深基坑雙排樁結構受力變形機理及其計算模型研究

薛光橋

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢　430063；2.水下隧道技術湖北省工程實驗室，武漢　430063)

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深基坑雙排樁結構受力變形機理及其計算模型研究

薛光橋1，2

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢430063；2.水下隧道技術湖北省工程實驗室，武漢430063)

摘要：近年來，為了適應國內城市地下工程建設蓬勃發(fā)展帶來的地下工程密集化、復雜化等方面的需要，深基坑開挖時雙排樁圍護結構因具有側向剛度大、控制變形能力強、施工快速等特點在各種大型深基坑工程中得到了較為廣泛的推廣和應用。但實際設計過程中，由于該結構的變形機理與計算模型尚未有統(tǒng)一的理論，其設計方法比較雜亂，存在一定程度的保守設計。依托南京梅子洲青奧城地下空間工程及其現(xiàn)場監(jiān)測數據，采用有限元計算模型對近年來在地下工程中逐漸得到推廣使用的雙排樁圍護結構的變形機理、土壓力分布規(guī)律等進行探討和研究；在此基礎上，結合與目前廣為應用的理正雙排樁模型和新規(guī)范雙排樁模型的對比分析，研究并提出更吻合實際的、精確反映結構變形和力學特性的雙排樁圍護結構的修正設計計算模型，該模型架構清晰，準確性高，貼近實際工程設計，可以大力推廣應用于雙排樁結構的計算分析。

關鍵詞：深基坑，雙排樁，變形機理，計算模型，有限元法

1概述

近年來，為了適應國內城市地下工程建設蓬勃發(fā)展帶來的地下工程密集化、復雜化等方面的需要，深基坑開挖時雙排樁圍護結構因具有側向剛度大、控制變形能力強、施工快速等特點在各種大型深基坑工程中得到了較為廣泛的推廣和應用[1-2]。

國內從20世紀90年代初即開始對雙排樁圍護結構進行了初步的探索，隨后大量的研究人員結合模型試驗、工程實測理論推導等對雙排樁結構的設計理論、土壓力分配方法、計算模型、工程應用等進行了研究，例如，張弘、林棟[3-4]等人考慮連梁與前、后排樁的鉸接情況，近似地將樁間土體視為受側向約束的無限長彈性土體，且橫向應變?yōu)榱悖瑧媒涷炏禂嫡{整前、后排樁所受的側向土壓力；何頤華[5]根據雙排樁前、后排樁之間的滑動土體占樁后滑動土體總量的體積比例來確定前、后排樁所受側向壓力；熊巨華[6]首次在文獻中提出對于前、后排距小于4倍樁徑的雙排樁支護結構，給出等效抗彎剛度的計算方法；鄭剛[7]等人提出將雙排樁之間的土視為薄壓縮層，并以水平向彈簧模擬，可以考慮兩排樁之間的土層分布變化、壓縮性、樁間土加固等對雙排樁相互作用的影響，避免對前、后排樁土壓力做出人為的分配。此外，還有彈性地基梁模型[8]、破裂面假設模型[9-10]和土拱理論模型[11-12]等。

上述研究成果對雙排樁圍護結構的理論完善和工程應用起到了較大的促進作用，但是這些現(xiàn)有的不同計算模型和方法即使在相同計算參數的情形下，對同一工程項目得到的計算結果仍有較大的差異，不同的計算模型對雙排樁結構的變形和受力機理也存在諸多的解釋，給工程設計和工程建設帶來了諸多困惑與困難。

以南京梅子洲基坑工程為背景依托，結合監(jiān)測數據和有限元模型探討了雙排樁結構的變形和受力機理，在較廣泛應用的理正雙排樁模型和新規(guī)范雙排樁模型的基礎上，研究并提出了更吻合實際的、適用于雙排樁圍護結構的修正設計計算模型，以更好地服務于工程實際。

圖1　雙排樁縱向剖面(單位：mm)

2工程概況

南京梅子洲基坑工程周圍建筑物眾多，為嚴格控制變形，部分區(qū)域采用雙排樁圍護結構。如圖1所示，前樁長17.5 m，后樁長13 m，前、后排間距13 m。鋼筋混凝土冠梁尺寸為1.4 m×1.0 m，鋼筋混凝土連梁尺寸為0.8 m×1.0 m，前排樁后采用三軸攪拌樁止水帷幕?；討冶坶_挖7.9 m，開挖前基坑降水至開挖面以下1 m處。

樁體結構主要涉及4層土，分別為雜填土①、淤泥質粉質黏土②、粉砂③以及粉細砂④。場地內地表以下10～13 m均為淤泥質粉質黏土，局部厚度達23 m。該地層以下以粉細砂為主，深度達50 m，之后進入強、中風化的泥巖地層。

3雙排樁變形機理和結構受力研究

3.1有限元模型

基于連續(xù)介質理論的有限元法是目前解決工程領域數值計算最流行的計算方法[13-14]，在合理選擇計算參數和本構模型的前提下，有限元法得到的計算結果具有很好的研究和參考價值。本文采用PLAXIS有限元軟件，建立二維有限元模型，其中前樁和后樁按照抗彎剛度等效為地連墻，連梁等效為連板。有限元模型尺寸為100 m×50 m，左右邊界水平位移約束，底邊水平、豎直雙向位移約束。

土體本構模型選用Harding-Soil(HS)模型，相較于Mohr-Coulomb模型，HS模型采用雙曲線應力-應變關系，同時剛度模量不斷變化的特性適用于具有典型卸載特色的基坑開挖過程。

結合該計算斷面的現(xiàn)場監(jiān)測位移數據，通過反演分析獲得了表1所示的較合理的有限元地層計算參數。利用表1參數得到的有限元計算結果可以對雙排樁結構的計算參數作進一步分析研究。

表1　土體參數計算值

3.2變形機理

為分析不同間距下雙排樁的受力變形機理，分別計算前、后排樁間距為2、4、6 m和8 m的有限元模型，計算得出的前樁變形如表2所示。可知，雙排樁整體側向位移較小，控制變形能力強。樁間距為2～6 m時，樁頂位移即為樁身最大位移；樁間距為8 m時，最大位移位于樁頂以下，連梁的錨拉作用較為明顯。綜上，雙排樁間距小時，整體性明顯；樁間距大時，錨拉性明顯。

表2　前樁位移值

雙排樁結構主要受到樁身側向土壓力作用，通過有限元模型中的接觸單元可計算出樁身側向土壓力值，為雙排樁荷載結構模型的土壓力荷載取值提供參考依據。

由于開挖面以上土壓力對結構變形影響大，本文土壓力研究主要針對開挖面以上樁體部分。前排樁有限元土壓力計算值如表3所示。后排樁側向土壓力計算值如表4所示。

表3　前排樁外側側向土壓力　kPa

表4　后排樁側向土壓力　kPa

由表3可以看出，不同樁間距下前排樁側向土壓力值相差較小，說明前、后樁間距對前樁土壓力影響很小。樁身上部位移大，土壓力偏向主動土壓力；樁身中下部位移小，土壓力偏向靜止土壓力。側向土壓力總體處于主動和靜止土壓力之間。

由表4可以看出，樁身上部位移大，土壓力偏于主動，樁身中下部位移小，土壓力偏于靜止。內側與外側側向土壓力值相差不大，總體內側值略大。表明后排樁通過樁間土體將側向土壓力傳遞給前排樁。

4與常用雙排樁計算模型的對比分析研究

4.1理正模型

該模型根據土體積比例系數法[5，15]理論進行分析，即前排樁土壓力按開挖面確定，后排樁土壓力按等效開挖面確定。該方法在理正軟件中得到了實現(xiàn)和推廣應用，如圖2所示，此處暫將其稱為理正模型。

圖2　理正模型

理正模型表明前、后排樁共同承擔土壓力，并通過土壓力分配系數進行分配。開挖面和等效開挖面以下采用接地彈簧模擬土體抗力，其中：

前樁土壓力

(1)

后樁土壓力

(2)

(3)

(4)

式中，ea為作用于樁身土壓力，kPa。

水平地基基床系數

(5)

式中m——水平基床系數比例系數，kN/ m4；

z——計算點距開挖面距離，m。

4.2新規(guī)范模型

圖3　新規(guī)范模型

《建筑基坑技術規(guī)程》(JGJ120—2012)中對雙排樁結構建議采用如圖3所示的平面剛架模型計算[1]。

后排樁外側作用主動土壓力；

前排樁嵌固段土反力

(6)

前、后排樁的樁間土體對樁側壓力

(7)

(8)

式中ps0——初始土反力強度，kPa；

Δv——前、后樁相對位移，減小為正值，增大為零，mm；

Sy——雙排樁排距，m；

d——樁徑，m。

4.3計算結果對比分析

本次研究分別令前、后排樁間距為2、4、6 m和8 m，理正模型、新規(guī)范模型和有限元模型的計算結果見圖4～圖6。

圖4　前排樁樁頂水平位移

圖5　前排樁坑底以上最大彎矩

圖6　前排樁坑底以下最大彎矩

圖4表明，理正模型與有限元模型的位移計算結果變化規(guī)律一致，但理正結果整體偏小。新規(guī)范模型中位移隨樁間距增大而增大，與實際不太符合。

圖5、圖6表明理正模型計算的結構內力與有限元模型計算結果變化趨勢一致，但樁間距為2～4 m時偏差較大。新規(guī)范模型內力計算結果與有限元相差較大。

綜上，從變形機理和結構受力的角度而言，理正模型與基于監(jiān)測數據的有限元模型計算結果比較接近，可針對理正模型進行修正。

5修正的雙排樁設計計算模型

5.1土壓力修正

通過有限元模型計算可知(表3、表4)，前樁承擔所有主動土壓力，后樁內側土壓力較外側大。雙排樁荷載結構模型中可將土壓力全部作用于前樁，后樁不作用土壓力荷載，本次研究據此結論對土壓力進行修正。

5.2嵌固段彈簧剛度修正

基坑圍護結構嵌固段水平地基基床系數K常采用“m”法計算。其中最為常見的兩種剛度取值是三角形分布與梯形分布。

三角形

(9)

梯形

(10)

沿海地區(qū)土質較軟，根據多個工程實際經驗，梯形分布臨界深度約5 m左右。

以樁間距4 m的雙排樁為例，計算上述兩種剛度取值模式下的結構變形和內力，如表5所示。

表5　樁間距4 m時計算值

由表5可知，從變形和內力的角度而言，梯形彈簧剛度取值法與有限元模型計算結果更加吻合；三角形取值法會使得嵌固段土體剛度較大，結構變形較小。

5.3后樁內側彈簧剛度折減修正

理正模型采用的接地彈簧邊界與新規(guī)范模型采用的樁間連接彈簧是兩種模型間最本質的區(qū)別。前面的計算結果表明采用接地彈簧更符合結構變形和受力特性，但樁間土體本質上是有限空間土體，采用接地彈簧邊界模擬對后排樁的限制作用會造成土抗力過大，與實際不符?？舍槍Σ煌?、后排樁間距雙排樁模型，計算出合理的后排樁內側彈簧剛度折減系數ω。

經過多次計算，合理的后排樁彈簧剛度折減系數ω如表6所示。

表6　不同樁間距的ω

5.4雙排樁修正模型

結合前述研究，基于理正計算模型，本文對土壓力、嵌固段彈簧剛度取值以及后樁內側彈簧剛度折減等進行了修正，提出了相應的更符合實際的“雙排樁修正模型”。

雙排樁修正模型、理正模型、有限元模型的計算值對比如圖7～圖9所示。結果表明，雙排樁修正模型的計算結果從變形規(guī)律和數值大小方面相比于理正模型，更加吻合基于監(jiān)測值的有限元模型，適用于普通間距的雙排樁圍護結構。

圖7　前排樁樁頂水平位移

圖8　前排樁坑底以上最大彎矩

圖9　后排樁樁身最大彎矩

6結論

本文首先結合監(jiān)測數據，通過有限元模型計算對雙排樁結構受力和變形機理進行研究；在此基礎上，結合理正模型、新規(guī)范模型和有限元模型的對比分析研究，提出了新的雙排樁修正計算模型。主要得出以下結論。

(1)有限元模型計算結果表明：雙排樁控制變形能力強。樁間距較小時，體現(xiàn)整體性；樁間距較大時，體現(xiàn)錨拉性。前樁外側土壓力整體介于主動土壓力和靜止土壓力之間；后樁內側土壓力較外側稍大。

(2)理正模型、新規(guī)范模型和有限元模型計算結果表明：理正模型的變形和內力變化趨勢和有限元較為接近，新規(guī)范模型部分規(guī)律不符合有限元模型，可針對理正模型進行修正。

(3)將理正模型中土壓力進行修正，即前樁開挖面以上外側承擔全部主動土壓力，開挖面以下為矩形土壓力荷載；后樁外側不承擔土壓力。通過計算表明，修正土壓力符合雙排樁受力變形特性。

(4)嵌固段彈簧剛度采用“m”法計算時，梯形分布比三角形分布的計算結果更符合雙排樁結構特性。

(5)后樁內側彈簧采取剛度折減時，可使計算結果更為準確。一般前、后樁間距為2～8 m時，折減系數為0.2～0.5。

(6)雙排樁修正模型能夠較好地反映結構變形和力學特性，模型簡單，易于實際工程設計應用。

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收稿日期：2015-11-11； 修回日期：2016-01-04

作者簡介：薛光橋(1979—)，男，高級工程師，2005年畢業(yè)于武漢理工大學結構工程系，工學碩士，E-mail：21987532@qq.com。

文章編號：1004-2954(2016)07-0116-05

中圖分類號：U452

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.027

Research on Mechanism and Computation Model of Deep Foundation Pit Double-row Pile Structure

XUE Guang-qiao1，2

(1.China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430000， China;2.Hubei Provincial Engineering Laboratory for Underwater Tunnel， Wuhan 430000， China)

Abstract：In recent years， the double-row piles structure is widely promoted and applied in deep foundation pit to meet the needs of intensive and complicated underground projects due to its high lateral stiffness， less deformation and quick construction and the vigorous development of urban underground engineering construction. However， in practical design， there is no unified design method and there exists a certain degree of conservative due to the lack of standard theory to match the structure deformation mechanism with calculation models. With Nanjing Meizizhou Qingao city underground space engineering program and field monitoring data， the deformation mechanism and soil pressure distribution law of double-row pile retaining structure are studied， which is gradually promoted and used in underground engineering field in recent years with finite element computation model. On the basis of this， a practical and reasonable corrected computation model of double-row pile retaining structure is recommended after the comparison and analysis of the widely used Lizheng and Xinguifang double-row pile models. This model structure is featured by clearness， high accuracy， and practical application in engineering design. The model can be easily applied in computation and analysis of double-row pile structure．

Key words：Deep foundation pit; Double-row pile; Deformation mechanism; Computation model; Finite element method