复杂深基坑咬合桩支护的工作性能分析

洪胤 ,檀昆 ,吴黎明 ，耿彦斌 ,王情 ,盛鹏 ，朱亚林 ,2

(1.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；
2.土木工程结构与材料安徽省重点实验室，安徽 合肥 230009；
3.中铁四局集团第二工程有限公司，江苏 苏州 215131)

咬合桩围护结构作为新型的连续排桩支护，是一种桩身相互切割融合形成的具有防渗作用的连续挡土支护结构，近年来由于其造价相对较低、防水性能较好的特性被广泛应用于一些防渗要求较高的工程中[1-4]，并在国内外的各大工程中都取得了较好的效果。相关的学者也对咬合桩这一支护方式进行了大量研究，王安龙等其他学者[5-7]从施工角度分析，探讨了咬合桩施工方案的选择、施工工艺及特殊工况的处理等问题；
廖少明[8]通过模型试验的方式，发现咬合桩极限荷载取决于荤桩的抗弯能力；
李文林[9]通过室内试验的方式，提出在模型受弯时，咬合面的强度是保证荤素桩共同变形的关键因素；
罗积胜[10]、付长春[11]、叶帅华[12]等也从数值模拟的角度建立了咬合桩模型，探究其在基坑开挖过程中的位移情况。

目前相关研究大多将咬合桩利用等刚度原则等效成地连墙进行数值分析，虽然在一定程度上简化了建模工作量，但其计算结果可能与实际情况存在一定偏差。本文基于某一大型深基坑，利用MIDAS/GTS软件建立了实体咬合桩模型，从桩身侧向位移、锚杆轴力、坑底隆起以及周边地表沉降四个方面较为全面的探究了其在实际工程中的支护效果及工作性能，并通过与实测数据对比，验证了计算结果的准确性。通过将冲孔灌注桩及止水帷幕等效成地连墙并设置在与咬合桩相同位置处，探讨两种支护形式下基坑的稳定性情况。计算结果对实际工程具有一定的参考价值。

本工程为某一深基坑的开挖支护工程，该工程基坑占地面积约为4万m2，深约14.0m，基坑轮廓大体为矩形，长宽分别为226m、179m。基坑所在区域地质条件复杂，由于处于人工填海区，各土层的厚度分布不均，土质较差，填土填石层较厚。同时水文地质情况复杂，地下水位以下含水量较为丰富，水位变化受季节性大气降水量和地表水系下渗影响较大。场地地下水对混凝土结构具有中等腐蚀性，对钢筋混凝土结构有中的钢筋在长期侵水条件下具微腐蚀性、在干湿交替条件下具弱侵蚀性。

基坑周边环境复杂，东侧邻近河流，地下水补给较丰富，对防水体系的要求较高，基坑南侧邻近市政道路及地铁线路等交通结构，施工扰动情况需要得到充分控制。考虑到以上情况，基坑南侧、西南侧30m以及东南侧50m左右范围内均采用咬合桩+预应力锚索支护的形式，以避免冲孔桩施工对地铁隧道的扰动，基坑其他区域由于远离市政工程结构，可采用冲孔灌注桩+桩间旋喷止水帷幕的形式进行支护。其中咬合桩桩身长 23.5m，桩径为 1.2m，间距 1.0m，咬合200mm；
冲孔灌注桩段灌注桩桩径为1.2m，间距 1.5m，桩间布置直径 0.8m的旋喷桩，搭接厚度235mm。

为保证基坑稳定，在四边均设置了预应力锚索。锚索按四排布置，锚索竖向间距为3m，水平间距1.5m，倾角为30°，采用4束7*Φ5预应力高强度低松弛钢绞线制作而成。各排锚索布置长度及施加预应力情况见图1所示。

图1 锚索布置情况示意图

2.1 模型建立

本工程基坑开挖范围较广，在构建实体模型时工作量过大，利用有限元软件计算速度慢，而基坑咬合桩的分布范围主要集中在基坑东南侧，因此文章仅对东南侧坑角30m范围内的咬合桩进行研究。利用MIDAS/GTS软件建立三维有限元模型，为消除边界效应的影响[13]将模型长、宽设为80m，高度设为60m。咬合桩采用实体单元进行模拟使计算结果更符合工程实际，通过先建立咬合桩外侧轮廓面，再利用软件中“分割”命令，将整个土体划分为坑外土体、坑内土体及咬合桩实体部分。土体及锚杆部分分别采用实体单元和植入式桁架单元进行模拟。网格划分时将基坑开挖部分及咬合桩单元划分紧密以保证精确性，将坑外土体网格尺寸随远离坑边逐渐增大以加快计算过程。具体计算模型如图2、图3所示。

图2 咬合桩实体模型

图3 几何模型

整体模型较为规则，模型左右两面设置X方向约束，前后两面设置Y方向约束，底面设置全方向约束。锚杆方面由于设置了植入式锚杆属性，程序会自行对锚杆的自由端进行相应约束，仅需保证锚固端端头与土体网格耦合即可。除此之外，在基坑外侧10m范围内还施加了20kPa的法向力以模拟施工荷载。

2.2 计算参数

模型中土体部分从上至下分为素填土、填石层、淤泥层、砾砂层以及粉质黏土五层，而Mohr-Coulomb强度准则由于其自身计算精度较高且参数取得较容易的特点[14]，在有限元分析中常被用于土体部分的变形计算，故本模型土体也选用该准则进行计算。咬合桩中荤桩桩身为水下C30混凝土，素桩则采用C20混凝土进行浇筑，锚杆材料选用HRB335钢筋进行制作，弹性模量均较大，故可采用弹性模型进行计算。具体计算参数如下表所示。

计算参数

2.3 施工工况

实际工程中设置了止水帷幕，在整个施工过程中会充分降水，故进行数值模拟时无需考虑地下水渗流带来的影响。利用MIDAS/GTS中的“施工阶段助手”选项定义基坑开挖的过程，定义了包括初始地应力计算、咬合桩施工及施工荷载的施加以及基坑的五次开挖支护七个工况，其中五次开挖分别开挖至基坑深度为 2.5m、5.5m、8.5m、11.5m 及14.0m，在各开挖面以上0.5m处施作锚杆，并按图1对各层锚杆施加预应力。

为充分研究咬合桩在基坑开挖阶段的支护效果，本小节主要从桩身侧移、锚杆轴力、基坑周边地表沉降以及基坑坑底隆起四个方面进行计算。为比较咬合桩在支护效果上与冲孔灌注桩的优劣之处，文章利用文献[15]方法将工程中冲孔灌注桩实际参数等效成了0.965m厚的地连墙，设置在与咬合桩相同位置处。计算结果具体如下。

3.1 桩身侧向位移

为减小坑角效应对位移结果的影响，选取咬合桩东侧距坑角30m位置处截面，沿桩身深度方向每0.5m取一点进行分析，侧向位移结果如图4所示。

图4 不同开挖步下咬合桩桩身侧向位移情况

由图可知，随着开挖深度逐渐增大，咬合桩桩身侧向位移的分布趋势有所改变，在开挖深度较浅时，桩身上部区域呈现出向坑外移动的趋势，侧移值随深度增加逐渐减小，在达到一定深度后桩身开始向坑内位移，这一趋势在第三次开挖支护之前均有所体现；
在进行第四次开挖后，桩身沿深度方向侧移呈现出“中间大两边小”的趋势，且整个桩身均向坑内移动。数值方面，前三次开挖桩身侧移量变化并不明显，桩顶位移分别为坑外向的 3.85mm、5.05mm 及 2.32mm，第二次开挖支护反而使得桩身上部区域进一步向坑外位移，但桩底区域则随着开挖逐渐向坑内位移，究其原因可能是因为前两层锚杆预应力施加较大对桩身产生了一定的拉力造成的。由于后两次开挖时锚杆施加预应力均较小，这两个工况下桩身的最大位移分别为4.41mm和10.42mm，相较前三次位移增幅较为明显，但整体位移均在合理范围内。实测数据表明，各桩顶水平位移观测累计位移量介于-10mm～28mm之间，平均位移量为7.24mm，从侧面证明了计算结果的可靠性。

图5为不同施工工况下冲孔灌注桩沿桩身的侧向位移情况，由图可以看出其变化趋势与咬合桩相似，开挖深度较浅时呈现出上部外移下部内移的趋势，开挖较深后桩身中部侧移增大较为明显，桩底侧移增幅可以忽略不计。从数值可以看出冲孔灌注桩支护形式下前四次开挖中桩顶均向坑外移动，相比于咬合桩更为明显；
在最后一次开挖中，灌注桩桩身侧移最大值为9.81mm，要略小于咬合桩的10.42mm，两种支护形式下桩身侧移的差值主要体现在桩中上部区域，桩底区域相差不大。可见咬合桩在减小桩身侧向位移的效果与冲孔灌注桩相差不大，虽然咬合桩在施工工艺上的复杂程度要大于灌注桩，但鉴于咬合桩工程成本较小，防水效果更好，因此对于一些重要的工程而言，咬合桩无疑是更好的选择。

图5 不同开挖步下冲孔灌注桩侧向位移情况

3.2 锚杆轴力

与侧移类似选择咬合桩东侧距坑角30m处的截面，提取该截面处的四层锚杆自由段的轴力进行分析，为简化计算，仅挑选最后一个工况下的轴力结果进行分析，计算结果如图6所示。

图6 两种支护形式下各层锚杆的轴力情况

由图可以看出，两种支护形式下四层锚杆所受轴力的趋势是一致的，轴力大小均呈现出二层>三层>一层>四层的趋势，主要是因为在第五次开挖时，咬合桩和冲孔灌注桩的桩身侧移在中部最大而两端较小。此外，实体咬合桩四层锚杆的轴力大小均略大于灌注桩支护时的情况，差值均在10kN左右。数值方面，两种形式下的轴力最大值分别为342.9kN 和 351.0kN，均在对应锚杆的抗拔承载力标准值范围内，基坑的安全性能得到保障。

3.3 基坑坑底隆起

提取了部分开挖步下基坑中心位置处坑底的隆起情况进行分析，计算结果如图7所示。

图7 两种支护形式各开挖步下基坑坑底隆起情况

两种支护形式下坑底隆起随开挖深度的增大均呈现出不断增长的趋势，但增长幅度会随着深度的增加有所减小，即开挖的进行对坑底隆起的影响会逐渐减小。数值方面，两种支护形式在各个施工步骤时坑底的隆起值相差无几，均未超出0.2mm，且咬合桩和冲孔灌注桩在基坑开挖结束时的坑底隆起值分别为4.86mm 和 4.77mm，均在规范要求范围内，可见采用咬合桩支护能够在降低工程造价的前提下较好的保证基坑的变形稳定。

3.4 周边地表沉降

为进一步探究咬合桩支护形式下基坑的变形性状，本小节选择与上文相同截面处基坑外围15m范围内地表的沉降情况进行分析，计算结果如图8所示。

图8 两种支护形式周边地表沉降情况

两种支护形式下周边地表的沉降趋势基本一致。在坑边的5m范围内，由于施工荷载的作用，地表由隆起逐渐变为下沉状态，且在距坑边2m～5m范围内沉降值迅速增大，咬合桩和冲孔灌注桩两种支护形式均在5m范围内土体沉降达到最大值，分别为 6.6mm和10.4mm，说明咬合桩在靠近坑边范围内对周边土体沉降的控制作用不佳；
在距坑边10m～15m的范围内，土体沉降值有所减小，咬合桩沉降值在这一范围内减小了3.2mm，这一降幅在灌注桩支护下为2.9mm，相差不多；
5m～10m范围内，正常状态下随着土体位置远离坑边，土体沉降会逐渐减小，但灌注桩在这一范围内的沉降值几乎没有变化，差值仅为0.5mm，主要是由于施工荷载在一定程度上加重了沉降程度，咬合桩支护下，这一范围内周边土体的沉降值减幅却达到了 4.6mm，并在距坑边 9.5m 处的沉降值开始小于灌注桩，几乎没有受到施工荷载的影响。

总体上看，冲孔灌注桩形式下周边地表沉降分布更为均匀，而咬合桩形式下的沉降分布跨度更大，沉降最大值也略大于冲孔灌注桩，故在实际工程中应用咬合桩支护时，更应重视施工荷载的大小及分布情况。

综上所述，相比于传统的冲孔灌注桩，咬合桩作为一种造价更低、防水效果更好的支护形式，在对基坑稳定性上的贡献也并未落后，虽然咬合桩的支护形式下桩身侧移、锚杆轴力、坑底隆起及坑外地表沉降均略大于冲孔灌注桩，但两者之间的差距并不大，因此在实际施工时，若施工工艺较为成熟，咬合桩为更合理的支护方式。

咬合桩作为一种新型的的围护结构，由于其防水效果较好、施工对周围环境扰动较小以及施工成本较低的特性，在某些特定的工程条件下，具有很好的适用性和优势[16]，但由于咬合桩施工工艺复杂、施工难度较大，有必要在此对桩体施工工艺及流程进行介绍。

本次工程咬合桩采用MAC2000型液压摇动式全套管钻机配合履带式起重机进行施工。单桩的施工方式较为简单：先施工导墙，在导墙混凝土有足够强度后，开始取土成孔，在保证桩身垂直度的前提下边抓土边下压套管，成孔结束后清除孔内虚土和沉渣，对钢筋混凝土荤桩进行吊放钢筋笼的操作，最后灌注混凝土并拔管成桩。

咬合桩是由未配筋的混凝土素桩与钢筋混凝土荤桩间隔布置而成，施工时先浇筑两根相邻的素混凝土A桩，后浇筑施工钢筋混凝土B桩，通过在B桩成孔时利用套管钻机的切割能力切割掉相邻A桩的部分混凝土，实现相互咬合，因此在A桩灌注混凝土中需掺入适量的混凝土减水剂，延缓混凝土初凝时间确保施工方案的实施。施工流程如图9所示。

图9 咬合桩施工顺序图

文章利用某一深基坑开挖项目作为基础，利用MIDAS/GTS软件建立了实体咬合桩模型，计算了基坑在咬合桩支护形式下基坑整体的稳定性情况，并利用等刚度原则将冲孔灌注桩及止水帷幕等效成一定厚度的地连墙，设置在相同位置处以比较两种支护形式的优劣性能，具体得出了以下结论。

①在基坑开挖深度较浅时，咬合桩及冲孔灌注桩桩身上部区域均向坑外位移，且开挖深度的增加对桩身各点侧向位移的影响均不大；
当开挖深度达到一定值后，两种支护形式下桩身均向坑内呈现出“中间大两边小”的趋势，在最后一次开挖时两者桩身的最大侧移分别为10.42mm及9.81mm，差值并不明显。

②咬合桩及冲孔灌注桩两种支护形式下四层锚杆的轴力均呈现出二层>三层>一层>四层的趋势，但咬合桩形式下各层轴力均略大于冲孔灌注桩，两种形式下基坑坑底隆起变化情况相似，且数值差距也仅在0.2mm左右。

③由于施工荷载的影响，两种支护形式下坑边地表的沉降均较大，并随着远离坑边沉降值逐渐减小；
两者坑边沉降最大值均发生在距坑边5m左右，但咬合桩沉降值更大，差值达到了3.8mm，说明咬合桩受施工荷载的影响更大。

④介绍了咬合桩的施工工艺流程，先浇筑相邻两侧素混凝土桩，再利用全套管钻机进行荤桩成孔的同时，切割掉相邻的部分素桩以实现相互咬合，整个过程施工扰动小、咬合面结合紧密，在工程中支护效果也较好。

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