不良地质条件下深基坑开挖咬合桩支护安全性分析

贾正兴

【摘 要】文章针对传统分析方法在对不良地质条件下深基坑开挖咬合桩支护安全性进行分析时，存在分析得出的评价结果与实际支护安全系数相差较大，无法为施工提供有效数据依据问题，开展对分析方法的设计研究。通过获取不良地质条件深基坑开挖咬合桩支护施工数据、划分咬合桩支护安全性预警阈值、基于边界条件计算咬合桩支护安全系数，提出一种全新的分析方法。通过对比测试证明，新的分析方法与传统分析方法相比得出的分析评价结果与实际结果相符，分析结果的准确性更高。

【关键词】不良地质条件;深基坑开挖;咬合桩;支护安全性;分析方法

【中图分类号】TP391 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2022）03-0070-04

0 引言

我国相关建筑施工文件标准提出，深度超过6.0 m基坑，或深度不超过6.0 m但具有支护结构的基坑，被统称为深基坑。在建筑施工过程中，为了确保基坑施工的顺利实施，避免基坑主体结构遭到周边地质环境的影响而被破坏，保障其安全性，通常会在深基坑内采用增设支护结构、防水层等方式，进行基坑的开挖与回填工作，保障施工安全[1]。随着我国建筑产业相关施工文件内容的逐步标准化，建筑工程施工的实施逐步向合理化与规范化方向推进。但在此过程中，考虑到深基坑施工与其他工程项目存在环境差异，例如深基坑施工地质环境相对复杂、容易受到地下水的干扰与影响等，不良地质条件对深基坑施工具有一定的影响[2]。因此，施工方提出了一种在基坑开挖过程中对其进行咬合桩支护的方法，提高施工的安全性和稳定性。在施工过程中，使用机械设备在基坑内钻孔，此时多个坑内支护桩呈现一种重合咬紧结构，相比常规的支护结构，此种支护结构具有优越的防水性能，可以更好地抵御雨水的侵蚀。与连续防水墙相比，该结构施工造价成本更低，因此咬合桩支护已被广泛应用到工程建设中。但在深入对此方面的调查与研究中发现，大部分基坑工程在使用此种结构进行施工时，仅考虑咬合部位的防水性能，没有关注到基坑挡土墙对支护结构的外在作用力，因此极易导致支护结构出现稳定性与安全性差的问题。为了满足深基坑施工要求，本研究基于不良地质条件下，设计一种针对深基坑开挖咬合桩支护结构的安全性分析方法，保障深基坑建成后具有更强的稳定性与安全性。

1 不良地质条件下深基坑开挖咬合桩支护安全性分析方法

1.1 获取施工数据

为了确保咬合桩支护安全性分析结果的准确性，在开展相关工作前，需要针对性地获取工程施工数据。本项目为吴圩机场至隆安段高速路二分部，位于崇左市扶绥县，起止里程为K19+600～K31+000，全长11.4 km，主要由桥梁和路基组成。工程施工中，核心工程数据如下：路基区域填方超过74.0万m2;挖方23.0万m2，清淤换填面积为46.0万m2，桥梁3座共1 369 m（含分离式立交）、涵洞51.0座共2 010.38 m，桥隧比为12%。

项目在实施过程中，其控制所属项目为沙尾左江特大桥，桥址位于广西崇左市扶绥县龙头乡沙尾村附近，在沙尾渡口下游约300.0 m处跨越左江。其中，桥梁主要结构的跨径长度约360.0 m，属于一种在钢管与混凝土结构支撑下的提篮拱桥，桥体全长约968.0 m，跨径组合为9.0×40.0+360.0+6.0×40.0，是我国乃至全球最高跨度的桥梁。主桥南北岸拱座基础均为分离式扩大基础，北岸拱座基础底设计标高为66.0 m，左右幅拱座尺寸（长×宽×高）均为33.0 m×15.7 m×8.5 m，中间不设连续梁。

北拱座距离左江岸约15.0 m，基坑自原地面总开挖平均深度为18.5 m，放坡空间有限，因此采用四面防渗咬合桩进行基坑支护。咬合桩顶标高为80.2 m，沿左右幅基坑四周布设，单桩直径为1.5 m，桩中心距为1.25 m，相邻两桩咬合25.0 cm。咬合桩采用素砼桩和钢筋混凝土桩搭配，单侧拱座基坑设置83根咬合桩，总共设置166.0根咬合桩。桩顶设置冠梁，基坑内部设置两层内支撑，四角设置角撑。

根据我国建筑市场《危险性工程施工安全管理条例》提出的深基坑开挖施工要求：在开挖深度超过5.0 m的基坑时，可将此种类型工程认定为危险工程类型。通过上述对深基坑开挖工程工况的描述可知，本工程属于危险类型工程[3]。根据《建筑工程深基坑开挖支护技术标准》（JGJ 055—2018）第3.1.3条规定，本文研究的工程支护结构，其侧壁安全等级属于一级，安全等级重要系数取值1.1。综上所述，完成对不良地质条件深基坑开挖咬合桩支护施工数据的获取。

1.2 划分咬合桩支护安全性预警阈值

在掌握与工程施工相关的数据后，引进数值模拟法，进行咬合桩支护安全性预警阈值的规划[4]。在工程应用中，利用电子计算机结合有限元或有限容积的概念，通过数值计算和图像显示的方法，达到对咬合桩支护安全性问题研究的目的。数值模拟内部程序有相应的计算方法，可以模拟较复杂的施工过程，通过计算将其数值结果显示在荧光屏上，可以看到咬合桩支护安全性的各种细节。根据数值结果结合工程咬合桩支护施工要求，在工程现场使用旋挖钻机开展施工，场地平整至设计标高后，采用隔桩跳打的方式施工咬合桩。通过隔桩跳打方式可以有效避免工程咬合桩支护施工时对相邻已成桩质量产生不利影响，通过间隔一根桩进行施工，保证施工的安全性和稳定性。在划分咬合桩支护安全性预警阈值时，需要结合数值模拟数据进行有效测量，然后根据测量数值准确放样，保证桩基偏位不超出设计和规范的要求，钻孔过程中要注意检查钻孔垂直度，确保相邻桩咬合长度满足要求，成孔后要进行彻底清孔。孔底部的沉渣清理干净后，及时将混凝土等材料灌注到模子里進行浇筑，制成预定形体。如未能及时浇筑，需要对孔口进行适当的防护，保证无沉淀物留存孔底。

只有待所有咬合桩施工完毕，并完成冠梁和第一道内支撑施工后，才能进行土石方开挖。土石方开挖采用分层台阶开挖，长臂挖掘机进行出土，要求施工至各级内支撑时暂停开挖进行内支撑施工，待内支撑完成后方能继续向下开挖[5]。岩层采用一种新型施工工艺对其进行静态爆破施工，具有安全性、环保性、经济性、精确性和实用性。爆破过程中，冲击力较小，不具有破坏性，不会对周围环境产生污染，具有较高的分裂精度。在此过程中，需要使用斜距测量仪，将测线的位移进行检测，在轴力检测的支护架设前端，为了避免检测中结构应力过于集成，可在检测过程中，在轴力与支护结构中间增设一个钢垫板，降低在模拟应力数值过程中，支护结构应力值受到不良地质条件的干扰[6]。在此过程中，轴力检测仪与支护结构衔接部分安装示意图可参照图1结构布设。73DE3AA1-EFCA-42F8-833B-0CA4474C5E8B

图1中：（1）表示深基坑咬合桩钢结构;（2）表示支撑头;（3）表示轴力检测仪;（4）表示加强垫板;（5）表示轴力检测仪安装架;（6）表示轴力检测仪托架;（7）表示预制板。根据上述结构，规划不同位置咬合桩支护安全性的预警阈值[7-8]（见表1）。

设定咬合桩桩体位置和咬合桩支撑轴力，可以有效测算咬合桩支护安全性。划分深基坑沉降和支护结构倾斜度阈值，可以有效分析咬合桩的防渗和防水能力。分析相邻管线转角和管线沉降情况，可以有效防止施工产生基坑裂缝、下塌现象。输出表1中所有内容，以此作为评价咬合桩支护是否处于安全范围的依据，从而完成对安全性预警阈值的有效划分。

1.3 基于边界条件计算咬合桩支护安全系数

在完成上述相关工作的基础上，可通过对深基坑开挖咬合桩支护边界条件进行分析的方式，对咬合桩支护安全系数进行计算[9]。考虑到深基坑在不良地质条件下，周边地表层无固定超载现象，因此在对深基坑进行描述时，可从自由边界面对其进行表达[10]，即深基坑长边表示为x，也可将x定义为支护两侧的边界条件，在x方向上施加法向约束作用力，此时限制边界出现向x方向的水平位移。为了降低此种沉降现象，在深基坑的底部边界施加一个固定约束力，这一作用力与x方向的作用力，呈现垂直状态[11]。此时，在前后边界位置处，施加一个法向约束作用力，此时，在不考虑地下水渗流的条件下，可对咬合桩支护稳定性进行计算。计算公式如下。

f=τf-c-σntanφ（1）

公式（1）中：f表示咬合桩支护稳定性;τf表示支护结构在法向方向上受到的单元作用力;c表示支护结构受到的正向应力值;σn表示承载作用力;φ表示支护结构倾斜角度。输出上述计算公式的计算结果，以此作为咬合桩支护安全系数，从而完成对不良地质条件深基坑开挖咬合桩支护安全性分析方法的设计[12]，确保咬合桩支护具有安全性和稳定性。

2 实验论证分析

本文以南宁市某建筑施工工程项目为研究对象，针对该项目当中的深基坑开挖咬合桩支护安全性进行分析。结合当前咬合桩支护安全性的预警阈值，对其监测内容和监测方法进行规定，按照围护结构和土体方位规定不同的监测方法，具体见表2。根据上述论述内容，在不良地质条件下分别利用本文提出的分析方法和传统分析方法完成其安全性分析，并将两者得出的分析结论进行对比，以此验证本文分析方法的应用优势。

从表2的监测内容与方法可以看出，监测桩顶水平位移和基坑边坡坡顶水平位移对咬合桩支护安全性具有基础性意义，由此需要采用集光、机、电为一体的高技术全站仪对其进行监测。根据Midas-gts-nx 2018软件模拟分析得到10#墩左幅基坑开挖至基坑底部后，计算最大桩顶位移为16.4 mm，发生在围护结构长边中部。计算短边最大位移为4.8 mm，具体如图2所示。

从图2可以看到咬合桩支护不同位置的安全性数据，具有较强的直观性。10#墩左幅基坑桩顶位移部分测点在整个施工周期位移实测值变化曲线如图3所示。

通过图3可知，2020年6月3日，左幅基坑进行第一次控制爆破施工后，支护桩失去岩层支护，长边及短边位移增量变大，曲线变陡。长边实测值与计算值基本吻合，但因基坑挖深超深，导致位移进一步增加。因为基坑短边受车辆移动荷载及水流影响，监测位移波动较大，所以在今后设计计算时应注意考虑其影响。

根据Midas-gts-nx 2018软件模拟分析工况“开挖至腰梁下方2 m位置”，得到钢结构内支撑最大轴力计算数值为2 520.38 kN，发生在第二层基坑中央钢直撑位置，具体如图4所示。

通过图4位置图对10#墩右幅基坑第二层基坑中央钢直撑轴力进行对比分析，实测值变化曲线如图5所示。

通过图5可知，2020年5月13日，在10#墩右幅基坑开挖至腰梁下方2 m后，第二层基坑中央内支撑现场实测最大轴力为2 339.6 kN，实测值与计算值基本吻合。由此表明，本文分析方法具有实际应用优势。

3 结束语

深基坑在工程建设中属于一种地下工程，常被应用在城市地铁工程、设防工程等市政类型工程建设中，在此种类型的工程中，施工方需要根据工程实际需求，设计深基坑的基底深度与基础尺寸宽度，并以此为参照开挖基体结构。为了进一步掌握与此方面相关的内容，本文以不良地质条件作为研究的前提条件，对深基坑开挖咬合桩支护安全性分析方法展开深入的设计与研究，分别从获取工程数据、划分安全性预警阈值、计算咬合桩支护安全系数3个方面展开设计，在完成对此方面的设计后，通过对比论证的方式，证明该设计方法相比传统方法具有更强的适用性。

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