斜桩与直桩组合多级支护在基坑中的应用与分析*

余地华，田 野,2，赖国梁，陈 国，宋 志，张 涛，柳 瑶

(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)

0 引言

倾斜桩支护和多级支护是两种可提高悬臂式支护深度的新型支护结构，在一些装配式廊道、车站和深大沉井等因自身结构不宜使用支撑或其他需要减少或消除支撑使用且支护深度合适的情况下，倾斜桩、多级支护及其组合支护结构不失为一种比较好的选择。

作为推动基坑工程绿色建造和可持续发展的需要，很多学者和工程技术人员对倾斜桩及多级支护开展了广泛研究，如任望东等[1]开展了多级支护破坏模式及稳定性参数分析；郑刚等[2]对基坑多级支护的概念、形式、机理及破坏模式进行了研究和总结，首次提出了设置倾斜桩的多级支护形式；翁其平等[3]，刘杰等[4]，李松等[5]从工程应用的角度，开展了多级支护的工程应用分析；在倾斜桩研究方面，王恩钰等[6]，孔德森等[7]，刁钰等[8]开展了倾斜桩支护的数值分析，提出了倾斜桩所具有的内力和位移控制优势，其中郑刚等[9]提出了斜-直交替支护桩的刚架、斜撑和重力三大机理效应；郑刚等[10]通过三维数值模型和室内试验，开展了倾斜桩支护稳定性及分析方法的研究，从试验角度证明了倾斜桩所具有的支护优势。已有的研究为倾斜桩和多级支护的工程应用奠定了坚实的理论和工程应用基础[11-12]。受施工影响，一些倾斜桩支护结构在工程实践中较难实现从而制约了其工程应用，而将倾斜桩与多级支护进行结合，可以利用更经济的建筑资源产生更好的支护效果。目前针对斜桩与直桩组合的多级支护结构相关研究较少，相关工程应用也不多，本文以工程实例为基础，分析斜桩与直桩组合的多级支护结构支护方式、支护参数等因素对支护效果的影响，以期为支护结构优化及类似工程提供参考。

1 工程概况及数值模型分析

1.1 工程概况

工程项目位于武汉经济技术开发区硃山湖以南，拟建区属剥蚀堆积垄岗及岗间坳沟地貌，相当于长江三级阶地。项目设置地下室2层，基坑周长1 200m，开挖深度11.25m，本文选取基坑南侧典型剖面进行分析，结合地下室车道，南侧采用斜桩与直桩组合的多级支护结构进行支护，第1级支护高4.0m，采用桩径0.9m、间距2.2m、桩长18m直桩；第2级支护高7.25m，采用倾斜15°、桩径0.9m、桩间距1.1m、桩长 16m斜桩，一、二级平台宽3m，典型支护剖面如图1所示。

图1 基坑支护结构剖面

1.2 数值模型分析

本文采用Plaxis 2D小应变硬化土模型(HSS)进行土体模拟，根据勘察资料，同时结合当地经验，土层参数如表1所示，建立平面模型尺寸及网格如图2所示。桩和冠梁采用板单元，弹性模量取30GPa、重度25kN/m3、泊松比0.2。根据刚度等效原则，前斜桩等效厚度0.71m，后直桩等效厚度0.56m。模型顶面为自由面，其他各面设置法向约束。

表1 土层计算参数

图2 模型尺寸及网格

1.3 计算结果与实测分析

为验证基坑开挖效果，在南侧采用斜桩与直桩组合的多级支护位置设置深层土体测斜管，同时将数值计算的水平位移与实测结果进行对比，如图3所示。数值计算第1级支护直桩最大桩身位移为22.20mm，第2级支护斜桩最大桩身位移为9.12mm，监测最大水平位移为19.31mm，数值计算与实测第1级直桩位移接近，第2级斜桩位移明显小于土体深层位移。同时数值计算显示，整体位移主要还是发生在第1级支护或基坑上部，且直桩和斜桩存在端部位移，这是由于斜桩作用使桩底有朝向基坑的运动趋势[7]。数值计算与监测结果对比表明了基坑结构的安全性和数值计算的可靠性，模型较好地反映了基坑开挖的变形特性。

图3 实测与计算结果对比

2 参数影响分析

为进一步研究斜桩与直桩组合的多级支护结构支护方式、支护参数等因素对支护效果的影响，采用简化模型，取④1黏土作为单一土层进行计算分析，模型尺寸与前述实例一致，模型中支护桩等效厚度为0.60m、支护桩长均为15m、支护深度为10m。本文研究一直一斜、一斜一直及两斜多级支护方式的开挖效果(见图4)，比较不同开挖深度比H1/H2、不同平台宽度B及不同倾斜角度下，斜桩与直桩组合的多级支护结构位移变化情况，从而分析参数变化对支护效果的影响。几何参数分析取值如表2所示。

图4 斜直组合多级支护结构

表2 参数取值范围

2.1 支护类型及分级高度

为研究不同支护类型及分级高度对支护结构位移的影响，分别计算一直一斜、一斜一直及两斜多级支护结构桩身位移，同时计算两直多级支护结构进行对比分析，其中分级平台宽度为4m、斜桩角度为15°,计算结果如图5所示。结果表明，斜桩与直桩组合的多级支护结构中第1,2级桩身位移均明显小于对应的两直桩多级支护，且第1级桩身位移均大于第2级桩身位移，说明将斜桩与多级支护进行组合可显著控制位移，且最大位移均发生在第1级支护。一直一斜各级支护位移随H1/H2增大而增大，一斜一直各级支护位移随H1/H2增大而增大，但当第1级支护高度小于第2级支护高度时(H1/H2<5/5)，一直一斜相比一斜一直各级位移更小，说明当第1级支护高度较小时，可优先选择一直一斜多级支护结构，反之，则优先选择一斜一直结构，同时在结构选择中要考虑斜桩对地下室结构的影响及各级支护桩间的相互影响。若支护空间允许，也可采用二级均为斜桩的分级支护结构，其各级桩身位移相比其他结构更小，且受分级高度的影响也较小。

图5 斜-直组合多级支护不同分级高度位移

2.2 平台宽度

图6为计算一直一斜、一斜一直及两斜多级支护结构桩身位移随平台宽度的变化，其中分级高度H1/H2为5/5、斜桩角度为15°。结果表明，各类型多级支护结构在平台宽度<10m时(1倍挖深)，各级位移随平台宽度快速减小；平台宽度为10～20m时(1～2倍挖深)，各级位移随平台宽度缓慢减小；平台宽度>20m时(2倍挖深)，各级位移随平台宽度变化趋于平稳直至无显著影响。在1倍基坑挖深范围内增大平台宽度，对斜桩与直桩组合的多级支护结构减控制位移效果更好。

2.3 倾斜角度

图7为斜-直组合多级支护结构桩身位移随倾斜角度的变化，其中分级高度H1/H2为5/5、平台宽度B为5m。计算表明，斜-直组合结构每级支护桩身位移均随角度增大而减小，其中一斜一直及二斜多级支护结构在0°～5°倾角范围内位移下降更快，其后桩身位移受角度影响变化较均匀。考虑支护结构总体位移主要发生在第1级支护中，第1级支护采用斜桩支护位移控制效果更优，同时要考虑支护桩倾斜时的交叉影响及倾斜桩端嵌固应穿过滑裂面一定深度，以保证支护的整体稳定性。同样，二斜多级支护结构因其更好的位移控制效果，在支护空间较大或位移控制要求较严情况下，可以优先采用。

3 结语

本文以工程实例为基础，通过数值计算与实测分析，验证斜桩与直桩组合多级支护良好的位移控制优势和支护效果。采用简化模型，开展斜-直组合多级支护结构分级高度比、平台宽度、倾斜角度等参数对支护效果的影响分析，得到主要结论如下。

1)斜桩与多级支护进行组合可显著控制位移，且最大位移主要发生在第1级支护。根据分级高度对支护结构位移的影响分析，当第1级支护高度较小时，可优先选择一直一斜多级支护结构，反之，则宜选择一斜一直结构。

2)在1倍基坑挖深范围内增大平台宽度，对斜桩与直桩组合的多级支护结构减少位移效果更好，平台宽度超过1倍挖深时，各级桩身位移随平台宽度变化趋于平稳。

3)第一级为斜桩的多级支护在0°～5°倾角范围内桩身位移随倾角增加降幅更大，其后变化趋于均匀，工程中需满足斜-直组合多级支护的整体稳定性，在支护空间较大或位移控制要求更严时，可采用二斜多级支护结构。