多層連接雙排樁基坑支護(hù)FLAC—3D數(shù)值模擬及分析

李輝++鄭應(yīng)鍵+等

摘 要：為了研究多層連接雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)樁間距對支護(hù)性能的影響，運(yùn)用FLAC3D建立了深基坑多層水平連接雙排樁支護(hù)的計(jì)算模型，進(jìn)行分層開挖三維動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算，同時(shí)討論了排距、樁長等參數(shù)對樁頂位移的影響。通過多工況數(shù)值分析求得：當(dāng)樁長約為開挖深度的1.8～2.0倍時(shí)，排距與基坑開挖深度之比為0.43～0.50，基坑支護(hù)效果較好。為探究多層水平連接雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)提供有益指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：多層水平連接基坑支護(hù)；雙排樁；深基坑；FLAC3D；數(shù)值模擬

中圖分類號：TU942 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1672-1098（2015）02-0078-05

FLAC3D Numerical Simulation and Analysis of Multiple Layers Horizontal

Connection of a Double-row Piles Retaining Structure

LI Hui1，2， ZHENG Ying-jian1，CUI Long-sen3， LI Sheng1 ， CHENG Zheng-zheng1

（1.School of Civil Engineering and Architecture， Anhui University of Science and Technology， Huainan Anhui 232001， China；

2. The Urban Management Enforcement Bureau of Huainan City， Huainan Anhui 232001， China；3. Huakang Road Engineering Co. LTD， Huainan Anhui 232001， China）

Abstract：In order to investigate the effect of the multiple layers horizontal connection of a double-row piles retaining structure pile spacing on supporting performance. The FLAC3D is used to applying a numerical model of multiple layers connection of double-row piles supporting structure ， conducting a three-dimensional dynamic simulation on excavation. The influences of row spacing ， pile length on displacement of pile top were discussed. The result show that a good supporting effect can be achieved when the ratio of pile length and foundation depth is 1.8～2.0， and the ratio of row spacing and foundation depth is 0.43～0.50. This paper gives the theoretical guide to study the new multiple layers horizontal connection of double-row piles supporting structure.

Key words：multiple layers horizontal connection of foundation pit support； double-row piles； depth foundation pit； FLAC3D； numerical simulation 傳統(tǒng)雙排樁基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)是在土體中設(shè)置前后兩排平行樁，兩排樁呈矩形或梅花形分布，在前后兩排樁樁頂用剛性冠梁連接，形成空間門架式的支護(hù)結(jié)構(gòu)[1]，以門式結(jié)構(gòu)的大剛度抵抗土層壓力。一般情況下，門式雙排支護(hù)樁呈懸臂式，且兩排樁間距通常在3～5 m。門式雙排樁常用鋼筋混凝土灌注樁，冠梁采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，前、后排樁與冠梁剛性連接，形成空間結(jié)構(gòu)[2-4]。

多層連接雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)是一種新型的基坑支護(hù)形式，有別于傳統(tǒng)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)。多層連接雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)體系是由前、后兩排平行樁和排樁間水平連接組成，鋼絞線作為水平連接，其一端錨固于后排樁樁身上，另一端水平延伸，從前排樁相鄰兩根樁間的空隙穿出，并錨固于前排樁上，對鋼絞線施加一定的預(yù)緊力，形成整體空間結(jié)構(gòu)。

水平多層連接雙排樁，在土層中設(shè)置兩排平行樁，前后排樁多為預(yù)制樁、型鋼樁以及加肋鋼板樁，其中前排樁橫截面大多為圓形或三角形，同一排樁與樁之間間隔為80 mm左右，方便鋼絞線通過。通過特殊方式，多層水平連接將前后兩排樁連接起來。

1 多層連接雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)

多層連接雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)中，用鋼絞線作為水平連接，將鋼絞線錨固在前、后排樁的樁身之上，水平連接的錨固位置根據(jù)基坑開挖深度和土層物理力學(xué)性質(zhì)及厚度而定。當(dāng)基坑開挖深度較大，則可以設(shè)置多層水平連接，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

采用FLAC3D分析軟件，建立了多種排距和樁長的深基坑多層水平連接雙排樁支護(hù)形式的計(jì)算模型，對這些模型開挖過程進(jìn)行了三維動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，為深入探究多層水平連接雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)提供了有益指導(dǎo)。

1. 后排樁； 2. 前排樁； 3. 水平連接； 4. 錨具

圖1 多層水平連接雙排樁結(jié)構(gòu)endprint

2 三維數(shù)值模擬分析模型

21 選用的結(jié)構(gòu)單元

多層連接雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)中的樁，采用FLAC3D中的樁結(jié)構(gòu)單元（pile）模擬。樁結(jié)構(gòu)單元是通過材料參數(shù)、幾何參數(shù)和耦合彈簧參數(shù)來定義的[5]。樁提供了與實(shí)體單元剪切方向和法線方向發(fā)生的相互摩擦作用。在這點(diǎn)上，樁實(shí)際上是組合了梁和錨索的作用，適合于模擬法向和軸向都有摩擦的樁基[6]。樁與實(shí)體單元之間的相互作用是通過耦合彈簧來實(shí)現(xiàn)的，耦合彈簧為非線性、可滑動(dòng)的連接體，能夠在樁身節(jié)點(diǎn)和實(shí)體單元之間傳遞力矩[7]。切向彈簧的作用同灌漿錨桿的切向作用機(jī)理是相同的。法向彈簧可以模擬法向荷載的作用、樁身與實(shí)體單元節(jié)點(diǎn)之間縫隙的形成以及樁周邊土對樁身的擠壓作用[8-9]，故采用樁結(jié)構(gòu)單元模擬樁符合工程實(shí)際。

水平連接采用FLAC3D中的錨索單元（cable）模擬。錨索單元由幾何參數(shù)、材料參數(shù)和水泥漿特性定義[10]。錨索構(gòu)件是彈塑性材料，在拉壓中屈服，但不能抵抗彎矩。錨索與樁之間的連接設(shè)置為鉸連接。用錨索結(jié)構(gòu)模擬水平連接是符合實(shí)際要求的。

22 土體的本構(gòu)關(guān)系及邊界條件

土體的本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb 模型，這種模型是最通用的巖土本構(gòu)模型，模型參數(shù)少，計(jì)算簡單，且考慮了巖土材料的剪脹性[11]。

邊界條件采用模型周邊側(cè)向約束，限制水平方向變形，模型底面約束鉛直方向位移，底面采用固定支座邊界類型，側(cè)面采用可動(dòng)滾軸支座邊界條件，并設(shè)其為大變形情形[12-13]。

23 計(jì)算模型

為消除邊界效應(yīng)，考慮深基坑的具體形態(tài)特征和客觀的工程水文地質(zhì)條件，選取模型的計(jì)算范圍，基本上為基坑相應(yīng)尺寸的25倍。因本文計(jì)算的基坑形狀是規(guī)則的矩形，選取基坑一側(cè)建立模型。計(jì)算模型東西長560 m（x軸方向），南北寬200 m（y軸方向），深310 m （z軸方向）。

基坑計(jì)算模型具有23 560個(gè)實(shí)體單元，26 208個(gè)實(shí)體單元節(jié)點(diǎn)。運(yùn)用FLAC3D編制程序，建立的基坑模型如圖2所示。

在多層連接雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)中， 前、 后排樁樁徑為800 mm， 樁長300 m；同一排樁間的間距為1 000 mm，間隙200 mm，前、后排各設(shè)20根樁，共40根樁。

本文選用圓形鋼管樁作為支護(hù)樁，采用FLAC3D中的樁單元（pile）模擬支護(hù)樁，樁單元節(jié)點(diǎn)通過link單元與周圍土層連結(jié)，模擬樁土耦合效應(yīng)。樁單元參數(shù)主要包括抗彎性能參數(shù)和樁土耦合效應(yīng)參數(shù)，根據(jù)支護(hù)樁所用材料性質(zhì)、幾何尺寸和土層性質(zhì)對這些參數(shù)進(jìn)行選擇。

為便于多層連接雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)模型的創(chuàng)建，模擬水平連接的錨索單元（cable）分別與前、后排樁的樁單元節(jié)點(diǎn)連接，設(shè)置節(jié)點(diǎn)為鉸接。因水平連接（鋼絞線）直徑較小，與土體之間的摩擦力較小，故模擬過程中忽略了錨索單元與土層之間的耦合效應(yīng)，只考慮軸向強(qiáng)度。根據(jù)實(shí)際選用的預(yù)應(yīng)力鋼絞線對錨索單元相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行選擇。

多層水平連接雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，自樁頂向下，每隔30 m設(shè)置一層水平連接，共設(shè)置5層，第5層水平連接距坑底20 m，基坑開挖深度140 m，各層水平連接施加相同的預(yù)緊力，運(yùn)用FLAC3D編制程序，建立的雙排樁模型如圖3所示。

圖3 FLAC-3D多層連接雙排樁模型3 基坑開挖及計(jì)算結(jié)果分析

為探究各種因素對多層水平連接雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)效果的影響，本文應(yīng)用FLAC-3D模擬軟件分別對不同排距和樁長的計(jì)算模型進(jìn)行了計(jì)算分析。

運(yùn)用FLAC3D模擬軟件對基坑進(jìn)行分層開挖三維動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算，基坑開挖部分的尺寸為：東西方向長146 m，南北方向?qū)?00 m，開挖深度140 m。

共設(shè)5層水平連接，在地面樁頂處設(shè)置第一層水平連接，并施加預(yù)緊力，然后基坑分5步開挖，前4步每步開挖30 m，第5步開挖20 m。第1步開挖30 m，此步開挖完成后，自地面向下，在樁身30 m處設(shè)置第2層水平連接，并施加預(yù)緊力；進(jìn)行第2步開挖，深度為30 m，此步開挖完成后，在樁身60 m處設(shè)置第3層水平連接，并施加預(yù)緊力；進(jìn)行第4步開挖，深度為30 m，此次開挖完成后，在樁身90 m處設(shè)置第3層水平連接，并施加預(yù)緊力；進(jìn)行第4步開挖，深度為30 m，此步開挖完成后，設(shè)置第5層水平連接，并施加預(yù)緊力；最后進(jìn)行第5次開挖，深度為20 m，至此，開挖結(jié)束。

31 不同排距計(jì)算結(jié)果分析

本節(jié)對樁長為300 m，預(yù)緊力為1800 kN，排距為30～80 m的計(jì)算模型分別進(jìn)行了計(jì)算，不同排距下基坑側(cè)向水平位移（x軸方向）如圖4所示。

1. 排距3.0 m； 2. 排距4.0 m； 3. 排距5.0 m；

4. 排距6.0 m； 5. 排距7.0 m； 6. 排距8.0 m

圖4 基坑側(cè)向水平位移 由圖4可見，最大側(cè)向水平位移發(fā)生在基坑開挖面中部位置，自樁頂向下，水平位移先逐漸增大，當(dāng)達(dá)到最大值之后，水平位移逐漸減小。當(dāng)排距為30 m時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向水平位移最大，相對于排距為40 m時(shí)偏大較明顯；隨著排距增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向水平位移逐漸減小，但減小的趨勢越來越緩慢，在排距從60 m到80 m時(shí)，側(cè)向水平位移變化很微弱。排距60 m時(shí)基坑側(cè)向水平位移如圖5所示。

圖5 排距60 m基坑側(cè)向水平位移云圖

由此可得，排距與基坑開挖深度之比的最優(yōu)值為043～050。

對不同排距的計(jì)算模型，水平連接施加的預(yù)緊力為1800 kN，基坑開挖結(jié)束后，各層水平連接的軸力均為拉力（見圖6）。相同排距水平連接中的軸力隨深度的增加而增大。最大軸力為2328 kN，未達(dá)到水平連接（鋼絞線）的屈服強(qiáng)度。隨著排距的增加，同層水平連接的軸力變化不大。

水平連接/層endprint

1. 排距3.0 m； 2. 排距4.0 m； 3. 排距5.0 m；

4. 排距6.0 m； 5. 排距7.0 m； 6. 排距8.0 m

圖6 水平連接軸力32 水平連接對支護(hù)效果的影響

排距為60 m，樁長300 m，土層內(nèi)無水平連接雙排樁支護(hù)的基坑，開挖結(jié)束后基坑側(cè)向水平位移如圖7所示。

圖7 無水平連接基坑側(cè)向水平位移云圖

圖7與圖5對比可以看出：當(dāng)土層內(nèi)無水平連接時(shí)，基坑側(cè)向最大水平位移達(dá)到193 cm，基坑變形過大；當(dāng)土層內(nèi)加設(shè)水平連接時(shí)，基坑側(cè)向最大水平位移為386 cm，相比減少了1544 cm，減少較明顯；土層內(nèi)加設(shè)水平連接時(shí)樁間土的側(cè)向位移分布較不加水平連接更為均勻。

排距為60 m，樁長300 m，土層內(nèi)無水平連接雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)和土層內(nèi)有水平連接雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)中部的前后兩根樁的樁身彎矩分布如圖8所示。

1. 有水平連接； 2. 無水平連接

圖8 前后排樁彎矩

由圖8可知，土層中加設(shè)水平連接的雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)與不加水平連接的雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)相比，土層中加設(shè)水平連接的雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠有效減小樁身最大彎矩。

由此可見，土層中加設(shè)水平連接雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)可以有效限制基坑的變形，減小支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大彎矩，達(dá)到良好的支護(hù)效果。

33 樁長對支護(hù)效果的影響

為分析樁長對深基坑支護(hù)效果的影響，此處重點(diǎn)對排距為60 m，樁長分別為285，270，255，240，225，210 m的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，其基坑側(cè)向水平位移變化如圖9所示。

1. 樁長21.0 m； 2. 樁長22.5 m； 3. 樁長24.0 m；

4. 樁長25.5 m； 5. 樁長27.0 m； 6. 樁長28.5 m

圖9 不同樁長的基坑側(cè)向水平位移

由圖9可看出，樁長從210 m變化到255 m，基坑開挖面中部最大水平位移減小明顯，但樁長從255 m變化到285 m時(shí)，最大水平位移減小很微弱。當(dāng)樁長為255～270 m時(shí)，結(jié)果較理想，故樁長與基坑深度比值的合適范圍為18～20。故選擇合適的樁高，可以增強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果。

4 結(jié)論

1） 基坑最大側(cè)向水平位移發(fā)生在基坑開挖面中部位置，沿基坑深度方向，側(cè)向水平位移先逐漸增大，當(dāng)達(dá)到最大值之后，逐漸減小。

2） 與普通雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)相比，多層水平連接雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)可以有效控制基坑的側(cè)向變形，減小樁身最大彎矩。

3） 排距的變化直接影響多層水平連接雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)樁體兩側(cè)土壓力的變化，進(jìn)而影響支護(hù)效果。排距增加，可使基坑側(cè)向水平位移減小，當(dāng)增大到一定值后，對基坑側(cè)向變形的控制作用不明顯。當(dāng)排距與基坑深度的比值為043～050時(shí)，模擬計(jì)算的位移和彎矩較理想，能夠使多層水平連接雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)揮較好的支護(hù)作用。

4） 在同一排距的多層水平連接雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)中，水平連接的軸力隨深度增加而增大。對于不同排距的多層水平連接雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，其同層水平連接的軸力變化不大。

5） 樁長的改變會(huì)影響支護(hù)結(jié)構(gòu)的性狀。基坑水平位移因樁長的改變而發(fā)生變化，當(dāng)樁長與基坑深度的比值為18～20時(shí)，支護(hù)效果較好。

參考文獻(xiàn)：

[1] 聶慶科， 梁金國， 韓立君. 深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與應(yīng)用[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2008：86-89.

[2] 鄭剛，焦瑩.深基坑工程設(shè)計(jì)理論及工程應(yīng)用[M].北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 2010：120-121.

[3] 鄭 剛， 李 欣，劉 暢. 考慮樁土相互作用的雙排樁分析[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)， 2005， 25（1）： 99-106.

[4] 林 鵬， 王艷峰， 范志雄. 雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在軟土基坑工程中的應(yīng)用分析[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)， 2010，

32（2）：331-334.

[5] 王星華， 謝李釗， 章 敏.深基坑開挖中雙排樁支護(hù)的數(shù)值模擬及性狀[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 2014， 45（2）： 596-602.

[6] 陳育民， 徐鼎平. FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例[M]. 北京： 中國水利水電出版社， 2013：82-86.

[7] 彭文斌.FLAC3D實(shí)用教程[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2011：99-102.

[8] 孫書偉，林杭，任連偉. FLAC3D在巖土工程中的應(yīng)用[M]. 北京： 中國水利水電出版社， 2011：66-68.

[9] 劉繼國，曾亞武. FLAC3D在深基坑開挖與支護(hù)數(shù)值模擬中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)， 2006， 27（3）：505-508.

[10] 楊欽發(fā).雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)若干問題的探討[J].廣東建材，2007（5）：21-23.

[11] PHAM H T A，F(xiàn)REDLUND D G.The application of dynamic programming to slope stability analysis[J].Canadian Geotechnical Journal，2006，40（4）：830-847.

[12] GUO W D.ON limiting force profile，slip depth and response of lateral pile[J]. Computers and Geotechnics， 2006，33（1）：46-47.

[13] 國振喜，曲昭嘉. 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：36-39.endprint