雙排長短樁前后排樁配比組合的支護效果

朱隆奇，馬 闖，安廣強，楊冰穎，楊 犇

（安徽理工大學土木建筑學院，安徽淮南 232000）

在深基坑土工工程施工期間，縱向支撐防護結構與橫向支撐保護結構是深基坑經常使用的支護方式［1］。但是基坑大量使用水平支撐，會導致對場地空間、造價成本、施工工期的限制，則會產生資源浪費和環境污染。然而單排樁又不能滿足基坑的變形要求，故雙排樁能夠很大程度上提高結構剛度且減小基坑水平位移［2-3］，現其作為一種具有應用價值和經濟效益的支護結構被廣泛應用于工程實踐中［4-5］。

針對雙排深基坑的支護結構受力特點［6］，相關研究人員從支護空間效應［7］、土拱力學效應［8］、基坑周圍壓力分布等方面［9］進行了深入研究，并提出了雙排樁支護模型［10-11］。孫濤等［12］使用PLAXIS軟件分析了雙排樁最優的支護距離，并分析了深基坑在挖掘期間出現的周圍土壤壓力與支護變形問題，指出在2D、4D排距范圍內，能夠獲得良好的樁護效果。俞建霖等［13］使用數值分析法，對影響深埋重力-門架式圍護結構的因素展開細致描述，說明該結構能夠有效降低圍護結構的變形與彎矩。楊光華等［14］為了改變雙排樁模型存在的不足，對深基坑表面之下的壓力情況進行測量，并使用彈性地基梁法進行計算，在該計算模式中，要思考被動土壓力，按照彈簧的反力進行計算。在雙排樁之間的土中增加了效果相同的土柱剛度，取壓縮剛度的最大值，能夠讓計算結果成準確，對比有限元有工程測試結果，更加合理。于洋等［15］以FLAC 3D為基礎進行有限差分建模，對有連梁雙排抗滑樁的不同錨固定深度對內部壓力、結構變形的影響。研究顯示，在雙排支撐防護結構中，采取連梁工程設計，可以增加雙排樁的嵌入深度，對樁頂位移、彎矩、樁身壓力等方面會產生影響，并且與臨界值有一定關聯。當位移值大于臨界值時，要提升后排樁嵌入土里的深度，可以使樁頂水平位移情況得到改善。

通過對前人研究資料進行整理分析發現，在雙排樁的深基坑支撐防護建設過程中，排樁長度和樁距大小會對支撐與防護結構的穩定、安全和價格等方面產生重大影響，而對于前排樁和后排樁排樁長度和樁距大小對支撐與防護結構的研究很少。本文從實際案例角度出發，采用Midas GTS/NX軟件進行建模，驗證工程建筑結果，并且建立不同形式的雙排樁的支護結構模型，比較其樁身變形和坑外沉降之間的不同。

1 工程概況

1.1 施工項目概況

項目計劃新建5棟建筑，（4棟建筑高32層，1棟建筑高27層），全部使用框架剪力墻結構，包含地下室2層。其中某支護段采用“基坑北側（ABCD段）采用雙排樁支護+攪拌樁帷幕止水”方案，如圖1所示。

圖1 基坑平面解析示意

樁頂低于自然地面1.8 m，樁芯直徑為1.2 m，冠梁規格為高×寬（1 000mm×1 200mm），前后排均為混凝土灌注樁D1 200 mm@1 600 mm，樁間采用D550mm@400mm的攪拌樁（長度約為6.5m）形成止水帷幕。該建筑的樁芯與冠梁使用C30商品混凝土。

1.2 水文地質條件

施工建模選擇Midas GTX NX軟件來修正摩爾-庫倫模型。根據勘察資料，同時結合當地經驗，得到土層參數平面實際數據分別如表1、圖2所示。使用梁單元計算連梁與樁頂的間距，設置彈性模量為30 GPa、重度為每立方米24.5 kN、泊松比為0.2。

表1 土層物理力學參數

圖2 1-1基坑支護結構橫面解析mm

2 數值模擬分析

為驗證基坑開挖效果，模型北側采用“雙排樁支護+攪拌樁帷幕止水”支護設置，同時比較樁頂位移、基坑周邊水平位移位移、周邊沉降和實際測量結果之間的差異，結果如圖3所示。數值計算最大基坑周邊水平位移為12.40 mm，監測最大水平位移為8.8 mm；數值計算最大樁頂水平位移為9.80 mm，監測最大水平位移為7.3 mm；數值計算最大基坑周邊沉降為16.90 mm，監測最大沉降量為14.20 mm，數值計算與監測位移接近。數值計算與監測結果對比表明了基坑結構的安全性和數值計算的可靠性，模型較好地反映了基坑開挖的變形特性。

3 參數影響分析

比較建模結果和監測數據，構建多種形式不同的二維雙排樁支撐與防護模型，對樁身變形和土地變形的發展趨勢進行研究，如圖4所示。模型長度為60 m、高度為40 m，深基坑為10 m。模型土基于工程實測，參數的具體數值情況如表1所示，止水帷幕和地下室情況不作考慮。由于深基坑深度為10 m，所以支撐與防護的樁身直徑為1.2 m，樁間距為1.6 m，樁長取為14 m。本文研究比較前后樁樁長（H1/H2）、不同前后樁樁間距（B1/B2），雙排樁支護結構位移變化情況及坑外土體沉降情況，從而分析參數變化對支護效果的影響。幾何參數分析取值如表2所示。

表2 模型幾何參數取值范圍

圖4 監測與計算結果對比

3.1 前排樁樁長改變對雙排樁支護效果的影響

當前排樁的樁長改變后，會對雙排樁的支撐與防護效果產生影響，具體參數變化如表2所示。通過控制雙排樁的樁間距及其后排樁樁長保持不變，單一改變前排樁樁長，建立不同前排樁樁長配比模型，并計算基坑挖掘到深基坑底部后樁身水平變形和坑外沉降，分析對應配比雙排樁支護效果以及坑外沉降情況。

雙排樁改變前排樁樁長的樁身水平位移與坑外水平距離沉降如圖5所示，圖右側為僅改變前排樁樁長的雙排樁樁身水平位移情況，橫坐標為樁水平位移量，縱坐標為樁埋深量；圖左側為使用僅改變前排樁樁長配比的雙排樁的基坑開挖后坑外沉降情況，橫坐標為距離基坑水平距離，縱坐標為坑外沉降量。

圖5 雙排樁改變前排樁樁長的樁身水平位移與坑外水平距離沉降

由圖5可以看出，對于樁身水平變形，當前排樁的樁長增加后，樁頂水平位移量減小且變化顯著，樁底水平位移量增加但變化不顯著。伴隨前排樁樁長增加，后排樁的底部沒有發生明顯的位移，頂部位移越來越小且變化明顯。雙排樁的前后排樁配比16/14樁身最大水平變形值分別為21.1 mm（前排）和23.4 mm（后排），雙排樁的前后排樁配比12/14樁身最大水平變形值分別為33.9 mm（前排）和36.1 mm（后排），較配比12/14分別減小37.8%（前排）和35.2%（后排）。對比以上5種配比方式，樁身變形情況基本一致，前排樁與后排樁水平變形的峰值都出現在樁頂。在這些前后排樁配比中，前排樁配比較長的樁身上半部分變形情況比前排樁配比較短的變形小。因為樁底部分能夠有效制約坑內土地隆起情況，所以前排樁配比較長的雙排樁變形相較前排樁配比較短的雙排樁大。并且前后排樁配比大于14/14的雙排樁支護的坑外沉降沒有明顯差別；前后排樁配比為12/14的最大坑外沉降值為12.2 mm。

3.2 后排樁樁長改變對雙排樁支護效果的影響

比較后排樁樁長改變后對雙排樁支撐與防護效果的影響情況，結果如表2所示。通過控制雙排樁的樁間距及其前排樁樁長保持不變，單一改變后排樁樁長，建立不同后排樁樁長配比模型，并計算基坑挖掘到深基坑底部后樁身水平變形和坑外沉降，分析對應配比雙排樁支護效果以及坑外沉降情況。

雙排樁改變后排樁樁長的樁身水平位移與坑外水平距離沉降如圖6所示，圖右側為僅改變后排樁樁長的雙排樁樁身水平位移情況，橫坐標為樁水平位移量，縱坐標為樁埋深量；圖左側為使用僅改變后排樁樁長配比的雙排樁的基坑開挖后坑外沉降情況，橫坐標為距離基坑水平距離，縱坐標為坑外沉降量。

圖6 雙排樁改變后排樁樁長的樁身水平位移與坑外水平距離沉降

由圖6可以看出，對于樁身水平變形，隨著后排樁整體長度的加長，前排樁的頂部會縮小位移變化，并且底部位移情況也不明顯，后排樁的樁底水平位移呈現出逐漸增大的趨勢且變化幅度不明顯。雙排樁的前后排樁5種配比中，配比14/12樁身最大水平變形值分別為27.5 mm（前排）和29.3 mm（后排），配比14/16樁身最大水平變形值分別為26.9 mm（前排）和29.1 mm（后排），較配比14/12分別減小2.2%（前排）和0.007%（后排）。以上5種雙排樁的配比形式十分相近，前排樁水平變形的峰值都為頂部。在這些配比中，前后排樁的后排樁配比較長的樁身上部區段水平變形小于前排樁較短的雙排樁，僅樁底部分區段情況與3.1節相同。同時，在此前后排樁的所有配比中，雙排樁支護隨著后排樁樁長的增加，坑外最大沉降值逐漸減小。前后排樁配比為14/16的最大坑外沉降值為9.7 mm，為14/12的最大坑外沉降值為10.2 mm，較配比14/12減小4.9%。

3.3 前排樁樁間距改變對雙排樁支護效果的影響

比較前排樁間距發生變化后，對雙排樁支撐與防護效果影響情況（表2）。通過控制雙排樁的樁長及其后排樁樁間距保持不變，單一改變前排樁樁間距，建立不同前排樁樁間距配比模型，并計算基坑挖掘到深基坑底部后樁身水平變形和坑外沉降，分析對應配比雙排樁支護效果以及坑外沉降情況。

雙排樁改變前排樁樁間距的樁身水平位移與坑外水平距離沉降如圖7所示，圖右側為僅改變前排樁樁間距的雙排樁樁身水平位移情況，橫坐標為樁水平位移量，縱坐標為樁埋深量；圖左側為使用僅改變前排樁樁間距配比的雙排樁的基坑開挖后坑外沉降情況，橫坐標為距離基坑水平距離，縱坐標為坑外沉降量。

圖7 雙排樁改變前排樁樁間距的樁身水平位移與坑外水平距離沉降

由圖7可以看出，對于樁身水平變形，隨著前排樁樁間距的逐漸增大，前排樁的水平位移都呈現逐漸增大的趨勢且變化幅度極小，前排樁底部沒有發生顯著的位移；當前排樁間距上升后，后排樁底位移變化不顯著，后排樁頂位移增加，但是沒有顯著變化。雙排樁的前后排樁5種配比中，配比1.2/1.6樁身最大水平變形值分別為25.8 mm（前排）和19.9 mm（后排），配比2/1.6樁身最大水平變形值分別為26.7 mm（前排）和20.6 mm（后排），比2/1.6配比情況下的前排樁減小3.4%，后排樁減小3.5%。以上配比方式下，樁身的水平變形變化不明顯，前排樁與后排樁的水平變形峰值都為頂部。在這些配比中，前后排樁前排樁轉間距配比較小的樁身上部區段水平變形小于前排樁樁間距較大的雙排樁，樁底部分區段位移基本無差別。同時，雙排樁支護隨著前排樁樁間距的增加，坑外最大沉降值逐漸增加，前后排樁樁間距配比為2/1.6的最大坑外沉降值為8.7 mm。

3.4 后排樁樁間距改變對雙排樁支護效果的影響

比較后排樁間距發生變化后對雙排樁支撐與防護效果的影響情況，結果如表2所示。通過控制雙排樁的樁長及其前排樁樁間距保持不變，單一改變后排樁樁間距，建立不同后排樁樁間距配比模型，并計算基坑挖掘到深基坑底部后樁身水平變形和坑外沉降，分析對應配比雙排樁支護效果以及坑外沉降情況。

雙排樁改變后排樁樁間距的樁身水平位移與坑外水平距離沉降如圖8所示，圖右側為僅改變后排樁樁間距的雙排樁樁身水平位移情況，橫坐標為樁水平位移量，縱坐標為樁埋深量；圖左側為使用僅改變后排樁樁間距配比的雙排樁的基坑開挖后坑外沉降情況，橫坐標為距離基坑水平距離，縱坐標為坑外沉降量。

圖8 雙排樁改變后排樁樁間距的樁身水平位移與坑外水平距離沉降

由圖8可以看出，對于樁身水平變形，當后排樁間距加大后，前排樁水平位移發生增加趨勢，變化幅度可忽略不計；前排樁底橫向位移變化不顯著，后排樁間距加大，后排樁頂和樁底變化不顯著。5種配比支撐與方式形式下，樁身水平位移相近，前排樁與后排樁的水平變形峰值都為頂部。同時，雙排樁支護隨著后排樁樁間距的增加，坑外最大沉降值逐漸增加；前后排樁樁間距配比為1.6/2的最大坑外沉降值為8.9mm，前后排樁樁間距配比為1.6/1.2的最大坑外沉降值為6.8 mm，較配比1.6/2減小了23.6%。

4 結 論

（1）相比于傳統雙排樁支護，在相同用樁量的情況下，改善雙排樁的前后排樁樁長，以及前排樁和后排樁之間的距離，能夠更好地穩定支撐結構，盡量避免出現樁身變形和深基坑周圍出現沉降問題。

（2）前排樁的樁長對雙排樁樁身的位移影響較大，設計中可適當增加前排樁長度；后排樁的樁長變化對雙排樁位移影響不大，在設計中可適當減少其長度，以減少成本。

（3）在保持前排樁樁量的前提下，后排樁的樁長改變，對坑外土體沉降影響不大。

（4）在不改變雙排樁樁長的情況下，隨著雙排樁樁間距的增加，前排樁的樁間距改變對樁身位移影響比后排樁的大，且后排樁的樁間距對樁身位移影響不大。

（5）當前排樁和后排樁之間的距離不斷增加時，基坑外部的土體下沉情況也會逐步增強。