某深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬研究

魏科豐

（長江大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，湖北 荊州 434023）

1 雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

在地基土中平行分布的兩排樁稱為雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，主要適用于地質(zhì)情況較復(fù)雜及安全度要求較高的情形，大部分情況下都布置成矩形，有時(shí)也布置成梅花形，為了使兩排樁能共同受力，同時(shí)提高兩排樁結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，在樁頂可以用剛性冠梁將其連接起來，冠梁與基坑的開挖方向平行，同時(shí)用連梁將兩排樁連接起來，形成穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)，能夠抵御較大的外力及土體變形，通過實(shí)際工程的驗(yàn)證，雙排樁結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度較大，在保證安全的前提下能較好的控制基坑的側(cè)向變形，其常見的分布情況如圖1所示。

圖1 常見的雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)分布圖

2 實(shí)際工程應(yīng)用

荊州市某基坑平面大致呈矩形布置的基坑工程，整個(gè)基坑?xùn)|西方向長88m，南北方向?qū)?4m，面積約4700㎡。該工程地面以上擬建3層，高度14.8m，建筑面積3976.6㎡，地下室擬建2層，建筑面積2784㎡，開挖深度7.4～9.1m，結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)，最大柱網(wǎng)8.0m×11.0m，最大中柱荷重5200kN，最大邊柱荷重2400kN，擬采用筏板基礎(chǔ)，具體地質(zhì)條件及設(shè)計(jì)方案如下所示。

2.1 場(chǎng)地水文地質(zhì)條件

根據(jù)勘察結(jié)果，按各土層的巖性及其含水、透水性可劃分為相對(duì)隔水層和含水層兩大類：第①1層為弱透水孔隙含水層，第①2層為相對(duì)隔水層，第②、③、④層為弱透水孔隙含水層，具承壓性，⑤層卵石為中至強(qiáng)透水孔隙含水層，具承壓性，與區(qū)域強(qiáng)透水性承壓含水層連通。

2.2 地基土參數(shù)分析

本工程基坑各側(cè)壁均不具備自立和完全放坡條件，基坑開挖須采取支護(hù)措施，根據(jù)不同的開挖深度及地質(zhì)情況，可分別采用不同的支護(hù)形式，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)值見表1。

表1 基坑設(shè)計(jì)巖土參數(shù)

3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案選擇

經(jīng)過多方案比較，該工程擬采用聯(lián)合支護(hù)方式，聯(lián)合支護(hù)能在保證支護(hù)結(jié)構(gòu)安全可靠的前提下，有針對(duì)性的集采各家之所長，不僅使工程造價(jià)降低，同時(shí)可根據(jù)場(chǎng)區(qū)環(huán)境靈活布置，使支護(hù)施工順利進(jìn)行。所以該基坑工程選用雙排樁、鉆孔灌注樁支護(hù)結(jié)構(gòu)+內(nèi)支撐（角支撐）的聯(lián)合支護(hù)方案。北側(cè)直接利用該工程已建的地下室作為支護(hù)結(jié)構(gòu)，其余三面新增鉆孔灌注樁作為支護(hù)結(jié)構(gòu)，水泥土墻作為隔水帷幕。本文僅分析和計(jì)算基坑雙排樁支護(hù)段 (長度28m)，基坑開挖深度為7.4m，樁徑為800mm，樁長為 15m，樁距為 1.2m，排間距為 3.0m，冠梁、連梁截面均為1.0m×0.6m，支護(hù)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 雙排樁平面布置圖(單位：mm)

4 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與計(jì)算

4.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算

本工程按開挖深度2.5m、5.0m和7.5m三個(gè)工況進(jìn)行計(jì)算，前排樁和后排樁內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 前排樁、后排樁內(nèi)力值

4.2 整體穩(wěn)定驗(yàn)算

整體穩(wěn)定計(jì)算采取瑞典條分法，條分法土條計(jì)算寬度為1.0m，抗傾覆安全系數(shù)按下式計(jì)算：M=EIθ=E，可知工況Z3時(shí)，安全系數(shù)最小，KS=1.278≥1.200,滿足規(guī)范要求。

5 計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

5.1 雙排樁監(jiān)測(cè)方案

本工程雙排樁監(jiān)測(cè)包括支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)移監(jiān)測(cè)及支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在基坑的最不利受力位置，施工監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和監(jiān)測(cè)方法要求如下：

(1)樁鋼筋應(yīng)力，通過安裝鋼筋計(jì)監(jiān)測(cè)雙排樁的主要受力鋼筋的應(yīng)力，監(jiān)測(cè)雙排樁在施工過程和支護(hù)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的實(shí)際受力情況。

(2)樁頂位移，在樁頂冠梁布點(diǎn)，監(jiān)測(cè)施工期各個(gè)階段樁項(xiàng)的水平位移。

5.2 計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

本文計(jì)算方案的基本條件與參數(shù)選取均依據(jù)試驗(yàn)樁1#～3#樁周邊環(huán)境與水文地質(zhì)情況，分別計(jì)算了開挖深度2.5m、5.0m及7.4m時(shí)的樁身內(nèi)力分布。通過實(shí)測(cè)鋼筋應(yīng)力，然后計(jì)算樁體彎矩。根據(jù)1#～3#樁的位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可得前排樁樁頂位移如表3所示，前排樁實(shí)測(cè)最大樁頂位移為10.0mm，模型中計(jì)算前排樁、后排樁樁頂位移為11.46mm。前排樁最大位移出現(xiàn)在坑深4.0m的位置而非樁頂，最大位移12.6mm，這是由于冠梁和連梁的變形協(xié)調(diào)作用限制了前排樁頂?shù)奈灰啤?/p>

從下表對(duì)比分析可以看出，計(jì)算結(jié)果明顯比實(shí)測(cè)結(jié)果偏小。目前，此工程的地下室施工接近完成，它的成功，為以后本地區(qū)的基坑設(shè)計(jì)提供了較好的參考數(shù)據(jù)，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

表3 前排樁樁頂位移(單位：mm)

6 雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)工程實(shí)例的數(shù)值模擬分析

PLAXIS程序是由荷蘭開發(fā)的專門用于分析巖土工程變形和穩(wěn)定性的大型有限元程序，該程序以莫爾·庫侖模型來模擬土體發(fā)生屈服后非線性變形的性狀，該程序本身具備了特殊的功能來解決復(fù)雜土工結(jié)構(gòu)的諸多問題。

6.1 基本參數(shù)

工程地質(zhì)概況見表1，本構(gòu)關(guān)系采用摩爾庫倫破壞準(zhǔn)則，對(duì)于土體單元需要計(jì)算土體的剪切模量(G)、體積模量(K)，土體的強(qiáng)度參數(shù)，粘聚力和內(nèi)摩擦角的取值見表5，土體的抗拉強(qiáng)度均假設(shè)為零。各土層的體積模量和剪切模量見表4，表中彈性模量和泊松比沒有試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其取值參考《工程地質(zhì)手冊(cè)》。雙排樁、冠梁和連梁均采用C30混凝土，建立模型時(shí)需要考慮的關(guān)于樁身的參數(shù)及尺寸見表5。

表4 土層k、G取值

表5 樁梁結(jié)構(gòu)單元參數(shù)

有限元網(wǎng)格劃分及邊界條件采用前面介紹的工程實(shí)例進(jìn)行PLAXIS有限元建模分析，基坑開挖問題的有限元法只作平面應(yīng)變分析。根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，基坑開挖影響寬度約為開挖深度的3～4倍，影響深度約為挖深的2～4倍，根據(jù)基坑和計(jì)算域的對(duì)稱性，取計(jì)算域的半截面進(jìn)行分析，分析中選取的范圍為40x25m。計(jì)算模型的邊界條件為：左、右邊界X方向位移為零，下邊界Y方向的位移為零，其它位移邊界自由。

6.2 數(shù)值模擬實(shí)施步驟

(1)雙排樁用plate單元模擬，線彈性模型，樁頂連接橫梁同樣采用plate單元模擬，線彈性模型。土體模型全部采用摩爾-庫倫模型，由于基坑采用了深井降水，開挖前已形成降水漏斗，故作不排水計(jì)算。模型簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 模型簡(jiǎn)圖

(2)采用PLAXIS15節(jié)點(diǎn)單元網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小適中，樁周土體網(wǎng)格劃分更細(xì)。網(wǎng)格劃分見下圖4所示。

（3）然后開挖至地表下 2.5m、5m、7.4m深度，將被挖除的土體在模型中進(jìn)行消除，分別計(jì)算此時(shí)的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，得到各深度處的變形圖和計(jì)算結(jié)果，分析如下。

圖4 網(wǎng)格劃分圖

6.3 計(jì)算結(jié)果分析

從模擬分析結(jié)果可以得出，隨著開挖深度的增加，墻體水平位移逐漸增大，最大的水平位移出現(xiàn)在樁頂，見表6，最大位移為64mm，與實(shí)測(cè)位移50mm接近，PLAXIS能夠有效的模擬雙排樁的變形，彈抗法的樁頂位移與實(shí)測(cè)結(jié)果出現(xiàn)較大的差異。

表6 前排樁樁頂位移 (單位：mm)

基坑坑底水平位移為24mm，實(shí)際坑底水平位移也很小，本工程的工程樁為管樁，基坑開挖后對(duì)基坑坑底附近的管樁進(jìn)行了檢測(cè)，基坑坑底位移對(duì)管樁無影響。

6.4 前后排樁的彎矩分布

將數(shù)值計(jì)算最大彎矩與彈抗法計(jì)算結(jié)果以及實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析可以得出：對(duì)于前排樁，三者最大彎分別為277.238kN.m、272.38kN.m、211.58kN.m，數(shù)值計(jì)算與彈抗法計(jì)算結(jié)果相差不大，兩者與監(jiān)測(cè)結(jié)果有一定的差異，最大彎矩出現(xiàn)在2/3坑深位置，同時(shí)三者彎矩變化圖基本一致。對(duì)于后排樁，數(shù)值計(jì)算與彈抗法計(jì)算最大彎矩分別為246.02kN.m、349.38kN.m。最大彎矩位置出現(xiàn)在樁頂，后排樁未實(shí)測(cè)樁頂彎矩的大小，實(shí)測(cè)最大彎矩為223.41KN·M，位于6m樁長處。

7 結(jié)論

該工程的雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)使用PLAXIS有限元軟件進(jìn)行了模擬分析，得到下面一些結(jié)論：

(1)PLAXIS計(jì)算的樁頂水平位移與實(shí)測(cè)值較為接近，能夠有效的模擬雙排樁位移，計(jì)算彎矩變化基本與實(shí)測(cè)樁的樁身彎矩分布規(guī)律相似。

(2)計(jì)算條件與前面基本工況的計(jì)算條件相同，兩種計(jì)算出的前排樁的最大彎矩相差不大，最大彎矩出現(xiàn)的位置相同，后排樁最大彎矩相差較大。對(duì)于前排樁，兩種計(jì)算結(jié)果的彎矩變化規(guī)律和實(shí)測(cè)彎矩變化規(guī)律相近，而后排樁彎矩變化規(guī)律之間存在一定的不同之處。

(3)PLAXIS有限元建模分析的結(jié)果和實(shí)測(cè)的情況比較，存在一些誤差。這是因?yàn)榈刭|(zhì)報(bào)告并不能完全反應(yīng)該工程實(shí)際的地質(zhì)情況，但將實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)與理論模型計(jì)算結(jié)果和數(shù)值模擬分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，基本上是一致的，進(jìn)一步論證了所選用的雙排樁彈性地基梁模型具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。

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