自稳式倾斜桩在深基坑的设计与应用

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摘要：文中以实际落地深基坑工程为例，通过启明星FRWS9.0软件内力与变形计算发现，“自稳式”倾斜桩的受力模式区别于双排桩，更接近于桩锚体系，前排斜桩轴力分解为水平和竖直两个方向，为桩顶提供了一定的水平支撑力。通过实际监测数据分析，得到“自稳式”倾斜桩能够在深基坑中有效地控制土体位移，并且对比前后排桩体在水平和竖直两个方向的变形量可以侧面印证前排斜桩的自撑作用。与传统的围护体系相比，“自稳式”倾斜桩具有施工方便、缩短工期、绿色施工、节约成本等优势。最后对该围护体系在深基坑中的应用问题进行了阐述，对其发展前景进行了展望。

关键词：自稳式；倾斜桩；双排桩；深基坑

倾斜桩支护体系是在双排桩和传统斜抛撑支护体系的基础上发展而来的一种新型的“自稳式”支护方式，在深基坑中应用广泛，但是相关的设计规范和理论依据还有待完善[1-3]。本文首先分析了“自稳式”倾斜桩的相关技术特色，再结合实际工程案例，开展相关讨论与比对分析，为今后类似的基坑工程提供参考和借鉴。

1技术特色分析

从受力特点和围护机理两方面分析倾斜桩的技术特色，主要总结为以下两点：前排斜撑的自我稳定作用和前排斜桩对坑底的减隆作用。

1.1自撑作用

在坑外超载以及土体压力的作用下，前、后排桩会产生竖向抗力，类似桩承载力的特点，在桩侧周围及桩端会产生与之对抗的侧摩阻力和桩端阻力。由于前排斜桩特殊的受力特性，可将其提供的桩身抗力分解为两部分，一部分与后排桩共同承担抵抗坑外超载及土压力所产生的荷载，另一部分则在水平方向提供一部分的支撑力，与压顶梁协同控制桩顶的位移。

1.2减隆作用

隆起现象的产生主要是绕支撑点土体沿着危险截面（滑动面）的滑移，从理论分析，滑动力主要由坑外土体自重与坑外超载所产生的沿滑动面上的力学分量组成，而抗滑力则由两部分组成，坑内土体自重在滑动面上的力学分量以及滑动面上由土体粘聚力所产生的抗力。前排的斜桩能有效地增加滑动土体的圆弧半径，也就是增加了滑动面的长度，致使土体能够提供更多的抗力，对减少坑底隆起有显著的作用。

2基坑工程实例

2.1典型剖面设置

某地块基坑深9.90m，由于开挖范围较广，大范围使用混凝土支撑显然不切实际，考虑到围护成本及施工周期（拆撑）等综合因素，最终决定采用双排桩的支护形式，本文选取其典型支护剖面进行分析，详见图1。其中前排桩为倾斜桩（采用高压旋喷配合钢格构柱）、后排桩为垂直的混凝土灌注桩。后排桩取桩径0.8m、间距1m，前排桩间距视基础承台位置而定，最大无撑间距不超8m，否则采用双排桩加固形式，前排倾斜桩倾斜45°，桩顶设置冠梁截面为1.1m×0.8m，前排桩与后排桩通过冠梁往坑内悬挑的连梁进行连接，通过混凝土现浇形成刚性节点。

2.2地质参数

根据勘察报告，场地自上而下地层分布依次是：①杂填土（Q43）、②-1砂质粉土（al-mQ41）、②-2淤泥质粉质粘土（al-mQ42）、②-3粉质粘土（al-mQ41）、③细砂（alQ22）、④-2强风化泥质粉砂岩、④-3中风化泥质粉砂岩、⑤-2强风化砂岩、⑤-3中风化砂岩。

3计算结果分析

本文采用启明星FRWS9.0的超前斜撑模块进行模拟计算，通过与实测数据比对分析发现，计算结果相对准确。

3.1建立模型

相关的岩土参数按照勘察报告中的粘聚力C、内摩擦角φ的试验峰值进行打折取用，采用m法进行内力计算，相关m值由软件自动计算而得（可根据经验值稍作修改），地面超载按20kPa考虑，临近道路荷载按15kPa暂取，桩长、直径、间距按典型剖面图2取值，考虑到斜撑打设角度的折减，超前斜撑的支撑刚度按20MN/m2取值。

3.2内力位移计算结果分析

针对该实际项目的各工况下的变形内力图进行包络分析，可以看到最大位移为35.2mm，最大正弯矩为774.5kN·m，最大负弯矩为387.2kN·m，最大剪力为358.1kN，内力位移包络图详见图2。观察图2不难发现，不管是位移图还是弯矩图，都呈现出由小到大再缩小的一个过程趋势，第二部分的内力减小主要是由于计算深度达到坑底，坑内的被动土压力逐渐开始发挥作用，抵消掉一部分的主动土压力，再随着深度的增加被动土压力足以抵抗主动土压力，内力与变形逐渐趋向于零。由第一部分内力变形的衍化过程可知，此种曲线类似于存在一道内支撑加刚性桩的围护形式，由于内支撑提供了一定的约束反力，限制了桩顶的变形，故曲线由上到下数值逐渐增大，区别于悬臂桩的围护形式，由于顶部没有任何的约束，所以曲线呈现出一条下端接近于零值上端最大的平滑曲线。从以上分析可以看出，各工况下“自稳式”倾斜桩体的内力、变形与桩锚围护形式极为类似，这就从侧面反映出前排斜桩在一定程度上提供了一部分的侧向支撑力，对桩顶变形有限制作用。

4基坑监测结果分析

4.1监测点的布置及测量

采用测斜仪监测深层土体水平位移，每0.5m进行一次测量，测斜仪按照15m/个的距离埋入围护桩体内进行布置，测定深度为20m，监测变形报警值为45mm，预警值为报警值的80%（36mm），前排斜桩和后排直桩同步进行测量。在灌注桩下钢筋笼时，将导管同步绑扎在主筋位置，保证导管测量深度达到设计标高，并且管孔高出基坑顶面至少0.5m，做好警示标牌。导管设置时，轨道应分别与坑内、坑外两个方向平行，保证围护桩与导管同步变形，监测数据能够直接准确地反映基坑变形。测量时，应对仪器进行坑内坑外正反两次的测量，最终数据处理由平差进行确定，当数据偏差超过规范限制时，应分析原因并及时进行补测操作，超过设计报警限值时，应及时报告几方责任主体，必要时需邀请相关专家进行基坑安全性评估，并采取相应的加强措施。

4.2结果分析

该项目基坑开挖后，使用上述方法分别对前排斜桩和后排直桩进行了变形监测。监测结果表明，在最不利工况下，基坑开挖到基底并暴露至底板完成，期间前排桩斜桩的最大水平位移为32.3mm，最大位移发生深度在6m处，最大竖向位移24.6mm；后排直桩的最大位移为38.7mm，最大位移发生在深度5.5m处，最大竖向位移为18.4mm。监测结果与理论计算结果较为接近，支护效果较为理想，已达到预期效果。对比前后围护桩的变形趋势，前排斜桩的水平向位移小于后排直桩，这是因为桩后侧的土压力直接作用在后排直桩上，当力传递到前排斜桩的过程中，两桩之间的土体通过压缩变形，已经释放掉一部分的内力。从最大竖向位移的角度来看，前排斜桩的变形量大于后排直桩，原因在于斜桩的内力沿着围护桩体，竖直向的分量相对较大，也从侧面反映出前排斜桩能够在一定程度上提供部分水平向支撑力。

5相关优势分析

（1）采用“自稳式”倾斜桩基坑净空范围内没有水平支撑，最大限度地缩短了支撑梁施工过程中混凝土养护与拆除的工期，可减少地下结构的施工时间，本文案例初略统计与带撑围护方案相比，节约工期约37%。（2）该围护体系有较高的经济性，初步估算造价与桩锚结构相当，显著优于内支撑结构，当基坑开挖面积较大时，经济性尤为明显。本项目相比可回收桩锚结构，节约造价8%；相比桩撑支护结构，节约造价60%。（3）相比传统悬臂式结构,传统竖直双排桩支护结构适用于地质较深、较复杂的基坑，且受力工作机理更为合理，变形控制效果显著。

6结语

本文以实际落地的深基坑为案例，分别从受力、理论计算、变形和优势比对分析，得到如下结论：（1）使用启明星9.0的超前斜桩模块对“自稳式”倾斜桩的内力计算和变形模式进行了分析，计算结果区别于悬臂桩，更类似于桩锚的围护形式。前排斜桩的内力可分解为水平向和竖直向的两个分力，但传力模式没有带撑的桩锚直接，这也是该围护形式没有在中等及以下面积范围基坑中推广使用的原因。（2）“自稳式”倾斜桩的力学理论可行，与传统的围护体系相比，具有施工方便、缩短工期、绿色施工、节约成本等优势。但目前实际落地的项目不多，其主要原因是其作为一种新型的围护形式，缺少相关的规范约束，前排斜桩的施工技术相对较高，对施工单位的专业性要求较高；相关的计算理论还未完善，出于保守考虑，设计人员倾向于使用传统围护形式。

参考文献

[1]龚晓南.基坑工程手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，2018.

[2]浙江省住房和城乡建设厅.DB33/T1096—2014浙江省工程建设标准建筑基坑工程技术规程［S］.浙江：浙江工商大学出版社，2014.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ120—2012建筑基坑支护技术规程［S］.北京：中国建筑工业出版社，2012.

作者：夏军 陈晓 朱满红 单位：西北综合勘察设计研究院