護結構小[4]。針對拱形圍護結構，張土喬等[4-5]分析了拱腳樁變形、拱形狀等因素對單支撐拱形圍護結構變形的影響和單支撐拱形圍護結構的內力與變形特征;張儀萍等[6]基于改進拱梁法分析了懸臂式拱形圍護結構的彎矩與變形情況;詹集明[7]介紹了鋼筋混凝土連拱形薄壁地下墻和鋼管混凝土連拱形內支撐基坑支護體系;呂文志等[8]研究了水泥攪拌樁連拱支擋結構在實際工程中的運用效果;王輝[9]將拱形結構引入抗滑樁中，指出拱形抗滑樁結構穩定性更好，且造價更低。

現有拱形圍護結構多選用水泥土攪拌樁進行支護，但水泥土攪拌樁在富水地層中成樁質量差，應用效果不佳。咬合樁止水性能好，適用于富水地層深基坑支護，且具有施工安全快捷、成孔垂直度高、造價低等優點[10-14]，可考慮替代水泥土攪拌樁，但其在拱形圍護結構中的工程應用尚屬空白，亟需對可行性進行驗證。筆者依托岷江特大橋拱座深基坑工程，提出采用咬合樁拱形圍護結構支護方案，并通過對該拱形圍護結構進行分析、校核、監測，驗證了方案的有效性。

1?工程概況

1.1?項目概況

本項目是G4216高速公路犍為岷江特大橋基礎工程，犍為岷江特大橋位于犍為縣城下游，橫跨岷江，橋身沿東西走向。此次開挖的拱座基坑是14號墩基坑，拱座基礎設計在弱風化基巖上，采用整體式擴大基礎，順橋向長50 m，橫橋向寬50.6 m?；游挥卺航c馬邊河交匯口上游，處于階地面平坦、開闊的沖積階地上，基坑安全等級為一級，位置如圖1所示。

1.2?工程地質條件

基坑自上而下，地層分別為第四系全新統Ⅰ級階地堆積層、粉砂質泥巖。Ⅰ級階地堆積層由粉土和卵石組成。堆積層粉土呈黃灰色，以粉粒為主，卵石以灰色為主，呈亞圓形-圓形，卵石層構成了臨江Ⅰ級階地二元結構的下層。堆積層下部為侏羅系蓬萊鎮組粉砂質泥巖。粉砂質泥巖呈紫紅色，鈣泥質膠結，粉泥質結構，薄層狀構造，層厚1～20 mm，總厚度大于100 m。堆積層粉土與泥巖的物理力學參數見表1和表2。依據現場調查和既有勘察成果，施工季馬邊河與岷江水位表如表3所示。

1.3?基坑支護方案

該基坑初始設計為雙排SMW工法樁與錨索加固的矩形基坑，使用5～6道錨索，每道錨索在砂漿滿足強度要求后張拉錨固，錨固工程量大，施工周期長?；邮┕ご┻^含二元結構的臨江Ⅰ級階地第四系堆積層，堆積層中卵石層厚度大，鉆孔攪拌困難，型鋼難以插入，成樁質量難以保證。針對該臨江拱座深基坑特殊的工程地質條件，提出改用咬合樁拱形圍護結構進行支護。由于基坑北側有民用建筑，為防止周圍建筑變形，北側基坑輔以錨索支護，其余各邊僅用拱形咬合樁支護?；庸斑呍O計參考拱橋結構設計，各拱邊對應圓的半徑為86.1 m、跨距為52.27 m、矢高為4.06 m，跨距與矢高之比滿足拱形結構的設計要求。咬合樁選用直徑1.4 m的鋼筋混凝土樁與直徑1.2 m的素混凝土樁咬合，相鄰兩樁咬合厚度為0.1 m，形成兼有擋土與止水功能的拱形圍護結構。咬合樁樁底嵌入基坑底部粉砂質泥巖中，嵌入深度為4.2 m，樁頂與截面大小為1.8 m×1.2 m的拱形冠梁連接，圍護結構中共設置葷樁84根，素樁88根?；?個角點上設置有抗力樁及加固樁，作為圍護結構各拱邊拱座?？沽稑稄綖? m，加固樁樁徑為1.4 m，均采用C30混凝土澆筑。咬合樁拱形圍護結構示意圖如圖2所示，咬合樁拱形圍護結構剖視圖如圖3所示。

2?咬合樁拱形圍護結構特征分析

本基坑咬合樁拱形圍護結構屬于典型的單排拱形樁結構，單排拱形樁是由連續的單排樁組成，單排樁平面布置為拱形，如圖4所示，拱形樁施工順序為1—2—3—4—5。拱形圍護結構可將咬合樁傳遞的荷載轉化為冠梁軸力，冠梁與咬合樁所受彎矩與剪力較小。拱形結構的軸線為曲線，受豎向力作用后在拱形結構底座處產生水平反力，抵抗拱形結構變形。咬合樁的拱形排布方式能有效減小樁后土壓力，整體提高結構總剛度，使咬合樁側向變形減小，從源頭上降低了基坑地表沉降與建筑物變形的風險，提高了基坑整體穩定性。

2.1?咬合樁樁身及樁底作用

拱形咬合樁受土體自重及外部荷載產生的側壓力作用，側壓力首先作用于咬合樁樁身上，根據樁后土體力學性質的不同，土壓力荷載分布形式可分三角形、矩形或梯形。咬合樁受壓后，樁體發生變形，產生樁身內力，樁身內力再通過錨固段樁體將荷載傳遞到拱形基坑下伏的基巖中，從而達到抵抗樁后土體變形的目的。

由式（11）-式（14）計算可得，基巖承壓面平均壓應力為1 967 kPa，咬合樁安全系數可表示為

K1=fcσc1，（15）

式中fc為粉砂質泥巖抗壓強度，kPa。

由式（15）及表2計算可得，咬合樁嵌固段安全系數為2.03，表明咬合樁設計能夠滿足安全需求。

3.3.2?咬合樁樁身抗壓強度校核

拱形圍護結構徑向分布荷載的2/5由基巖強風化中線至冠梁間的樁身傳遞至抗力樁及加固樁，這部分荷載可表示為

FN2=25FN。（16）

葷樁與素樁的咬合面面積為

Sj=LyHy，（17）

式中：Ly是葷樁與素樁咬合面寬度，m，Ly=0.5 m;Hy是基巖強風化中線至冠梁底部的高度，m，Hy=8.8 m。

咬合樁樁身平均壓應力為

σ2=FN2Sj，（18）

由式（16）-式（18）計算可得，承壓面平均壓應力為4.053 MPa，咬合樁樁身安全系數可表示為

K2=fc1σc2，（19）

式中fc1為C30混凝土抗壓強度，kPa，fc1=143 kPa。

聯立式（16）-式（19），計算可得咬合樁樁身抗壓強度安全系數為3.53，表明咬合樁樁身足以抵抗外部荷載，樁身設計滿足安全要求。

3.3.3?冠梁抗壓強度校核

咬合樁徑向荷載的1/5由樁頂冠梁傳遞至抗力樁及加固樁，此部分荷載可表示為

FN3=15FN。（20）

冠梁橫截面上的平均壓應力可表示為

σ3=FN3Sg，（21）

式中Sg為冠梁橫截面面積，m2，Sg=2.16 m2。

由式（20）-式（21）計算可得，冠梁橫截面所受平均壓應力為4.129 MPa，冠梁抗壓安全系數可表示為

K3=fc1σc3。（22）

聯立式（20）-式（22），可得冠梁抗壓安全系數為346，表明冠梁強度足以抵抗冠梁內部壓應力，冠梁截面設計滿足安全要求。

4?咬合樁拱形圍護結構變形監測

圍護結構變形監測能為基坑動態設計和信息化施工提供保障，保證施工期基坑安全，是定量評價施工質量及施工安全的有效手段。為方便開展基坑監測工作，為角點樁和咬合樁進行編號。假定基坑東北側抗力樁為東側1號樁，加固樁為2號樁和3號樁，東側拱邊北端第1根素樁為4號樁，第1根葷樁為5號樁，依次類推，順時針對各拱邊咬合樁進行編號。各拱邊中點葷樁為該邊25號樁，1/4處葷樁為該邊15號樁與35號樁。文中所涉及的基坑監測點布置圖如圖6所示。

4.1?冠梁變形

拱邊冠梁水平位移監測點布置在咬合樁葷樁樁頂，位于各拱邊的15號樁、25號樁、35號樁處，共12個。施工期冠梁變形監測最大值如圖7所示?；幽媳眱蓚裙斑吂诹褐行淖冃未笥跂|西兩側拱邊，其中南側拱邊中心變形量明顯大于北側拱邊中心變形量，這是因為基坑北側拱邊采用了錨索輔助加固，限制了基坑北側冠梁的變形。盡管南側拱邊中心處冠梁變形量最大，但遠遠小于預警值40 mm，表明基坑冠梁安全性好。

4.2?咬合樁樁身變形

基坑開挖卸荷時，咬合樁樁身受樁后土壓力作用發生變形，樁身變形監測是基坑監測的重要內容。本工程樁身變形監測點設置在各拱邊的15號樁、25號樁、35號樁樁身。每根樁樁頂下方3，6 m處設置2個監測點。選取西側基坑開挖時，拱邊25號樁樁身位移變化最大的7 d對應的監測結果繪制樁身變形圖，如圖8所示。樁身最大位移值不超過5 mm，單日變化量最大值為1.2 mm，小于一級基坑對應的預警值。表明基坑圍護結構穩定，拱形圍護結構支擋作用良好。

4.3?周邊建筑物變形

基坑北側建筑物臨近基坑，受基坑開挖影響，北側房屋是基坑監測的重點。本次建筑物監測主要觀測建筑物的傾斜變形與既有裂縫的變化情況。

1）傾斜變形?對周圍建筑物進行監測時，傾斜監測點布置在建筑物外墻面墻角處、外墻面中間及靠近基坑的關鍵部位。傾斜度變化較大的觀測點1處的觀測值如圖9所示?；优R近建筑物傾斜度在01%左右浮動，小于規范規定的0.2%～0.4%的限制值。說明基坑開挖對建筑物安全的影響在規范允許范圍內。

2）既有裂縫?既有裂縫監測需要在基坑開挖前詳細描述既有裂縫的長度與寬度，并對裂縫進行拍照記錄。每條既有裂縫監測時需在最寬處與裂縫尖端設置2個監測點。變化量最大的既有裂縫A裂縫寬度監測結果如圖10所示。依據《建筑基坑工程監測技術規范》（GB 50497—2016），建筑基坑臨近建筑裂縫寬度累計值為1.5～3 mm。由圖10可知，本基坑周圍變化最大的既有裂縫總寬度小于最小預警值，表明拱座深基坑施工對周圍建筑物既有裂縫影響在合理范圍內，臨近建筑物安全。

5?結?語

為解決臨江深基坑施工過程中滲水量大、水土壓力大和征地困難的問題，針對該基坑特殊的工程地質特點，提出采用咬合樁拱形圍護結構支護方案，經分析、校核、監測，得出以下結論。

1）咬合樁拱形圍護結構具有施工工期短，止水效果好，無需內支撐等優點，兼有擋土與止水的功用。

2）要使拱邊冠梁彎矩與剪力為0，則拱形結構合理拱軸線對應半徑應為定值。拱形結構利用冠梁自身抗壓強度分擔部分土壓力荷載，力學結構合理。

3）采用咬合樁拱形圍護結構對臨江拱座深基坑進行支護時，圍護結構安全性系數高，冠梁水平位移與咬合樁樁身變形小，基坑整體穩定性好，基坑臨近建筑物傾斜變形和裂縫寬度變化均在安全范圍內，咬合樁拱形圍護結構能充分滿足安全需求。

4）咬合樁拱形圍護結構在犍為岷江特大橋拱座深基坑工程中應用效果良好，可滿足實際施工需求。

本文對該圍護結構的受力特點和應用情況進行了簡要分析，但對拱形圍護結構整體變形特點的研究不夠深入，有待使用數值試驗軟件對其整體變形特征進行深入分析，為類似工程提供更有價值的參考。

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