雙排樁支護結(jié)構有限元模擬及優(yōu)化設計分析

莊心善，田蓓蕾，宋 磊

（湖北工業(yè)大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢430068）

雙排樁是一種空間門架式結(jié)構，它由樁頂冠梁和平行的兩排鋼筋混凝土樁所組成.從結(jié)構上分析，雙排樁支護如同嵌入土中的門式框架，與單排懸臂結(jié)構、內(nèi)撐式支護結(jié)構相比，它具有側(cè)向位移小、剛度大、施工簡便、不用設置內(nèi)支撐、擋土結(jié)構地受力條件好等優(yōu)點.由于它特有的這些優(yōu)點，使其維護深度比一般懸臂式支護結(jié)構要深，因此在工程中得到了廣泛的應用［1－3］.

深基坑和支護結(jié)構的相互作用是一個隨時間變化的時變系統(tǒng)，考慮施工過程對工程影響是很有必要的［4］.因而，本文運用大型通用有限元軟件FLAC 3D建立三維模型，以某一實際工程為基礎，模擬基坑開挖的全過程，進而分析雙排樁支護結(jié)構的工作機理，并對其進行優(yōu)化分析.

1 工程概況和計算模型

1.1 工程概況

某高層建筑地面以上18層，地下建有大型停車場，基坑工程較為龐大.其基坑鄰近城市主干道，地下管線交錯，北側(cè)緊鄰一個學校，東側(cè)緊鄰一大型住宅小區(qū)，周圍環(huán)境較為復雜.周邊建筑物距該基坑邊緣最小距離約為15.6m，其他的建筑物距該基坑的一般距離為20m左右.

根據(jù)勘察的結(jié)果可知，該基坑的土層屬于長江沖積的一級階地二元結(jié)構地層，該地層特點是顆粒粒徑由上至下從細變粗，力學性質(zhì)隨深度增加而變好，比較適合作為高層建筑物的樁基持力層.

本基坑的開挖深度為10.2～10.6m，基坑豎向支護方案：基坑支護結(jié)構選用直徑為1.0m的雙排鉆孔灌注樁，防滲帷幕選用雙排攪拌樁.基坑內(nèi)外的地下水用雙層攪拌樁來隔斷.所以此次模擬不考慮地下水的影響.模擬選取角撐、對撐作為內(nèi)支撐主要采用形式，支撐構件均采用鋼筋混凝土梁，這樣就減少支撐桿件的數(shù)量以及土方的挖運，方便施工作業(yè).

1.2 計算模型及參數(shù)

1.2.1 計算模型 基坑平面幾何形狀不規(guī)則，土體的計算區(qū)域選取100m×100m的正方形區(qū)域，網(wǎng)格劃分采用梯度單元形式，土層厚度按開挖標高及土層分界面來劃分.邊界條件用模型底部x、y、z三個方向的位移約束來定義，限制其它面的外法向位移，取上表面為自由面.基坑建模完成后，網(wǎng)格劃分模型圖（圖1）.

圖1 網(wǎng)格劃分模型圖

1.2.2 計算參數(shù) 該基坑的本構模型選用摩爾－庫倫模型（Mohr－Coulomb Model），基坑坑底假定為固定約束，不發(fā)生轉(zhuǎn)動［5－6］.由于深層攪拌樁的防滲止水作用，阻隔了地下水，所以基坑內(nèi)外土體不考慮流體的作用以及流固耦合的作用.基坑開挖涉及到5個土層，其支護結(jié)構上土體的土層參數(shù)如下表1所示.雙排鉆孔灌注樁的主筋采用均勻圓周布置，主筋選用2430HRB335，保護層厚度取45mm，箍筋取螺旋狀，取值為8＠200，定位鋼筋取值16＠2000.內(nèi)支撐的材料參數(shù)如表2所示.

表1 基坑工程的土層分布情況

表2 基坑支撐桿件設計參數(shù) mm

2 計算結(jié)果分析及參數(shù)優(yōu)化

2.1 計算結(jié)構分析

運用FLAC 3D對基坑開挖進行數(shù)值模擬時，數(shù)值模擬必須按照真實的基坑開挖步驟來進行，其分析過程包含初始應力計算、支護結(jié)構的施工以及土體的開挖等.按照SOLVE elastic的方法求解開挖前的初始應力，經(jīng)計算得到初始平衡狀態(tài)的土體模型（圖2）.化曲線和沉降量變化曲線如圖3、圖4所示.通過工地現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，畫出水平位移與沉降量變化曲線如圖5、圖6所示.

圖2 處于初始平衡狀態(tài)的土體模型

在初始應力的計算完成后，將鉆孔灌注樁置換成Pile單元，冠梁置換成Shell單元繼續(xù)模擬.下一步模擬基坑開挖的過程，選用FLAC3D中的null model命令，取null model來替換開挖部分的 Mohr－Coulomb Model，使土體中出現(xiàn)空部分，進而完成基坑開挖的模擬.本基坑劃分為4步開挖，step1、step2、step3和step4分別模擬開挖至地表以下3 m、5m、8m和10m，每一步開挖都計算出基坑內(nèi)的位移變形情況，得出數(shù)值模擬的基坑的水平位移變

圖6 實測的沉降量變化曲線

將水平位移變化曲線和沉降量變化曲線通過FLAC3D計算出的模擬值與工地監(jiān)測的實測值進行對比，可總結(jié)出：

1）支護結(jié)構的樁頂端的水平位移隨著基坑深度的加大而不斷增加，位移的增大速率以及位移的大小沿基坑坑壁四周位置不同而有不同改變；

2）沉降值隨著開挖深度地增加而不增加，尤其在基坑中部十分明顯，其基坑坑底部中心的沉降值遠大于基坑邊緣處沉降值.

總的看來，由數(shù)值模擬分析和現(xiàn)場監(jiān)測的結(jié)果，可總結(jié)出地表沉降量與支護結(jié)構的水平位移在基坑邊緣處都遠小于基坑中部，二者的最大值都產(chǎn)生在基坑中部，即基坑的位移變形具有空間效應.

對于雙排樁支護結(jié)構，在基坑開挖前，運用FLAC3D進行數(shù)值模擬，分析樁體結(jié)構的剛度、入土深度、樁長以及樁間距等參數(shù)對基坑變形的影響，選取較為合理的取值，從而可以達到優(yōu)化基坑支護結(jié)構設計的效果.

2.2 參數(shù)優(yōu)化

為了更好地控制基坑的變形量，選取排樁間距、排樁的樁長作為變量參數(shù)，運用FLAC 3D進行數(shù)值模擬.由于雙排樁與樁間土的共同作用會受到前后樁間距的影響，它對于控制基坑變形尤為重要，因此前后樁間距過小或過大均會對雙排樁空間協(xié)調(diào)變形性能產(chǎn)生不利的影響［7］.以排樁間距為參數(shù)變量，假定雙排樁支護結(jié)構的其它條件均不變，間距L取值為1d、2d、3d、4d、5d（d為樁徑大小）.以樁徑為基準進行變化，對基坑在不同間距條件下的變形進行計算.前后排樁位移變化曲線如圖7、圖8所示.

圖7 前排樁位移變化曲線圖

圖8 后排樁位移變化曲線圖

根據(jù)前排樁和后排樁的位移變化曲線趨可知，前排樁的水平位移要大于后排樁的水平位移，且最大位移處在樁頂.前后排樁的位移量最小的排樁間距L取值范圍是（2～4）d，最適合基坑變形控制的要求.

確定排樁間距的取值為2d后，再將前后排樁的樁長為參數(shù)變量進行分析研究：

1）假定后排樁長保持定值，前排樁長分別取20.0m、18.0m、16.0m以及14.0m 來進行模擬，其變形值如圖9、圖10所示.

從圖9、圖10可知，在后排樁樁長為定值時，前排樁樁長的改變引起了前、后排樁側(cè)向水平位移量的變化，其對基坑的變形控制起著重要作用.

2）假定前排樁長保持定值，后排樁長分別取16.5m，15.5m，14.5m，13.5m，12.5m，11.5m，10.5m來進行模擬，其變形值如圖11、圖12所示.

對以上兩種假定情況所產(chǎn)生的變形值進行比較后，得出將后排樁的樁長選為參數(shù)所產(chǎn)生的前、后排樁的側(cè)向水平位移比將前排樁的樁長作為參數(shù)時要小，并且在基坑頂部和底部位置處，樁身的水平位移隨著樁長的變化急劇減小.

結(jié)合以上兩種分析情況，改變前排樁樁長比改變后排樁樁長對基坑變形控制更為有效.

3 結(jié)論

FLAC 3D數(shù)值模擬軟件可以較好地模擬出深基坑開挖的整個過程，并計算出在深基坑開挖過程中支護結(jié)構的位移變形.其模擬的變形值與現(xiàn)場實測的數(shù)據(jù)基本吻合，可將其作為預測深基坑變形控制的方法在實際工程中運用.在雙排樁支護結(jié)構的工程實例中，以排樁間距、樁長作為變量參數(shù)，運用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對不同情況分別進行模擬，得出對于基坑變形控制較為合理的參數(shù)取值范圍.

1）雙排樁的排樁間距直接影響其空間協(xié)調(diào)變形性能，過大或者過小的排樁間距都不利于發(fā)揮其最優(yōu)性能，應選取適中的排樁間距值，約在（2～4）d范圍之內(nèi)，以達到最好的作用效果.

2）前排樁的樁長改變導致排樁側(cè)向水平位移改變幅度比后排樁大，其位移變形值在距樁底端約1／3樁長的范圍內(nèi)，隨著后排樁樁長的減小而增大，而在距排樁樁頂端約2／3樁長的范圍內(nèi)，則隨著后排樁樁長的減小而減小.

［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，1998：187－188.

［2］董必昌，邱紅勝.雙排樁對邊坡穩(wěn)定影響分析的仿真研究［J］.武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2007，31（3）：502－505.

［3］楊 敏，盧俊義.上海地區(qū)深基坑周圍地面沉降特點及預測研究［J］.同濟大學學報（自然科學版），2010，38（2）：194－199.

［4］陸新征，宋二祥，吉林.某特深基坑考慮支護結(jié)構與土體共同作用的三維有限元分析［J］.巖土工程學報，2003，24（4）：488－491.

［5］劉繼國，曾亞武.FLAC3D在深基坑開挖與支護數(shù)值模擬中的應用［J］.巖土力學，2006，27（3）：505－508.

［6］彭文斌.FLAC3D實用教程［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

［7］秦四清，萬林海，湯天鵬.深基坑工程優(yōu)化設計［M］.北京：地震出版社，1998：142－143.