雙排樁結構特性及樁體位移有限元計算分析

楊保全，丘 濱，陳先威

（1.河海大學土木工程學院，南京 210098；2.江蘇省電力設計院勘測部，南京 211100）

雙排樁結構特性及樁體位移有限元計算分析

楊保全1，丘 濱2，陳先威1

（1.河海大學土木工程學院，南京 210098；2.江蘇省電力設計院勘測部，南京 211100）

分析了雙排圍護樁的工程效應及其結構受力特性，結合工程實例，利用ADINA有限元軟件建立了雙排圍護樁的三維模型，對基坑開挖過程中樁體位移及不同排距情況下的樁體結構變形進行了計算分析。結果表明，樁體位移法計算值與實測值接近，說明模擬效果較好，對于類似工程的優(yōu)化設計施工具有一定的指導作用。

雙排圍護樁；排距；有限元計算；變形

目前城市建設中地下工程越來越多，尤其是深基坑工程，其圍護樁的結構對樁體位移及變形影響較大，目前所采用的雙排圍護樁是一種新型的圍護結構，這種結構具有較大的側向剛度，可以有效地限制圍護結構的側向變形，因而其圍護深度比一般懸臂式圍護結構深。從結構上分析，雙排圍護樁如同嵌入土中的門式框架，與單排懸臂結構、內撐式圍護結構相比，具有施工方便、擋土結構受力條件好等優(yōu)點，因此在工程中得到了廣泛的應用［1～3］。

然而，作為一種較新型的支護形式，目前其設計計算理論尚不成熟，對于開挖過程中樁體結構的位移和受力情況研究也很少，且大多局限于二維分析；因此，作者結合具體工程，建立了雙排圍護樁結構的三維模型，對玄武湖 九華山隧道工程一基坑開挖過程中雙排圍護樁樁體的位移情況進行了模擬計算，并分析了不同排距對樁體結構變形的影響，其結果對于優(yōu)化設計和指導工程實踐都具有一定的現(xiàn)實意義。

1 雙排圍護樁支護結構特性

雙排圍護樁支護結構的位移主要受樁間土、樁周土及其自身結構強度的控制。它通過對樁間土的合理利用，發(fā)揮前后排樁之間的協(xié)調作用，綜合利用空間效應，產(chǎn)生大的側向剛度，使支護結構的抗側移能力大大提高。樁間土對前后排樁的土壓力大小與前后排樁的排距有關，故雙排圍護樁結構可看成前后排樁都受到大小不等土壓力作用的平面剛架。當排距較小時，土壓力主要由后排樁承擔，前排樁只承受樁間土對其產(chǎn)生的較小的土壓力，同時橫梁對前排樁產(chǎn)生推力；隨著排距的增大，前排樁承受的土壓力也隨之增大，直到承受幾乎全部土壓力，而橫梁也由受壓變?yōu)槭芾?］。

當雙排圍護樁樁徑與前后排樁排距變化時，其工作性狀也發(fā)生變化，如圖1、圖2所示：當排距較小時，只能視雙排圍護樁為增加自身剛度的疊合樁，樁土協(xié)同作用難以發(fā)揮；而當排距較大時，則可認為趨于拉錨樁，后排樁利用土抗力起到錨拉支撐作用，無從談及樁土協(xié)同空間效應；只有當排距在某一范圍內，雙排圍護樁才能發(fā)揮其受力條件好、位移小的特點［4，5］。

圖1 雙排圍護樁結構剖面圖Fig.1 Profile of the double-row piles

圖2 排距變化對雙排圍護樁工作性狀影響示意圖Fig.2 Diagrams of the double-row piles with different row spacings

2 工程概況及計算模型

2.1 工程概況

南京玄武湖 九華山隧道工程是南京市城市快速內環(huán)的重點段，其主體結構分為湖中段及陸地段，其中湖中段兩側基坑垂直開挖段與放坡開挖段過渡段采用雙排圍護樁支護結構?；悠矫鏋榫匦?，開挖深度9.4 m，據(jù)地質勘查及《基坑設計支護施工圖》，施工范圍土體分為3層：一層以淤泥、雜填土、素填土為主；二層為淤泥質亞粘土、粉土、粉砂；三層為粉質粘土、粉質粘土混碎石、礫石。支護結構樁體采用鉆孔灌注樁，前后兩排樁共23根，呈“丁”字型布置，樁長均為19.15 m，樁徑為1.1 m，前排樁樁間距為1.3 m，后排樁為2.6 m，前后排樁排距為3.6 m，樁頂以連梁連接，連梁厚0.4 m①南京市測繪勘查研究院有限公司.九華山隧道工程基坑支護設計施工圖.2004年11月.。

2.2 三維有限元模型

本文利用ADINA（Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis）有限元分析軟件建立模型并進行有限元計算，該軟件是對固體、結構及結構-流體系統(tǒng)作靜、動位移和應力分析的一個計算機程序，對于分析靜力的線性、非線性問題具有較強的適應性②ADINA北京辦事處.ADINA使用手冊.。

根據(jù)矩形基坑的對稱性，為了減小計算規(guī)模，取1／4基坑為研究對象建立模型；同時將研究區(qū)域豎向邊界擴大至開挖面以下28.2 m，水平邊界范圍自基坑邊緣向外延伸28.2 m?？紤]到前排樁樁間凈距只有0.2 m，相對于1.1 m的樁徑而言較小，根據(jù)文獻［6］中等效抗彎剛度的方法，將前排樁等價成連續(xù)介質，后排樁、圈梁以實體建模。三維計算域4個側面邊界采用法向約束，計算域地面采用固定約束。為分析基坑開挖過程中不同階段樁體位移情況，利用ADINA程序中的單元生死功能來模擬基坑開挖過程，計算過程中將基坑設置為分3步開挖：第1步開挖至3.4 m，第2步、第3步再分別開挖3 m。

有限元分析中，土體選用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型，樁體、蓋梁選用線彈性材料［7，8］；采用水土合算的方法來考慮地下水；劃分單元時，采用對模型手工劃分單元的方法，在基坑周圍支護結構區(qū)域劃分較密，離基坑較遠處網(wǎng)格劃分漸疏；單元劃分選用八結點平行六面體單元，最終樁體共劃分3 040個3D單元，蓋梁共劃分710個3D單元，土體共劃分50 370個3D單元，整個模型共58 499個結點。剖分后的有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元計算模型Fig.3 Model of the finite element method

2.3 計算參數(shù)選擇

計算模型中土層的物理力學參數(shù)及支護結構計算參數(shù)取值見表1、表2。

表1 土體物理力學參數(shù)Table 1 The physical and mechanical parameters of soil

表2 樁體、蓋梁物理力學參數(shù)Table 2 The physical and mechanical parameters of the pile and bent cap

3 計算結果及分析

通過計算，得到在基坑開挖至3.4 m，6.4 m和9.4 m時對應的前、后排樁樁體水平方向最大位移量及最大變形出現(xiàn)的位置，如表3所示。

表3 基坑開挖不同階段支護結構位移結果Table 3 Displacements of supporting structures in different stages of the foundation pit

從表中可以看出，在基坑開挖深度由3.4 m到6.4 m再到9.4 m時，支護結構相應的最大位移從-9.06 mm到-19.95 mm再到-31.34 mm，可見開挖深度對支護結構變形的影響非常明顯，而且相同的是，在3個時刻支護結構最大變形位置均出現(xiàn)在基坑中部樁頂處。當基坑開挖完畢至9.4 m時，支護結構水平位移云圖及變形云圖分別如圖4、圖5所示。

圖4 開挖9.4 m支護結構水平位移云圖Fig.4 Nephogram of horizontal displacement at the depth of 9.4m

圖5 開挖9.4 m支護結構變形云圖Fig.5 Nephogram of deformation at the depth of 9.4 m

可以看出：由于支護結構前排樁連續(xù)分布，為主要受力部分，而后排樁間隔分布，為空間協(xié)同受力，通過樁間土體力的傳遞作用共同抵抗變形，此時前排樁底部位移較后排樁大許多。

通過不同時刻支護結構位移圖對比發(fā)現(xiàn)，在基坑開挖過程中，支護結構在其拐角處側向位移最小，向基坑中部側向位移逐漸增大，沿基坑深度方向，基坑開挖面以上支護結構側向位移增大較快，在樁頂處位移達到最大值；在圈梁作用下，前后排樁樁頂水平位移相等，說明連梁在協(xié)調前后排樁變形方面起有一定作用。

將開挖9.4 m后雙排圍護樁前排第15根樁、后排第8根樁的位移計算結果與其樁體上所設置的測斜管實測位移進行對比，結果如圖6、圖7所示［9］。

圖6 前排第15根樁水平位移對比Fig.6 Comparison diagram of horizontal displacements of the the 15th pile in front row

圖7 后排第8根樁水平位移對比圖Fig.7 Comparison diagram of horizontal displacements of the 8th pilein back row

從圖中可以看出：有限元計算位移與實測位移分布規(guī)律基本符合，反應了基坑開挖過程中支護結構的變形特征，但是兩者仍存在一定差異：① 基坑開挖面以上有限元計算水平位移值普遍偏小，而實測位移值相對較大。分析其原因，是在有限元計算過程中，基坑外側未考慮荷載作用，而實際施工過程中，施工機械在基坑周圍施加的外荷載，坑邊堆放的大量建材，都有可能導致基坑支護結構上部水平位移變大；②基坑開挖面以下計算位移值較測斜管實測位移值大，其原因可能是基坑開挖到設計深度以后，根據(jù)設計與監(jiān)測要求，現(xiàn)場立即施工隧道底板，避免了基坑在無支撐狀態(tài)下暴露時間過長，底板對支護樁起到很好的限制水平位移的作用，因此，在開挖面以下實測樁體側向位移值較計算值偏小，也說明基坑開挖施工過程中對基底軟土處理和及時施工底板對基坑穩(wěn)定意義重大。

4 排間距對樁體位移影響分析

在雙排圍護樁結構設計中，排距是對其工作性狀影響較大的一個因素，因此，作者在上面模型的基礎上以排距2 d，3 d，4 d，5 d，6 d，8 d（d為樁徑，以下同）分別建立三維模型，來分析不同情況下的樁體位移。經(jīng)計算，其結果如圖8、圖9所示。

圖8 不同排距時前排樁位移Fig.8 Displacements of the front piles with different row spacings

圖9 不同排距時后排樁位移Fig.9 Displacements of the back piles with different row spacings

通過對計算結果的分析可以看出：當前后排樁排距較小時，如S=2 d～3 d，雙排圍護樁可視為增加自身剛度的疊合樁，前后排樁空間協(xié)同作用較弱，排樁、蓋梁和樁間土組成的圍護結構抗彎剛度相對較小，支護結構變形相對較大；當前后排樁排距較大，如S＞6 d時，后排樁所受樁后土壓力減小，對前后排樁間土作用減弱，協(xié)同前排樁共同抵抗變形的作用減弱，只是通過樁頂蓋梁作用來保持樁頂變形一致，此時的后排樁受力類似拉錨樁。因此，綜合分析前后兩排樁的位移，本文認為最合理排距為S=4 d。

5 結語

（1）利用ADINA有限元軟件，以南京玄武湖九華山隧道工程為背景建立雙排圍護樁三維模型，經(jīng)計算支護結構位移計算值與實測值接近，變化特征基本一致，較好地反映了工程實際情況，計算結果可靠。

（2）雙排圍護樁是一種空間門架式支護結構，前后排樁變形存在顯著的空間效應，以基坑中部樁為最大，向基坑拐角處逐漸減小，呈拋物線形分布。

（3）開挖深度對支護結構位移影響明顯，同時，連梁在協(xié)調前后排樁位移方面作用顯著。

（4）通過不同排距的樁體位移計算結果對比，前后排樁排距為4 d時樁體與蓋梁協(xié)同抵抗變形的能力較好，為雙排圍護樁設計施工提供可靠依據(jù)。

［1］ 龔曉南，高有潮.深基坑工程設計施工手冊［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1998.

［2］ 黃 強.深基坑支護設計與施工［M］.武漢：中國建材工業(yè)出版社，1995.

［3］ 余志成，施文華.深基坑支護設計與施工［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997.

［4］ 孫家樂，張欽喜，許寶華.深基空間組合支護樁設計與工程應用［J］.工業(yè)建筑，1995，（9）：8-10.

［5］ 楊建斌，潘秋元，朱向榮.深基坑開挖雙排圍護樁支護性狀分析［J］.浙江建筑，1995，（1）：9-10.

［6］ 熊巨華.一類雙排樁支護結構的簡化計算方法［J］.勘察科學技術，1999，（2）：32-33.

［7］ 錢家歡，殷宗澤.土工原理與計算（第二版）［M］.北京：中國水利水電出版社，1996.

［8］ 陳惠發(fā)［美］，薩里普A.F.土木工程材料的本構方程（第一卷）［M］.余天慶，王勛文譯.武漢：華中科技大學出版社，2001.

［9］ 周云東.南京市快速內環(huán)東線工程標段三陸地段及湖中段基坑監(jiān)測總結報告［R］.南京：河海大學，2005.

Deformation Analysis of Double-row Piles by Finite Element Method

YANG Bao-quan1，QIU Bin2，CHEN Xian-wei1

（1.College of Civil Engineering，HoHai University，Nanjing 210098，China；2.Survey Department，Jiangsu Electric Power Design Institute，Nanjing 211100，China）

The deformations of the double-row piles are analyzed in this paper.A 3D finite element model is introduced based on an engineering illustration.The displacement of the piles during excavation is computed by ADINA（automatic dynamic incremental nonlinear analysis）.The results are compared to the observed values and in good agreement with the observed data.Parametric studies are conducted to optimize the pile structure.

double-row pile；row spacing；finite element method；deformation

TU67

A

1001-5485（2009）07-0052-04

2008-09-01；

2008-12-29

楊保全（1964-），男，湖北廣水人，副教授，博士研究生，主要從事工程基礎處理及地下水研究工作，（電話）13505169866（電子信箱）yang bao quan＠163.com。

（編輯：劉運飛）