张松波 宋 志 张 涛 田 野 滕 峰

1. 中建三局集团有限公司工程总承包公司 湖北 武汉 430064；

2. 湖北中建三局建筑工程技术有限责任公司 湖北 武汉 430064

双排桩相较于单排桩能够提高无支撑支护深度，在大面积基坑开挖时具有一定的优势。武汉地区双排桩无支撑支护深度在8 m左右，当基坑开挖深度进一步增大时，双排桩无支撑支护已不再适用。

郑刚等[1]的模型试验研究结果表明，倾斜桩抵抗水平荷载的能力要优于竖直桩，并且发现倾斜与竖直桩交替支护的效果要优于倾斜单排桩。徐源等[2]通过模型试验研究了水平荷载作用下前排倾斜双排桩的支护效果，前排倾斜双排桩桩顶位移和桩身弯矩均小于同等条件下的竖直桩，倾斜双排桩支护效果最佳的倾斜角度为10°。Maeda等[3]研究了砂土中开挖9.6 m条件下无支撑倾斜桩墙的支护效果，通过模型试验和弹塑性理论对比分析，验证了土压力降低和挡墙位移减小的效果。

目前，斜桩在基坑工程中的应用并不广泛，关于斜桩变形特征的研究成果不是很丰富，也缺乏相应的工程实例。吕凡任等[4]对任意倾角斜桩承受任意平面荷载进行弹性分析，但解的形式过于复杂且没有应用到工程中。韩业龙[5]利用Plaxis软件分析了倾斜桩的变形特征，发现倾斜双排桩变形的特点与带支撑的支护体系的变形规律相似。

以往的研究表明，倾斜桩支护效果要优于竖直桩，但是这些研究多集中在试验模型与有限元理论分析上，在基坑工程应用中相对较少，基坑支护中采用钻孔施工工艺的斜桩目前还少有报道。郭建芝等[6]介绍了开挖8.5 m的倾斜桩施工经验，倾角只有3°，采用人工挖孔桩工艺，对于钻孔桩施工的借鉴意义不大。

本文介绍了武汉市首例基坑工程采用倾斜双排桩支护的案例，无支撑开挖深度达10 m，前桩倾斜角度为15°，又整理并分析了实测变形资料，同时进一步建立有限元数值模型分析倾斜双排桩的内力变形性状，此研究内容对于基坑倾斜桩支护的设计与施工有一定的借鉴意义。

1 基坑工程概况

某基坑工程位于长江Ⅰ级与Ⅱ级阶地过渡区域，场地地貌属于河流冲积平原类型，场地沉积有厚度达20 m以上的黏性土层。基坑开挖深度9.05～16.10 m，开挖面积39 000 m²。

局部塔楼区域坑中坑先施工，从地面设计了倾斜双排桩，如图1所示，基坑开挖从地面标高22.00 m施工至基坑井处基底标高12.05 m，桩长30 m，桩径1 m，桩间距1.5 m，支护剖面如图2所示。

图1 前排倾斜双排桩平面布置

图2 前排倾斜双排桩支护剖面示意

斜桩钻孔施工采用全回转钻机结合旋挖钻机进行，钻机施工前先施工倾角为15°的斜向平台，全回转钻机固定在平台上进行斜向钻进，旋挖钻机配合进行斜向取土。

2 变形实测资料

监测支护桩位平面布置与监测点剖面如图3所示，对12#与15#桩位的直桩与斜桩进行监测，从桩顶以下0.5 m开始向下每隔1 m布置1个测斜传感器，沿桩身共布置29个。

图3 监测支护桩位平面布置与监测点剖面示意

12#与15#桩位前排斜桩和后排竖直桩桩身水平位移监测结果如图4、图5所示。从图4（a）和图5（a）给出的前排倾斜桩桩身位移结果来看，倾斜桩桩身位移最大位置并不在桩顶，而是在桩顶以下一定深度。随着开挖深度的增加，倾斜桩桩身位移增大的幅度相对较为均匀。

图4 12#桩身水平位移监测结果

图5 15#桩身水平位移监测结果

从图4（b）和图5（b）给出的后排竖直桩桩身位移结果来看，随着开挖深度的增加，桩身变形逐渐增大，桩顶位移的增大幅度表现得更加剧烈。对比前排倾斜桩与后排竖直桩桩身变形结果，发现前排倾斜桩桩身变形要比后排竖直桩桩身变形大。

3 数值计算分析

3.1 计算模型介绍

为进一步分析倾斜双排桩变形内力随开挖过程的发展规律，利用Plaxis软件建立三维数值计算模型（图6），模型分前排倾斜双排桩与常规双排竖直桩计算模型，2种支护结构桩长都是30 m，只是倾斜双排桩的前桩倾角为15°，其他条件都相同。土层模型采用软件自带的HSS模型，桩身与连梁混凝土材料采用弹性模型，弹性模量为30 GPa，桩身抗弯刚度按照规范[7]公式进行计算。计算模型采用平面应变模型，桩体按照等刚度计算原则转换为平面应变计算模型中的墙体，具体墙厚计算方法参考文献[8]，桩径1 m、桩间距1.5 m的排桩简化为厚0.723 m的板单元。

图6 三维数值计算模型

3.2 水平位移计算结果

不同开挖深度下桩身水平位移变化结果如图7所示。与图4、图5进行对比后发现，当开挖尚未达到10 m时，计算的桩身水平位移变化趋势与实测的差别较大，主要是因为施工过程快，土体开挖过程由于卸荷土体应力尚未达到平衡，实测变形结果并不是对应开挖工况下的最终变形。基坑开挖10 m见底后，实测的桩身变形趋势与计算结果较为一致，因为基坑见底的开挖工况基本能达到土体应力平衡状态，但是计算结果要稍大于实测的变形结果，原因是计算时支护桩抗弯刚度按照规范方法折减，较为保守。总体而言，数值计算的结果与实测结果较为接近，说明了数值计算的合理性。

图7 不同开挖深度下桩身水平位移变化

开挖过程中桩身的水平位移变化显示，竖直双排桩与倾斜双排桩都表现出前排桩位移大于后排桩位移的特征，这主要是因为前排桩邻近基坑，与后排桩相比缺少一定的土反力作用。在前后排桩位移之差方面，倾斜双排桩要大于竖直双排桩，主要是因为前排斜桩桩端斜向嵌入土层导致斜桩桩端约束要弱于竖直桩，从而使斜桩变形大于竖直桩。

由于倾斜桩存在斜撑效应，故倾斜双排桩最大位移并不在桩顶。倾斜双排桩没有水平支撑作用，但是前排斜桩相较于后排竖直桩有斜撑的作用，其作用类似于斜抛撑，使后排竖直桩在桩顶受到支撑作用，导致桩顶位移不是最大位移。

常规双排桩最大位移基本在桩顶附近，倾斜双排桩最大位移位置受开挖面与软弱土层的位置关系影响。本工程倾斜双排桩最大位移深度基本处于8～13 m之间，主要是因为8.92～21.22 m深度内存在较厚的饱和淤泥质黏土，属于软弱土，该层土力学性质差，存在潜在滑移面的可能性较大。当开挖深度未超过8 m时，最大位移都出现在开挖面以下软弱土层范围内；当开挖深度达到10 m时，最大位移出现在开挖面以上约1 m深度。

3.3 桩身弯矩计算结果

从不同开挖深度下，前排倾斜双排桩桩身弯矩（图8）和竖直双排桩桩身弯矩（图9）随开挖深度变化的结果可以看出，2种支护结构前后排桩都是在反弯点以上迎坑侧受拉、迎土侧受压，而在反弯点以下则正好相反，且桩顶均有一定弯矩。

图8 不同开挖深度下前排倾斜双排桩桩身弯矩

图9 不同开挖深度下竖直双排桩桩身弯矩

双排桩通过连梁形成连接刚架，桩顶弯矩为连梁端部弯矩。从图8的结果可以看出，倾斜双排桩连梁弯矩在前排桩一端与后排桩一端较为接近。从图9的结果可以看出，竖直双排桩连梁弯矩在前排桩一侧要小于后排桩一侧，这可能与2种支护结构在端部的约束差异有关，倾斜桩端到基坑底的垂直距离相较于竖直桩要短，土对倾斜桩的约束较弱。

前排桩桩身最大弯矩大于后排桩桩身最大弯矩；前排斜桩桩身最大弯矩的位置随着开挖的进行有上移趋势，后排竖直桩桩身最大弯矩的位置受开挖深度的影响不大。

对于前排斜桩，反弯点随开挖的进行不断向上移动，但移动范围有限；对于后排竖直桩，反弯点位置基本不变，在18 m（0.6 倍桩长）深度处。

4 结语

根据监测资料整理出桩身位移随开挖深度变化图，又建立了前排倾斜双排桩与竖直双排桩有限元计算模型，进一步对比分析了开挖过程中倾斜双排桩桩身弯矩与位移的发展规律，可以得出与前排倾斜双排桩力学性状相关的几条结论：

1）无支撑支护倾斜双排桩桩身最大位移深度并不在桩顶，而是在桩顶以下一定深度，这与前排斜桩对后排竖直桩的斜撑作用有关，桩身最大位移深度与开挖深度和软弱土层位置关系有关，桩身最大位移深度向开挖面方向移动。

2）前排斜桩桩身位移要大于后排竖直桩，前排斜桩斜向嵌入土层中，相对于后排竖直桩，前排斜桩嵌固约束相对较弱，前排桩位移大于后排桩。

3）前排桩桩身最大弯矩大于后排桩桩身最大弯矩；前排斜桩桩身最大弯矩的位置随着开挖的进行有上移趋势，后排竖直桩桩身最大弯矩位置受开挖深度的影响不大。

4）本次前排倾斜双排桩的试验，验证了倾斜支护桩对竖直桩的优势，倾斜双排桩可以实现无支撑开挖10 m深度，可实现2层地下室基坑的无支撑支护，相较于常规双排桩有一定的先进性。