雙排樁在荊州南國城市廣場深基坑中的應(yīng)用

楊小明，陳梁 （長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州434023）

易佳 （湖北華迪工程勘察院，湖北 荊州434023）

雙排樁作為一種空間組合結(jié)構(gòu)，具有較大的抗側(cè)移剛度，能有效地減小支護(hù)結(jié)構(gòu)位移；與樁撐支護(hù)結(jié)構(gòu)相比，由于不需要設(shè)置支撐，能有效地減小地下室施工工期，近幾年雙排樁在沿海地區(qū)基坑工程中得到較多的應(yīng)用［1～5］。荊州城區(qū)處于長江北岸一級階地，為江漢平原沖洪積松軟松散巖工程地質(zhì)［6］，目前地下結(jié)構(gòu)多為1～2層地下室，主要支護(hù)方式為復(fù)合噴錨、水泥土重力式擋墻與懸臂排樁，雙排樁支護(hù)方式應(yīng)用較少，施工經(jīng)驗(yàn)缺乏。對雙排樁的研究主要從理論研究、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)及工程實(shí)踐四個(gè)方面，筆者以荊州城區(qū)某深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)為對象，采用有限元對基坑開挖過程中雙排樁變形與受力性狀進(jìn)行數(shù)值模擬分析，為雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在該區(qū)域的運(yùn)用提供一定參考。

1 工程概況

荊州南國城市廣場位于荊沙大道與塔橋路交匯處東北側(cè)，地塊分為住宅區(qū)和酒店區(qū)，地下室占地面積約11000m2。住宅區(qū)樓房均為33層，下部地下室為1層，設(shè)計(jì)開挖深度約6.0m；酒店區(qū)樓房為27層，其下部地下室為2層，設(shè)計(jì)開挖深度約10.0m。

地下室東南側(cè)為已建3層樓房，東北側(cè)離用地紅線最近距離為3.2m，紅線外側(cè)地段為空地，西南側(cè)為空地，離場地施工道路最近距離為6.7m，西北側(cè)為道路，該側(cè)離用地紅線最近距離為1.5m，北側(cè)為空地，離用地紅線最近距離為3.2m。

該場地處于長江左岸Ⅰ級階地上，地貌形態(tài)屬沖積平原區(qū)類型，場地地層從上至下為：①素填土，褐色、褐灰色，厚度0.5～4.0m；②粉質(zhì)粘土夾粉土，灰黃色，干強(qiáng)度較高，韌性中等，具搖振反應(yīng)，承載力一般，壓縮性中等，厚度0.5～3.8m；③粉砂，灰色，松散－稍密，承載力一般，壓縮性中等，厚度1.1～4.8m；④粉砂，灰色，稍密，承載力一般，壓縮性中等，厚度5.2～10.2m；⑤圓礫，雜色，松散－稍密，承載力較高，壓縮性較低，厚度9.5～13.3m。

2 支護(hù)方案的選擇

對于住宅區(qū)其北側(cè)及東側(cè)都靠近道路，不適宜大面積放坡，均考慮采用懸臂式排樁支護(hù)；酒店區(qū)由于其開挖深度為10.0m，開挖深度較深，同時(shí)場地較狹窄，不適宜大面積放坡，考慮到施工工期較緊及開挖施工的方便，采用雙排樁進(jìn)行支護(hù)。雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖1～3所示。

3 計(jì)算模型

3.1 基本假定及有限元模型

采用空間三維模型，模型水平方向長度、豎直方向長度及厚度分別為50、30、4.2m?？紤]到接觸面計(jì)算的收斂性，按剛度相等原則將圓形樁截面轉(zhuǎn)換為矩形截面；采用總應(yīng)力分析土壓力，不考慮地下水滲流影響；放坡考慮為超載，按25KPa均布荷載取值；接觸計(jì)算選用罰函數(shù)法。采用實(shí)體單元C3D8R，節(jié)點(diǎn)數(shù)9728，單元數(shù)8029。有限元網(wǎng)格見圖4、圖5。邊界條件為：底部豎向（Z）固定，前后水平向（X）固定，左右不平向（Y）固定。

圖1 支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖

圖2 雙排支護(hù)樁位平面布置圖

圖3 雙排樁間土加固平面布置圖

3.2 材料模型與計(jì)算方法

混凝土采用彈性本構(gòu)模型，粉噴樁及土體采用Druck－Prager本構(gòu)模型，采用相關(guān)流動法則，材料參數(shù)見表1。計(jì)算基于ABAQUS平臺STANDARD模塊，為提高計(jì)算收斂速度，對材料局部軟化區(qū)采用人工阻尼干預(yù)。

圖4 計(jì)算域有限元網(wǎng)格

3.3 計(jì)算步驟及分析說明

1）創(chuàng)建靜力分析，對整個(gè)模型施加重力，該分析結(jié)束時(shí)提取應(yīng)力；

2）創(chuàng)建Geo分析，此分析將第1步提取得的應(yīng)力與＊initial conditions給出的初始應(yīng)力場平衡；

圖5 支護(hù)樁及冠梁有限元網(wǎng)格

3）支護(hù)體系施工模擬；

4）在未開挖側(cè)施加25kPa的均布壓力來模擬放坡；

5）采用單元生死命令＊Model change來模擬開挖，開挖2m；

6）采用單元生死命令＊Model change來模擬開挖，開挖至基底。

4 計(jì)算結(jié)果分析

表1 材料計(jì)算參數(shù)

4.1 樁身位移

圖6為前排樁樁身位移曲線數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果的對比，由圖6可知，數(shù)值模擬結(jié)果跟實(shí)際監(jiān)測結(jié)果較為相近，且樁身14m以下彎曲很小，主要表現(xiàn)為平移，前排樁樁身位移在離樁頂6m范圍內(nèi)趨于平均，這是由于后排樁對前排樁的拉結(jié)作用限制了前排樁樁頂位移的進(jìn)一步發(fā)展所致。圖7為后排樁樁身位移曲線數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果的對比，由圖7可知，后排樁的樁身位移較前排樁樁身位移要小，在13m以下彎曲跟前排樁相差不大，都表現(xiàn)為剛體位移。

圖6 前排樁樁身位移曲線

圖7 后排樁樁身位移曲線

4.2 樁身彎矩

圖8為前排樁樁身彎矩曲線，圖9為后排樁樁身彎矩曲線。由圖8、圖9可知，前后排樁均受到交變應(yīng)力的作用，樁身范圍內(nèi)都有反彎點(diǎn)出現(xiàn)，前排樁正、負(fù)彎矩最大值分別為576kN·m、－407kN·m，與樁頂距離分別為12.7m與4.0m，彎矩零點(diǎn)有2個(gè)，距樁頂分別約為9m與20m；后排樁正、負(fù)彎矩最大值分別為449kN·m、－472kN·m，分別距樁頂約為12.7m與2.96m，后排樁只有1個(gè)彎矩零點(diǎn)，距樁頂約為8.0m。

4.3 樁頂水平位移

住宅區(qū)采用的是懸臂式排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，基坑開挖過程中分別對住宅區(qū)的懸臂式排樁及酒店區(qū)的雙排樁進(jìn)行了樁頂位移監(jiān)測，圖10為開挖過程中雙排樁樁頂水平位移數(shù)值模擬結(jié)果、雙排樁樁頂水平位移實(shí)際監(jiān)測結(jié)果及懸臂式單排樁樁頂水平位移監(jiān)測結(jié)果的對比，由圖10可知，開挖6m時(shí)，雙排樁的樁頂水平位移僅為1.7cm，而懸臂時(shí)排樁的樁頂水平位移已達(dá)4.6cm，為相同開挖深度雙排樁的2.7倍，由此說明雙排樁的剛度較大，在控制變形方面較單排樁優(yōu)勢明顯；雙排樁開挖至7.4m期間，樁頂水平位移變化較緩，7.4m以后位移急劇增大，由1.8cm增大到5.4cm。

圖8 前排樁樁身彎矩曲線

圖9 后排樁身彎矩曲線

4.4 土體水平位移與等效塑性應(yīng)變

圖11為開挖至基底后土體水平位移云圖。由圖11可知，土體水平位移隨著深度的加深逐漸增大，最大值為5cm，與圖10中雙排樁樁頂水平位移基本一致，說明雙排樁與土體之間協(xié)同作用良好。圖12為等效塑性應(yīng)變云圖。由圖12可知，地層塑性區(qū)域主要集中在坡頂與坑底處，沒有形成貫通面，支護(hù)結(jié)構(gòu)安全。

圖10 開挖過程中樁頂位移變化曲線

圖11 地層水平位移云圖

圖12 土體等效塑性應(yīng)變

5 結(jié)語

從監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬的結(jié)果對比來看，雙排樁側(cè)向剛度大，抗滑移性能好，在控制基坑變形方面效果良好。雙排樁前后樁側(cè)移相近，樁身變形主要由開挖面以下未嵌固段轉(zhuǎn)角引起的剛性位移所致。雙排樁的撓曲變形隨著開挖深度的增加增大，其反彎點(diǎn)有向下移動的趨勢。目前該項(xiàng)目已順利完工，基坑施工對周邊建筑與道路沒有造成不利影響，該項(xiàng)目的成功實(shí)踐對雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在荊州城區(qū)的應(yīng)用提供了借鑒?？紤]到問題的復(fù)雜性，筆者沒有考慮冠梁的作用及空間下的樁土效應(yīng)，這些內(nèi)容有待以后進(jìn)一步研究。

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