李 钊,刘君刚,董泽中,熊志勇,李新立,蒋振东

(1.中铁七局集团武汉工程有限公司,湖北 武汉 430070;2.湖北理工学院 土木建筑工程学院,湖北 黄石 435003)

随着我国经济水平不断提高,房屋、隧道、桥梁等基础设施的建设规模和数量不断提高[1]。作为这些大型建筑物的基础部分,基坑工程发展比较迅速[2]。目前,基坑工程的施工难度越来越高,具体表现为基坑工程地质条件越来越复杂[3],开挖深度越来越大[4],如上海中心大厦的基坑深度达86 m,且建在有软土和大量粘土的河流三角洲上[5];国家大剧院基坑深度达到了32 m[6]。该类深基坑工程所面临的工程安全问题主要包括地基不均匀沉降、地下水消散、支挡结构变形过大、基坑局部应力集中现象严重等。若不能妥善处理,必然会导致基坑失稳、坍塌等严重的安全事故的发生。因此,基坑工程的安全问题引起了越来越多工程建设者和学者的重视[7]。

排桩结构是一种适用于安全等级为一级、二级、三级的基坑支护形式[8],是我国广泛采用的一种基坑支护形式[9]。针对排桩结构的工程应用,国内外专家学者采用数值模拟、物理实验、现场测试、理论计算等形式开展了大量的研究工作,探讨了排桩的应力分布规律、降水止水效果、基坑沉降、边坡稳定性、支护效果等指标及其影响因素。这些工作为排桩结构的推广应用提供了强有力的理论支撑,然而对于排桩支护工程研究成果的总结分析较少。

鉴于此,为了促进排桩支护工程的深入研究,本文系统整理了我国排桩支护工程的研究成果,并依次在支护类型的选择、设计理论和方法、理论计算、理论研究方法4个方面进行了阐述和分析。

1 支护结构类型

基坑支护结构的类型可根据材料特性、结构形式、设置位置、作用机理等进行划分,工程中常见的支护结构类型包括挡墙式、地下连续墙式、板桩式、排桩式等。

1)挡墙式支护结构依靠挡墙的自身重量和墙底的摩阻(嵌固)力来抵抗基坑边坡土的滑动力。其优点主要包括施工噪声小、振动小、防渗漏、造价低等,缺点主要包括用地面积大、墙体厚度大、材料用量多等。

2)地下连续墙式支护结构是一种沿基坑周边轴线开挖并浇筑的连续钢筋混凝土护壁,兼具挡土、截水、防渗等多种功能。其优点主要包括防渗效果好、施工噪声小、对周围环境扰动小、占地面积小等,缺点主要包括不适用于坚硬土(岩)层、施工成本较高、施工产生的废泥浆难以处理等。

3)板桩式支护结构适用于开挖深度大于4 m的基坑,按照结构特性可分为H型、锁口型、槽钢型钢板桩。其优点主要包括施工简便快捷、材料周转率高、施工费用低等,缺点主要包括结构整体性较差、施工对基坑土体扰动明显、挡水性能不足等。

4)排桩式支护结构依靠一排或多排相切或相割的桩体形成的护壁结构来维护基坑边坡的稳定性,适用于开挖深度为6～10 m,且不能放坡开挖的基坑。其主要由支护桩、内支撑和隔水帷幕组成,结构类型可分为拉锚式、锚杆式、内支撑式和悬臂式。排桩是这种结构的支护主体,根据施工方式的不同可采用钻孔灌注或人工挖孔的形式施工,具有支护等级高、止水效果好、工程造价低、施工工艺简单等优势,是基坑工程中使用率很高的支护结构形式。

2 设计理论和方法

近年来,排桩支护结构主要呈现出了设计思想和设计观念的创新,表现在以下6个方面[10]:①将基坑侧壁变形和强度极限状态作为安全设计的依据[11];②充分考虑节能、环保方面的需求[12];③排桩结构不局限于维护基坑结构的安全,同时可起到隔离地下水的作用[13];④不断将新材料、新设备、新工艺、新技术运用到排桩支护结构设计中[14];⑤双排桩、三排桩等改良的排桩支护结构形式不断出现并逐渐在工程中应用[15];⑥预应力和装配式技术具有方便施工、高适用性强、安全合理等特性,使得内支撑体系的稳定性和整体刚度有了极大的提高。如许斌等[16]分析了绿色施工技术和节能减排技术的作用原理,为绿色环保设计提供了参考依据;闫贵海等[17]分析了高压旋喷止水帷幕技术在富水砂层深基坑中的作用机理,探讨了高压旋喷止水帷幕技术的设计使用效果;张相平等[18]介绍了一种三排桩和三角支撑结合的支护形式,为城市基坑支护的排桩设计提供了新思路。

3 理论计算

在进行排桩结构支护计算时,要充分考虑排桩的分布间距形状、桩体和桩间土的荷载分担比、结构的抗倾覆稳定性、桩与桩间土的相互作用等因素[19]。

1)修正系数法。该方法先采用经典土压力理论计算排桩所承受的主动土压力和被动土压力,后根据排桩结构静力极限平衡状态下的变形破坏特征,计算排桩的弯矩极值和弯矩沿桩身的分布规律。修正系数法计算较为简便,但未考虑排桩桩顶的反向力偶,且无法体现受力状态变化时的结构内力重分布特征,因而不适用于地质条件复杂多变的排桩结构计算。

2)反力弹簧法。该方法基于现场监测数据和物理模型实验,常用于计算双排桩的结构内力,运用经典土压力理论计算排桩结构主动区的土压力,并根据排桩桩间土体积与桩后滑动土体体积之间的比值分配结构内力。与常规的比例系数法相比,该方法无需假设和考虑结构嵌固点,可以准确描述土的变形情况,但当现场监测或物理模型实验受到干扰时,其计算可靠度会降低。

3)弹性地基梁法。该方法根据Winkler弹性地基梁假设,将排桩间的内力及变形调节作用作为计算要素,并充分考虑桩与桩间土的协同作用,利用结构力学原理计算排桩支护结构内力。该方法强调了排桩间的相互协调作用和桩与桩间土的协同作用,能较好地反映实际的排桩结构受力特征。

4)弹性支点法。该方法以基坑临空面为边界,沿基坑侧壁分段建立力学微分方程,克服平衡梁法、等值梁法和刚性支撑梁法在计算多道支撑的基坑排桩内力时与实际检测结果存在较大误差的问题[20],能充分反映不同分段处的排桩结构内力分布情况。但是,当分段较细时,计算量大,常常需要有限元数值法进行辅助计算。

4 理论研究方法

4.1 现场实验法

现场实验又叫现场原位测试,整个实验过程都在基坑施工过程中开展,获得的数据具有很强的直接性和针对性,可以直接用于指导下一步的设计和施工工作。

刘畅等[21]以天津市某基坑工程为依托,研究了一种倾斜式排桩和悬臂式排桩结合的基坑无支撑支护体系;孟祥旭[22]以某深基坑工程为研究背景,分析了不同开挖工况下排桩结构的受力分布规律、位移变化趋势、基坑土体变形特征等;周珩等[23]以成渝高速铁路内江北车站双排桩基础为研究对象,采用现场实验与数值模型相结合的方式分析了支护结构在不同工况下的变形和受力特征。

采用现场实验对排桩支护结构开展的研究内容主要集中在支护结构体系优化、设计参数选取、结构选型等方面,现场实验常与理论分析、数值模拟计算、室内模型实验等结合[24],为排桩支护结构研究提供了丰富多元化的手段。

4.2 模型实验法

当现场实验遇到空间有限、环境干扰因素多等影响无法正常开展时,可以通过室内模型实验[25]的方式对排桩支护结构的安全性、稳定性进行研究,探寻其变化规律和临界值[26]。

采用室内模型实验法对排桩支护结构开展的研究较多。在实验方法方面,离心模型实验技术被广泛采用。张正义[27]结合离心模型实验结果和理论计算资料,研究了小直径钢管排桩的抗滑机理及其加固基坑的变形分布规律;孙柏涛等[28]采用离心模型实验技术研究了大连新海上机场项目的地基沉降,得到了柔性加载幅值、固结时间及含水率对土体沉降的复合型影响规律;田晓丽[29]以攀枝花机场某高边坡为研究对象,模拟了降雨工况下的高边坡变形破坏,分析了孔隙水压力在土方开挖过程中的消散特征;郭永春等[30]建立了某缓倾顺层边坡排桩支护的室内物理模型,分析了降雨、开挖等因素影响下的排桩支护效果。

模型实验研究主要用于获取支护结构内力、土压力、支护结构位移、基坑变形、桩身位移等设计施工要素,为工程设计和施工提供了依据。但是在设计模型实验时,存在一些难以模拟的非关键因素,如石质基坑边坡的岩体裂隙、岩石层面间的填充物、基坑周边交通动荷载、环境因素等。通常对这些因素采用理想化处理,导致模型实验的结果与实际现场的测试结果存在不一致性。因此,单一的模型实验常常用来做定性研究,将模型实验手段和现场测试等其他研究手段结合起来,才能充分发挥模型实验的优势。

4.3 数值模拟法

无论是现场实验还是模型实验,都存在着实验难度大、可重复性差、实验周期长、实验环境影响因素大等问题,而数值模拟法可以很好地克服现场实验和模型实验的缺点,极大地丰富了排桩结构理论研究的手段。

在针对排桩支护结构开展的数值模拟研究中,有限元法和有限差分法是应用最为广泛的2种方法。在应用数值模拟手段开展的大量排桩支护结构研究工作中,可以根据模型建立时的设定条件将这些研究工作划分为二维有限元和三维有限元两类。

二维有限元研究较多。杨亚洲[31]在充分考虑排桩支护结构强度、位移、受力的基础上,采用二维杆系有限单元法对某基坑工程的排桩支护结构进行了配筋优化;田野等[32]以武汉长江阶地地层的某倾斜桩基坑支护工程为研究背景,分析了倾斜桩支护类型及倾斜角度对基坑支护效果的影响。三维有限元研究较为普及。张何静[33]建立了移动荷载-土体-排桩的三维有限元模型,计算得到了移动荷载作用下的排桩支护结构的实时位移相应曲线,分析了排桩设计参数、移动荷载等级等因素对排桩结构支护效果的影响;王洪木等[34]建立了排桩支护结构的三维有限元模型,研究了不同施工阶段土拱效应的三维分布、支护结构的安全性等问题。

在针对排桩结构开展有限元研究时,空间效应、荷载组合、结构平面布置形式都是需要重点考虑的因素。在三维数值分析方面,应充分考虑支护结构与土体的界面性质,以及排桩支护结构的空间性能,研究在不同施工工况下作用于排桩支护结构上的土压力和支护结构的受力和变形特性。因此,在研究复杂地质条件下的排桩支护结构时,有限元三维数值模拟法是极其重要的手段。

5 发展趋势

1)支护结构的结构形式直接影响基坑工程的安全性、经济性和环保性,因此排桩结构的优化选型在基坑支护工程中的重要性越来越突显。

2)随着越来越多大型建筑物涌现,基坑的开挖深度越来越大,基坑支护的难度亦不断增加,而城市基坑支护的施工作业空间却依然十分狭小,因此新型内支撑或锚杆等构件将会越来越多出现在排桩支护结构中。

3) 保护地下水等环境问题是城市基坑支护施工中所要解决的棘手问题。在排桩施工时,宜采用旋喷桩、深层搅拌桩、地下连续墙等形式施作隔水帷幕。

4)在软土地区施工时,为避免基坑底部土体隆起造成支护结构变形和沉降过大,宜采用底部注浆、换填、硬化处理等手段加强基坑底部土体强度,减小其隆起变形。

5)为了保证基坑施工安全,减少支护结构占地、节省支护结构施工造价,宜根据基坑的工程地质条件和区域位置,在同一基坑中采用不同的支护结构形式和复合型支护结构形式。

6)为了进一步提升排桩结构的适用性和支护效果,双排桩、三排桩等改良的结构形式不断推陈出新。这些改良的排桩结构能显著提升支护结构的抗倾覆性能,减少支护结构中繁杂的内支撑构件,在提升结构安全性的同时起到了缩短工期的作用,因此将越来越多地出现在基坑支护工程中。

7)排桩结构的支护应用效果较为显著,但在特殊复杂工程中的适用性验证尚不充分,双排桩、三排桩等改良的排桩结构形式的研究理论应进一步完善。

8)信息监测监控与信息化施工技术在排桩工程施工中应用,实施动态监测、动态施工、动态设计,根据监测数据分析调整施工参数,实施信息化施工,才能做到更加安全生产。

6 结语

随着人们对地下空间资源的需求不断增加,排桩结构的支护新技术无论在工程实践中还是在理论研究上都会有很大的进展,使得基坑工程更加安全、适用、经济、环保,从而满足工程建设和社会发展的需求。我国的基坑工程建设事业在蓬勃发展,作为基坑安全防护的重要手段,排桩结构必然会随着其基础理论研究日趋成熟、设计理念不断创新、施工技术不断进步、施工装备不断完备,为基坑工程发展提供坚固的安全保障。在未来如何根据工程建设的实际需求对围护结构进行优化,发展新型基坑围护体系和围护新技术,将是深基坑工程领域的主要发展趋势。