軟土深基坑雙排樁支護結構的影響因素分析

丁洪元,昌 鈺,陳 斌

(中冶集團武漢勘察研究院有限公司,武漢 430080)

軟土深基坑雙排樁支護結構的影響因素分析

丁洪元,昌 鈺,陳 斌

(中冶集團武漢勘察研究院有限公司,武漢 430080)

基于軟土地區(qū)的某深基坑雙排樁支護工程，采用有限單元法建立了三維仿真計算模型對雙排樁的受力和位移特性進行計算，系統(tǒng)分析了雙排樁排間距、樁徑以及前后排樁長等影響因素對雙排樁支護結構受力和位移的影響，得到該軟土基坑工程雙排樁支護結構的最佳排間距、樁徑和樁長。結果表明：當雙排樁樁徑取0.8～1.0 m、排間距取樁徑的3～4倍時，排樁的彎矩分布和樁身的位移比較合理，可以最大化地發(fā)揮雙排樁的支護作用；相比于后排樁樁長，增加前排樁的樁長對提高支護結構的穩(wěn)定性更有效。

深基坑；雙排樁；支護結構；數(shù)值模擬；影響因素

1 研究背景

雙排樁作為一種新型的深基坑支護結構，其支護體系的側向剛度較大，能更加有效地限制圍護結構的變形，保證基坑工程施工的安全性，目前已被運用于軟土地區(qū)深基坑支護加固工程[1]和邊坡治理工程[2]。

由于利用傳統(tǒng)土壓力計算方法估算雙排樁支護結構上的土壓力存在較大偏差[3]，雙排樁尚無簡單有效的設計方法[4]，眾多學者對雙排樁支護體系的受力變形特征進行了大量研究。何頤華等[5]根據(jù)雙排樁結構體系的特點，認為連梁可以看成沒有變形的剛體，只能產生平移而不產生轉角，因而推出前后排樁頂?shù)乃轿灰葡嗟龋欢判阒业萚6]利用不同程序和計算方法對支護結構的內力、位移進行對比，分析了某水閘基坑的雙排樁結構；孫濤等[7]運用有限元對某雙排樁支護基坑進行了排距的優(yōu)化方案研究；王軍等[8]同樣運用有限元軟件具體分析了排距對樁身內力和變形的影響；錢同輝等[9]采用有限元方法對框架式雙排抗滑樁的樁土相互作用影響進行了計算分析；楊保全等[10]利用有限元對基坑開挖過程中雙排樁的樁體位移進行了計算分析。史海瑩等[11]研究了地基土模量隨深度增加的情況下雙排樁的受力特性；應宏偉等[12]基于彈性抗力法計算模型，利用有限差分方法的相關理論編制了新的計算程序，經過與實測數(shù)據(jù)的對比分析提出了較為合理的計算模型；聶慶科等[3，13]考慮到空間效應對深基坑雙排樁支護結構計算的影響，提出了一種新的計算模型，并在此基礎上分析了冠梁對雙排樁支護體系的影響。這些研究從不同方面為雙排樁的設計方案優(yōu)化提供了必要的論證。

由于雙排樁支護結構的影響因素眾多，目前關于雙排樁的研究大都采用數(shù)值仿真模擬方法，本文針對軟土地區(qū)某基坑雙排樁支護工程，利用有限元方法系統(tǒng)地分析雙排樁的排距、樁徑及前后排樁的樁長對雙排樁結構的受力和變形影響，旨在為軟土地區(qū)基坑雙排樁結構的設計提供一定的參考和借鑒。

2 基坑雙排樁工程概化模型

該深基坑工程位于濱海軟土地區(qū)，基坑平面為矩形，面積約為80 m×30 m，開挖深度為6 m?；迂Q向支護方案采用雙排鉆孔灌注樁作為基坑支護結構，采用矩形布置，雙排樁縱向間距為6 m。

利用有限元方法對該雙排樁進行受力分析時，考慮到基坑工程對稱性，建模時基坑內側取一半寬度(即15 m)為研究對象；考慮到基坑雙排樁模型的影響范圍[14]，基坑雙排樁外側的影響寬度一般為基坑開挖深度的2～3倍；深度方向的影響范圍一般為開挖深度的2～4倍。因此，本文取雙排樁外側的巖土體寬度為18 m，深度取基坑底部往下24 m，樁縱向計算范圍取雙排樁縱向間距的一半，即3 m；模型四周均按固定支座設置邊界條件。基坑開挖深度為6 m，模擬過程分2步進行開挖，每步開挖深度為3 m。本文采用控制變量法分析雙排樁的排距、樁徑及前后排樁的樁長對雙排樁結構的受力和變形影響，每次僅取1個變量作為影響因素，其余參數(shù)設為常量，計算工況見表1。

表1 基坑雙排樁支護模擬工況

基坑雙排樁支護結構的剖面見圖1。由于雙排樁樁體、樁頂?shù)穆?lián)系梁均為鋼筋混凝土結構，剛度較大，因此選用線彈性本構模型進行模擬，其中混凝土中的鋼筋采用剛度等效原理，等效為混凝土，雙排樁樁身等混凝土材料的重度γ=25 kN/m3，彈性模量E=3.00×104MPa，泊松比ν=0.167。

圖1 基坑雙排樁支護工程剖面示意

巖土體材料在受力過程中應考慮其彈塑性變形特性，為簡化計算，巖土體材料選用理想彈塑性的本構模型，其屈服強度采用Drucker-Prager準則。根據(jù)工程場區(qū)地質鉆探資料的巖土試驗數(shù)據(jù)，選取模型巖土層的計算參數(shù)如表2。

表2 巖土體材料參數(shù)

3 排間距對雙排樁的受力影響分析

為討論前后排樁排距對雙排樁受力的影響，本文采用控制變量法，即樁長、樁徑均取為常數(shù)，僅考慮排距的變化，分別建立有限元模型進行受力分析。

本次分析過程，前后排樁長均取L=15 m，樁徑d=1 m，前后排樁距R分別為2d，3d，4d，5d，基坑開挖后前后排樁所受的彎矩和產生的位移分別如圖2和圖3所示。

圖2 不同排距下雙排樁彎矩

圖3 不同排距下雙排樁水平位移

由圖2可以看出，當排距由2d增大到3d時，前排樁的彎矩值相差較明顯，后排樁的彎矩值則變化較??；當排距由3d增加到4d時前后排樁的彎矩變化都比較大；當排距由4d增加到5d時，不論是前排彎矩值還是后排彎矩值差異都很小。

由圖3可以看出，隨著樁排距的增大，前后排樁的水平位移均逐漸減小。當排距由2d變?yōu)?d時，前后排樁位移的減少量比較大，前后排樁樁頂?shù)奈灰贫紲p少了1.5 mm左右；當排距由4d增大到5d時，前后排樁的位移變化量很小，可以認為超過4d時，增大排距對減少樁身的位移影響不大。

綜合分析上述結論，當排距取為樁徑的3～4倍時，排樁的彎矩分布和樁身的位移比較合理，可以最大化地發(fā)揮排樁的支護作用。

4 樁徑對雙排樁的受力影響分析

為研究樁徑對雙排樁體系的受力及位移影響，同樣采用控制變量法，取前后排樁距為R=3 m，前后排樁長均取L=15 m，并假設前后排樁徑d相同，分別取為0.6，0.8，1.0，1.2 m，建立有限元模型進行受力分析，基坑開挖后不同樁徑下前后排樁所受的彎矩和產生的位移分別如圖4和圖5所示。

圖4 不同樁徑下雙排樁彎矩

圖5 不同樁徑下雙排樁水平位移

由圖4(a)可以看出：在深度-8 m以上的樁身段，樁徑越大，前排樁的正彎矩越小，最大正彎矩由d=0.6 m時的273 kN·m減小為d=1.2 m時的140 kN·m；而在深度-8 m以下的樁身段，樁徑越大，前排樁身負彎矩絕對值越大，當樁徑為0.6，0.8，1.0 m時，負彎矩變化并不大，但當樁徑由1.0 m變?yōu)?.2 m時負彎矩絕對值有明顯的增大。由圖4(b)可以看出：樁徑越大，后排樁樁身全長的正負彎矩絕對值均減小，說明樁徑變大有利于后排樁樁身的整體受力，但也僅在一定范圍內有明顯效果，當樁徑為1.2 m時，較樁徑為1.0 m時的樁身彎矩變化并不明顯。

由圖5可以看出，隨著樁徑的增加，前后排樁樁體位移都在逐漸減小，說明增加樁徑對提高支護結構的穩(wěn)定性具有一定的作用，但隨著樁徑的逐漸增大，位移的減少量逐漸減小，表明當樁徑增大到一定程度后，樁徑對樁土體系穩(wěn)定性的影響已不再是主要因素。當樁徑由0.6 m增大到0.8 m時，位移的減小量最大，前后排樁樁頂?shù)奈灰贫紲p少了1.4 mm左右；隨著樁徑的增加，前排樁的樁端位移逐漸趨于穩(wěn)定，而后排樁的樁端位移仍稍有減少。

因此，本文建議該類軟土地區(qū)雙排樁的樁徑取為0.8～1.0 m較為合理。

5 樁長對雙排樁的受力影響分析

進行雙排樁支護結構設計時，考慮到工程實際的需要，經常會根據(jù)前后排樁實際受力和位移分布特點，來確定前后排樁的樁長，這就會導致在工程中出現(xiàn)前后排樁長不相等的情況。為了探究樁長對軟土地區(qū)深基坑雙排樁支護結構受力情況的影響，本節(jié)分別對前后排樁取不同的樁長建立有限元模型進行受力特性分析。

5.1 前排樁樁長對雙排樁的受力影響

按照控制變量的方法，取前后排樁距R為3 m，前后排樁的樁徑d均取1 m，后排樁的樁長L2為15 m，分別取前排樁的樁長L1為15，14，13，12 m進行計算。不同前排樁樁長情況下基坑開挖時，雙排樁彎矩和位移計算結果如圖6和圖7所示。

圖6 前排樁樁長變化的雙排樁彎矩

圖7 前排樁樁長變化的雙排樁水平位移

由圖6可以看出，前后排樁的樁身正負彎矩的交接點為-8 m左右，-8 m以上的正彎矩，前后排樁的變化比較一致，前排樁樁長越長，前后排樁正彎矩都越??；-8 m以下的負彎矩，前后排樁變化趨勢剛好相反，前排樁的樁長越長，其負彎矩絕對值越大，而后排樁的負彎矩絕對值越小。

由圖7可以看出，隨著前排樁樁長的變化，前后排樁的樁身位移都表現(xiàn)出了相同的變化趨勢。前排樁的樁長越大，樁頂?shù)奈灰圃叫?，而樁端的位移越大，樁頂和樁端的位移差值越小，使樁身不容易因為上下兩端的位移相差太大而導致失穩(wěn)，越有利于結構的穩(wěn)定。位移變化的交接點都在-10 m左右，在-10 m以下，前排樁的樁端位移變化較大，而后排樁的樁端位移逐漸趨于穩(wěn)定。

5.2 后排樁樁長對雙排樁的受力影響

同樣按照控制變量的方法，前后排樁距R取為3 m，前后排樁的樁徑d均取1 m，前排樁的樁長L1為15 m，分別取后排樁的樁長L2為15，14，13，12 m進行計算。不同后排樁樁長情況下基坑開挖時，雙排樁彎矩和位移計算結果如圖8和圖9所示。

圖8 后排樁樁長變化的雙排樁彎矩

圖9 后排樁樁長變化的雙排樁水平位移

由圖8可以看出，前排樁的樁身正負彎矩交接點為-8 m左右，后排樁樁長越長，正負彎矩絕對值越小；后排樁樁身的正負彎矩則表現(xiàn)出了一些不同，后排樁樁長越長，后排樁的正彎矩越小，而負彎矩絕對值越大。

由圖9可以看出，隨著后排樁樁長的變化，前后排樁的樁身位移都表現(xiàn)出了相同的變化趨勢。與前排樁樁長影響規(guī)律一樣，后排樁樁長越大，前后排樁的樁頂位移越小，樁端位移越大，使樁身不容易因為上下兩端的位移相差過大而失穩(wěn)，有利于結構的穩(wěn)定。前排樁位移變化的交接點都在-13 m左右，而后排樁位移變化的交接點與前樁樁長變化時表現(xiàn)一致，都在-10 m左右。

綜合考慮前后排樁樁長對整個支護結構彎矩和位移的影響，由于基坑開挖的作用，增加前后排樁的樁長都可以減少支護結構的整體位移，提高其穩(wěn)定性；增加前排樁的樁長能更大程度地減少樁身的位移，比增加后排樁的樁長對提高支護結構的穩(wěn)定性效果更好。因此，針對本工程建議前排樁樁長選擇15 m，后排樁樁長為12 m。

6 結 論

本文針對軟土地區(qū)某基坑雙排樁支護工程，運用有限元方法，分析了雙排樁的排距、樁徑以及前后排樁的樁長等因素對雙排樁受力變形的影響，主要得出了以下幾點結論：

(1) 雙排樁支護結構中，前后排樁的間距宜控制在(3～4)d的范圍內，可有效的發(fā)揮前后排樁的抗滑能力以及控制前后排樁的變形，且排樁彎矩的分布較為合理。

(2) 隨著樁徑的增大，前排樁的正彎矩在深度-8 m以上的樁身階段都有明顯的減小，而在深度-8 m以下的樁身階段，彎矩變化并不大；而后排樁樁身全長的正負彎矩均隨樁徑增大而減小，說明樁徑變大有利于后排樁樁身的整體受力。

(3) 增加前后排樁的樁長都可以減少支護結構的整體位移，提高其穩(wěn)定性；增加前排樁的樁長比增加后排樁的樁長對提高支護結構的穩(wěn)定性效果更好。

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(編輯：黃 玲)

Factors Affecting Double-row Piles in Deep Soft Soil Foundation

DING Hong-yuan, CHANG Yu, CHEN Bin

(Wuhan Surveying-Geotechnical Research Institute Co., Ltd. of MCC, Wuhan 430080, China)

A 3D finite element model was established to calculate the forces and displacements of the double-row pile retaining structure of a foundation pit in soft soil area. The influences of row distance, pile diameter and pile length on the force and displacement of the structure are analysed in order to get the optimal pile row spacing, pile diameter and pile length. Results show that the distribution of bending moment and the displacement of pile are reasonable when the pile diameter is 0.8m-1.0m and the row distance is 3 to 4 times the pile diameter. Increasing the length of front pile is more effective to improving the stability of the retaining structure than increasing the length of back pile.

deep foundation pit; double-row pile; retaining structure; numerical simulation; influencing factor

2014-03-12；

2014-04-19

丁洪元(1969-)，男，四川廣安人，高級工程師，主要從事巖土工程設計、施工、勘察等方面工作，(電話)13419604598(電子信箱)dinghongyuan69@163.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.05.020

2015,32(05):105-109

TU473

A

1001-5485(2015)05-0105-05