深基坑開挖雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

劉 堅(jiān)

(山西省交通新技術(shù)發(fā)展有限公司，太原 030032)

0 引言

隨著我國(guó)對(duì)鐵路、隧道、橋梁以及城市建筑等級(jí)要求不斷提升，深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)顯得尤為重要[1]。 雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)因具有良好的空間結(jié)構(gòu)性、 整體剛度大和抗彎性強(qiáng)等特點(diǎn)，逐漸在基坑支護(hù)工程中得到廣泛應(yīng)用[2]。 由于雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)還存在許多設(shè)計(jì)不合理、 以及安全性和經(jīng)濟(jì)性不協(xié)調(diào)的缺陷， 導(dǎo)致許多基坑支護(hù)效果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，因此如何進(jìn)一步優(yōu)化雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，使之達(dá)到工程設(shè)計(jì)要求是當(dāng)下學(xué)者亟需解決的重要課題[3]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)展開了大量研究[4]，如王成[5]關(guān)于城市交通隧道深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算展開研究，在“分配模型”、“相互作用模型”等兩種情況下，采用荷載結(jié)構(gòu)法分別對(duì)雙排樁進(jìn)行計(jì)算，得出"相互作用模型"計(jì)算結(jié)果更為合理，對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算具有一定的指導(dǎo)意義。馬文龍[6]關(guān)于鄰近營(yíng)業(yè)線鐵路橋墩深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究，依據(jù)工程實(shí)例，對(duì)鄰近營(yíng)業(yè)線鐵路橋墩鋼板樁、鉆孔樁、雙排樁三種類型的基坑進(jìn)行設(shè)計(jì)方案探討， 并利用有限元工具對(duì)每個(gè)方案進(jìn)行建模和結(jié)構(gòu)分析，通過比較各方案的優(yōu)勢(shì)劣勢(shì)，給出了推薦的方案，從而為今后同類型工程情況提供了可參考的資料。董必昌等[7]關(guān)于雙向地震作用下的雙排樁邊坡參數(shù)敏感性展開分析，以門式雙排抗滑樁為例，采用有限元軟件Ansys 建立仿真模型，通過改變模型中樁長(zhǎng)、樁排距、樁間距，以及土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，對(duì)門式雙排樁邊坡在雙向地震波作用下的受力性狀進(jìn)行了研究。 上述研究主要從雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算、 設(shè)計(jì)方案以及設(shè)計(jì)參數(shù)等方面展開對(duì)比分析， 而關(guān)于雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究相對(duì)較少，基于此，本文以某基坑工程為研究背景，通過對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)， 以設(shè)計(jì)值為參照， 對(duì)比分析了優(yōu)化前后雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及受力情況，驗(yàn)證了該優(yōu)化設(shè)計(jì)的顯著效果[8]。

1 工程概況

1.1 基坑結(jié)構(gòu)

以某深基坑工程為例， 該基坑開挖總面積約為31053m2，有效開挖深度在5.2m～9.4m 范圍，基坑處于平原地帶，地形相對(duì)平坦，地面最大標(biāo)高為27.82m，最小標(biāo)高26.24m，相對(duì)高度差為1.58m。 基坑外圍東側(cè)和北側(cè)均為城市主干道公路，西南側(cè)為1～6 層的安置區(qū)低樓。該項(xiàng)目規(guī)劃為高檔住宅區(qū)，建筑面積約為13620m2，基坑西南角為高層區(qū)，設(shè)計(jì)開挖深度為9.4m，建筑高度約100m，地下設(shè)有兩層地下室，安全等級(jí)為Ⅰ級(jí)，東南角為低層區(qū)別墅樓，開挖深度為5.2m，基坑北向?yàn)閺V場(chǎng)區(qū)，地下設(shè)有一層停車場(chǎng)，安全等級(jí)為Ⅱ級(jí)，基坑設(shè)計(jì)平面布置如圖1 所示。 根據(jù)勘測(cè)結(jié)果顯示， 該基坑地質(zhì)組成由上而下依次為：素填土、黏土、粉質(zhì)土、砂質(zhì)土、碎石土及強(qiáng)風(fēng)化板巖，地下水補(bǔ)給方式以大氣降水和地表徑流為主， 排泄通過自然蒸發(fā)和側(cè)向滲流的方式， 該地地下水位和降水量均隨季節(jié)交替而變化，平均變幅為1.5m。

圖1 基坑設(shè)計(jì)平面布置圖

表1 土體物理參數(shù)

1.2 支護(hù)設(shè)計(jì)

該基坑設(shè)計(jì)安全等級(jí)為Ⅰ級(jí)，對(duì)變形控制要求嚴(yán)格，支護(hù)形式可選擇樁+內(nèi)支撐和樁錨支護(hù)兩種要求較高的方案，但受地理?xiàng)l件限制，基坑邊界距離周邊環(huán)境較近，無(wú)法保證樁錨支護(hù)方案正常施工。 由于基坑設(shè)計(jì)分為高層和地層兩大區(qū)域，若單一采用樁+內(nèi)支撐方案，雖然有效的控制了基坑變形，卻增加了工程造價(jià)和施工周期。雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)是一種新型支護(hù)形式，側(cè)向剛度大，可以有效控制變形，雙排樁間距可以根據(jù)施工環(huán)境靈活安排，減少對(duì)周邊建筑和道路的影響。綜合考慮，設(shè)計(jì)對(duì)高層區(qū)邊角區(qū)域采用樁+內(nèi)支撐方案，與低層區(qū)交接區(qū)域采用雙排樁支護(hù)方案， 以保證高低層連接區(qū)域支護(hù)形式的合理分配。 樁+內(nèi)支撐采用樁徑為1000mm 的鉆孔灌注樁，間距為1.4m，樁長(zhǎng)為16m，角支撐間距為6.5m。 雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)前排樁采用樁徑為800mm 的鉆孔灌注樁， 間距為1.1m，后排樁樁徑為800mm，間距為2.2m，樁長(zhǎng)為16m，排間距為3.5m，連梁采用1000×800mm 鋼筋混凝土，上部均設(shè)置1m 厚擋墻。 雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)截面如圖2 所示。

2 建模與分析

2.1 有限元模型

為研究該支護(hù)設(shè)計(jì)對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力的影響，通過運(yùn)用有限元軟件MIDAS/GTS 分別建立基坑土體及雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，模型中共包含3576 個(gè)單元，2843 個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中土體單元2042 個(gè)，樁單元1534 個(gè)，模型網(wǎng)格劃分如圖3 所示。

圖2 雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 土體及雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)模型

模型中前、后排樁、連梁以及土體均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，為防止支護(hù)結(jié)構(gòu)在模擬分析過程中發(fā)生過大變形，前、后排樁以及連梁均視為彈性材料，土體視為摩爾-庫(kù)侖彈塑性材料，支護(hù)樁與連梁之間采用連續(xù)單元，網(wǎng)格劃分靠近雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)區(qū)域比較緊密， 較遠(yuǎn)區(qū)域網(wǎng)格劃分較疏，以確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

模型簡(jiǎn)化說明： 為分析設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)支護(hù)樁的位移和彎矩的影響，僅截取某段基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)展開分析；采用梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬樁的位移和彎矩變化； 不考慮地下水滲流以及擋墻的影響； 連梁視為受拉構(gòu)件， 根據(jù)面積折算為薄板；土體變形忽略不計(jì)。 邊界條件：對(duì)模型底部豎向位移及側(cè)向水平位移進(jìn)行約束，其他界面均為自由界面。支護(hù)樁、連梁結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2 所示。

表2 土體物理參數(shù)

2.2 結(jié)果分析

運(yùn)用結(jié)構(gòu)分析軟件建立基坑某一斷面雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，模擬分析了該斷面前、后排樁水平位移以及彎矩值的變化規(guī)律， 并與雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)原設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較， 以確定采用該設(shè)計(jì)參數(shù)的雙排樁支護(hù)效果是否滿足相關(guān)規(guī)范要求，具體分析過程如下。

(1)雙排樁水平位移設(shè)計(jì)值與模擬值變化曲線如圖4所示：

圖4 雙排樁水平位移變化曲線

根據(jù)圖4 可知， 雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)中前排樁水平位移模擬值與設(shè)計(jì)值相差較大，最大偏差發(fā)生在樁頂位置，偏差了約2.8mm，由樁頂向樁中位置移動(dòng)，水平位移偏差值不斷減小，在樁中位置模擬值與設(shè)計(jì)值非常接近，由樁中向樁底移動(dòng)時(shí)，水平位移偏差值逐漸增大，在樁底模擬值比設(shè)計(jì)值大了約2mm，說明該支護(hù)方案對(duì)前排樁樁頂和樁底的影響較大。 后排樁水平位移變化趨勢(shì)與前排樁大致相似，靠近樁頂和樁底水平位移偏差值較大，模擬值比設(shè)計(jì)值分別大了約4.6mm 和2.8mm， 后排樁水平位移偏差值均要大于前排樁， 說明該支護(hù)方案對(duì)后排樁變形的影響要大于前排樁。

(2) 雙排樁彎矩設(shè)計(jì)值與模擬值變化曲線如圖5 所示：

圖5 雙排樁彎矩變化曲線

根據(jù)圖5 可知， 雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)中前排樁彎矩模擬值與設(shè)計(jì)值相差較大，最大偏差發(fā)生在樁中位置，由設(shè)計(jì)值的95.9kN·m 變成了模擬值的-71.3kN·m， 偏差約166kN·m，且受力方向也發(fā)生了變化。 由樁頂向樁長(zhǎng)13m移動(dòng)時(shí)，彎矩的偏差值先增大后減小，在樁長(zhǎng)13m 位置模擬值與設(shè)計(jì)值非常接近，由樁長(zhǎng)13m 位置向樁底移動(dòng)時(shí)， 彎矩偏差值逐漸增大， 在樁底模擬值比設(shè)計(jì)值大26.6kN·m， 說明該支護(hù)方案對(duì)前排樁上半段的彎矩影響較大。后排樁彎矩變化趨勢(shì)與前排樁大致相似，在樁中位置支護(hù)樁受力方向發(fā)生了變化， 但變化幅度要小于前排樁， 模擬值彎矩最大值出現(xiàn)在樁頂， 與設(shè)計(jì)值偏差約156.8kN·m，由樁頂向樁底移動(dòng)時(shí)后排樁彎矩模擬值與設(shè)計(jì)值的偏差值逐漸減小，在樁底位置基本重合，說明該支護(hù)方案對(duì)后排樁的受力影響較大。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)與效果分析

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)雙排樁按原設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行支護(hù)時(shí)，前、后排樁的水平位移和彎矩值均與設(shè)計(jì)值發(fā)生較大偏離，不利于基坑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

根據(jù)對(duì)周邊環(huán)境的勘測(cè)， 高層區(qū)地下室南側(cè)距離公路最近距離為9.5m，東側(cè)鄰近低樓房屋群，且最近距離僅4.9m，若在高層區(qū)坑角60 左右區(qū)域直接采用樁+內(nèi)支撐支護(hù)形式，東南兩側(cè)內(nèi)支撐支護(hù)施工過程會(huì)比較困難，同時(shí)還會(huì)增加施工成本和施工工期， 對(duì)周邊環(huán)境的影響也會(huì)隨之增大，因此為提高施工質(zhì)量和施工效率，現(xiàn)針對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行以下優(yōu)化：1)將原設(shè)計(jì)的樁+內(nèi)支撐方案變更為雙排樁支護(hù)；2)將原雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)中，前排樁樁徑由原設(shè)計(jì)的800mm 增至1000mm， 間距由1.1m 增至1.3m， 后排樁樁徑由800mm 增至1000mm， 間距由2.2m減至1.95m，樁長(zhǎng)由16m 增至18m，排間距由3.5m 增至4m，保持其他參數(shù)不變。

3.2 效果分析

優(yōu)化后對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析， 將優(yōu)化后的支護(hù)樁設(shè)計(jì)參數(shù)重新導(dǎo)入計(jì)算模型中， 土體和材料參數(shù)保持不變，并針對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)值、原方案以及優(yōu)化方案的前、后排樁水平位移及彎矩進(jìn)行對(duì)比分析，以確定采用優(yōu)化方案后雙排樁的支護(hù)效果是否得到提升，具體分析過程如下。

(1)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)值、原方案及優(yōu)化方案水平位移變化曲線如圖6 所示：

根據(jù)圖6 可知， 優(yōu)化后前排樁樁頂最大水平位移偏差值由原來(lái)的2.8mm 減小到了1.2mm， 樁頂最大變形減小了約57%，樁底最大水平位移偏差值由原來(lái)的2mm 減小到了0.8mm，樁底最大變形減小了約60%，說明優(yōu)化后前排樁水平變形得到了有效控制， 前排樁水平位移變化與設(shè)計(jì)值更為接近。 優(yōu)化后后排樁樁頂最大水平位移偏差值由原來(lái)的4.6mm 減小到了1.2mm， 樁頂最大變形減小了約74%， 樁底最大水平位移偏差值由原來(lái)的2.8mm減小到了1.6mm，樁底最大變形減小了約43%，后排樁水平位移變化趨勢(shì)與設(shè)計(jì)值更為接近， 說明該優(yōu)化方案可以有效減小雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平變形， 更驗(yàn)證了該優(yōu)化方案的優(yōu)良效果。

(2)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)值、原方案及優(yōu)化方案彎矩變化曲線如圖7 所示：

圖7 優(yōu)化后雙排樁彎矩移變化曲線

根據(jù)圖7 可知， 優(yōu)化后前排樁樁中彎矩最大偏差值由原來(lái)的166kN·m 減小到101.6kN·m， 樁中最大受力減小約38.5%， 前排樁其他位置彎矩值均得到不同程度減小，受力情況相對(duì)與原方案更接近于設(shè)計(jì)值，說明該優(yōu)化方案有效減小前排樁彎矩值， 使得支護(hù)樁整體受力更為均勻。 優(yōu)化后后排樁樁頂彎矩最大偏差值由原來(lái)的156.8kN·m 減小到了61kN·m， 樁頂最大受力減小了約60%，后排樁其他位置彎矩值均得到不同程度減小，受力情況相對(duì)與原方案也更接近于設(shè)計(jì)值， 說明該優(yōu)化方案也有效減小前排樁彎矩值， 且對(duì)改善后排樁受力分布效果更為顯著。綜上所述可知，優(yōu)化后的支護(hù)樁設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)減小雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形及受力能夠起到顯著效果，更有利于維護(hù)基坑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)某基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，以設(shè)計(jì)值為參照，對(duì)比分析了優(yōu)化前后雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及受力情況，得到以下主要結(jié)論：優(yōu)化前雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及受力情況與設(shè)計(jì)值偏差較大，前、后排樁水平位移和彎矩值偏差較大； 優(yōu)化后雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及受力情況與設(shè)計(jì)值偏差顯著減小，前、后排樁最大水平變形分別減小了60%和74%， 最大彎矩值分別減小了38.5%和60%，有效控制了基坑結(jié)構(gòu)的變形，以及提升了支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的均勻程度， 更有利于保證基坑的整體穩(wěn)定性，表明該方案優(yōu)化效果優(yōu)良。