叶 明

（广东省水利电力勘测设计研究院有限公司,广东 广州 510635）

目前在软土基坑中,设计的主要目标是寻找同时满足整体稳定、抗倾覆稳定、抗隆起稳定及变形控制等多方面因素下的最小嵌固深度[1-2]。但多目标就必然导致个别目标的安全系数较大,造成浪费。在软土基坑中,常见的浪费有为满足各项稳定性安全系数,设计结果普遍采用等长排桩穿透软土层,桩身长且无法充分发挥支护桩的抗弯能力[3-5]。而支护桩投资恰恰是整个临时支护工程中投资占比最大的,为此设计工作者对长短桩结合的研究由此展开。

在长短桩组合工作机理方面,郑刚、程雪松[6]通过1/20几何相似比的悬臂模型试验得出长桩起嵌固与抗倾覆作用,短桩起挡土和传递土压力作用；李竹、郑刚[7]等通过砂土模型试验总结带水平支撑的长短组合桩,由于腰梁的作用,短桩桩身的应力规律与长桩相似,且可通过腰梁将力传至长桩；丁士龙、张昊[8]等通过杭州某基坑实例分析认为,长桩控制基坑的整体稳定,短桩增强支护结构的刚度。

结合上述模型试验的方法,本文对汕尾供水项目某顶管井基坑采用长短组合的灌注桩作为研究对象,通过有限元Midas GTS软件模拟不同嵌固比例的短桩,在坑底土体不加固与加固两种工况下,对比其桩身最大弯矩和坑底土体隆起两方面敏感值。对长短桩组合情况下的三维工作情况进行分析,为日后其他项目的设计工作提供参考。

1 工程概况

汕尾市区供水节水改造工程解决汕尾市区、红海湾开发区和海丰县区域内淡水资源紧缺而新建的一宗供水工程,其跨东溪河段,采用顶管过河方案,根据勘察资料,揭露工作井基坑位的岩土层主要有：

1层：黄褐色人工填土,呈粉质黏土状,粘性差,可塑,底部有抛石；揭层底面高程-0.9 m～0.6 m,厚度0.6 m～2.4 m,分布于东溪河两岸。

2-1层：深灰色淤质黏土,质均,粘性好,软塑；揭层顶面高程-2.5 m～0.7 m,厚度4.6 m～14.2 m,分布于河床及河岸两侧。

全风化带（Ⅴ）：风化透彻,呈褐黄色砾质粉质黏土状为主,粘性一般,中细～中粗砾石英颗粒含量15%～25%为主,硬塑-坚硬状为主。

其土层主要物理力学参数建议值（见表1）。

表1 土层主要物理力学参数建议值表

2 方案设计

顶管出发井基坑为长21 m,宽9 m的矩形基坑,基坑深度10 m且处于2-1淤泥质黏土地层。基坑设计安全等级为二级,地面施工超载q取20 kPa,位于基坑北侧用于吊装及出渣,支护结构采用“灌注桩+对撑”的刚性支撑方式,灌注桩采用Φ800@1000的C30 砼灌注桩。压顶梁层及腰梁层采用C30砼支撑尺寸600 mm×800 mm。基坑支护设计剖面见图1。

图1 基坑支护设计剖面图

为了初定长桩长度,先通过理正深基坑软件7.5版本进行试算。满足各项稳定安全系数要求后,确定长桩长度为20 m,嵌固深度10 m。开挖至坑底支护结构位移与内力包络图见图2。

图2 支护结构位移与内力包络图

理正计算结果显示,全部等长桩的桩顶水平位移为13.31 mm,深层水平位移52.31 mm,基坑抗隆起系数2.0＞1.9,均满足本等级基坑安全系数要求。

实际设计工作中,优化支护投资的常用措施有两个：一是通过长短桩组合,减少支护桩工程量；二是通过坑内土体加固,优化坑内土体参数,也可减少支护桩用量。尤其是一些建基面无法避让依然处于软土地层的基坑,坑底软土承载力不足,临时工程可结合永久地基加固同步处理,进一步节省投资。

3 不同长度短桩的影响对比

为研究不同比例的短桩长对基坑的影响,通过Midas GTS有限元分析软件建立三维模型。计算模型方面,淤泥质黏土本构采用修正莫尔库伦,其余地层采用莫尔库伦。长短组合桩采用1 长1 短的间距模式,短桩分别嵌入8 m、6 m、4 m和2 m四种长度,全长桩采用嵌入10 m,总计5 个计算模型,三维模型图见图3、图4,布置具体描述见表2。

图3 基坑三维有限元分析整体模型图

图4 长短组合桩支护三维模型图

表2 长短组合桩特征描述

加固方案拟加固坑底土体4 m。根据三维模型计算结果,整理可得在不同模型设置下,基坑开挖至底时,原状土和加固后土体两种状态下,桩身弯矩及坑底土体隆起值的差异。

3.1 桩身弯矩

选取矩形井长边跨中支护桩作为研究对象,典型模型桩身弯矩极值结果见图5,汇总提取桩身弯矩最大值与长短组合桩配合比曲线见图6。

图5 桩身弯矩图——原状土

图6 桩身弯矩与组合桩配合比曲线图

从图6中可见,当短桩长度可以穿透淤泥地层时,嵌入全风化硬土地层2 m（模型3）和等长桩（模型1）的桩身弯矩极值几乎相同,可认为当短桩穿透软土地层时,其桩身可与长桩共同受力,此时短桩收桩性价比最高；而当短桩长度无法穿透软土地层时,桩身弯矩转由长桩负担,且随短桩嵌固深度的缩短,长桩弯矩的极值也同步增加。当短桩仅嵌固2 m（模型5）,即只有规范建议的最低起步要求时,原状土长桩弯矩极值几乎是等长桩（模型1）弯矩值的两倍,此时短桩仅起到传力作用,无法分担长桩的受力。但经土体加固后,模型5桩身弯矩极值会得到小幅改善。

3.2 坑底土体隆起

选取坑底开挖面高程处2m深度厚地层为研究对象,典型模型坑底土体隆起结果见图7,提取土体竖向位移隆起值与长短组合桩配合比曲线见图8。

图7 坑底土隆起云图——加固后

图8 坑底土体隆起与组合桩配合比曲线图

实际基坑工程中,虽不允许发生失稳破坏,但是允许基坑底部发生一定程度的隆起。根据国标《建筑基坑工程监测技术标准》（GB 50497-2019）对于二级基坑的坑底隆起累计值要求为30 mm～60 mm。模型1 和模型2 计算结果均满足规范要求。

从图8中可见,随着短桩与长桩嵌固长度比值的减少,坑底隆起值也缓慢增加；即使进行坑底土体加固后,隆起值的改变也并不明显。理论上土体经搅拌桩加固能够提高被动区土体的土抗力,减少支护结构侧向坑内的变形,从而协调减小由支护结构侧向坑内的变形而引起的坑底隆起量。但模型结果并不显著,究其原因,可能是坑底隆起主因是坑底土体的圆弧滑动破坏,其与嵌固深度及坑底土体的内摩擦角相关性较大,而长桩已经满足其嵌固深度的情况下,短桩的长短并无多少影响,故实际设计时可不考虑短桩对隆起影响；而土体加固对土体的粘聚力改善较为明显,而对土体内摩擦角提升较小,从而导致加固措施对坑底土体的隆起稳定影响也较为有限。

4 结论

（1）长短桩因为存在内支撑及冠梁腰梁的协同受力,短桩在模拟中（短桩与长桩嵌固长度比0.6～1）是可以帮助长桩部分受力的,前提是短桩亦需要穿透淤泥地层,可用长桩的配筋量的小幅提升,换取短桩减少成桩工程量,优化投资。

（2）坑内土体加固对坑底土体隆起数值影响有限,但其对桩身弯矩的极值幅度有改善作用。

（3）土体加固对结果的改善幅度不如加长桩长直接,如何根据基坑支撑布置及周边荷载优化长短桩数量搭配比例及部位,是可进一步利用长桩桩身抗弯的研究方向。