雙排樁在深基坑工程中的應(yīng)用與分析

張京，李大華，王鑫，張自光

雙排樁在深基坑工程中的應(yīng)用與分析

張京1，李大華1，王鑫2，張自光1

（1.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，合肥 230601；2.江蘇雷威建設(shè)工程有限公司，南京 210003）

既有圍護(hù)樁于一體的雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)是一種新型的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)體系在實(shí)際工程中應(yīng)用較少，為了驗(yàn)證其在實(shí)際工程中的合理性與安全性，基于合肥市某深基坑工程，對(duì)雙排樁結(jié)構(gòu)計(jì)算的模型、方法以及前后排樁的受力進(jìn)行闡述和計(jì)算；對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)并運(yùn)用有限元軟件MIDAS GTS模擬分析基坑開(kāi)挖后前排樁及周圍土體的位移，通過(guò)監(jiān)測(cè)值和模擬值對(duì)比分析，二者較為接近。該工程的順利實(shí)施，證實(shí)了既有圍護(hù)樁于一體的雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中是適用的成熟的。同時(shí)可以為以后類似實(shí)際工程提供參考。

基坑支護(hù)；雙排樁；監(jiān)測(cè)；有限元

近年來(lái)，隨著城市建筑的快速發(fā)展，地下空間開(kāi)發(fā)規(guī)模越來(lái)越大，這推進(jìn)了基坑工程技術(shù)水平的快速發(fā)展，在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)方面，呈現(xiàn)出新的特點(diǎn)和形式。例如內(nèi)支撐、單排樁、樁錨、土釘墻、雙排樁等[1-3]。本工程考慮到周圍場(chǎng)地的特性、工程造價(jià)、基坑的用途等實(shí)際情況，采用既有圍護(hù)樁于一體的雙排樁作為基坑支護(hù)形式。既有圍護(hù)樁于一體的雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)是一種新型的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，它與單排樁相比，具有更大的側(cè)向剛度，受力性能和控制變形能力更強(qiáng)[3-4]；與單排樁錨式支護(hù)體系相比，對(duì)周圍環(huán)境的影響更小[5]；與內(nèi)支撐相比，雙排樁支護(hù)施工更加方便，對(duì)基坑用途沒(méi)有太多的要求。

目前，雙排樁結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型有：經(jīng)典土壓力理論模型、比例系數(shù)法計(jì)算模型、溫克爾地基計(jì)算模型、土拱理論計(jì)算模型[1-5]。然而這些計(jì)算模型中，對(duì)于雙排樁而言，研究前后排樁的受力大小，不僅可以對(duì)前后排樁的設(shè)計(jì)剛度和樁徑、樁間距進(jìn)行把控，而且能極大的提高雙排樁對(duì)深基坑支護(hù)的安全性，土體積比例系數(shù)法就可以解決這個(gè)問(wèn)題。土體積比例系數(shù)法是通過(guò)雙排樁的樁間滑動(dòng)土體體積占樁后滑動(dòng)土體總體積的比例來(lái)對(duì)比例系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的確定[2-6]，從而計(jì)算出土壓力對(duì)前后排樁的分配情況[7]。

但這種研究方法在“雙排樁對(duì)深基坑支護(hù)的應(yīng)用”中還不是很多。本文通過(guò)對(duì)既有圍護(hù)樁于一體的雙排樁結(jié)構(gòu)計(jì)算方法在合肥地區(qū)實(shí)際工程應(yīng)用的論述、計(jì)算和有限元的模擬分析，一是豐富了國(guó)內(nèi)地區(qū)對(duì)于雙排樁支護(hù)形式的應(yīng)用研究，二是還原實(shí)際情況，以實(shí)際當(dāng)中的監(jiān)測(cè)過(guò)程，研究在雙排樁支護(hù)的情況下，基坑開(kāi)挖完成后的樁體位移以及周邊環(huán)境安全性的影響。

本文基于合肥市某深基坑工程，詳細(xì)介紹了雙排樁結(jié)構(gòu)計(jì)算方法中的土體積比例系數(shù)法以及通過(guò)有限元軟件MIDAS GTS模擬分析了基坑開(kāi)挖完成后樁體位移和周圍土體沉降[4-8]，利用該工程實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，論證了既有圍護(hù)樁于一體的雙排樁結(jié)構(gòu)在深基坑支護(hù)應(yīng)用中的合理性[8-10]。

1 工程背景

1.1 工程概況

合肥市某深基坑工程基坑面積約為8309m2，基坑總延長(zhǎng)約為400m，基坑開(kāi)挖的深度為12.96~13.50m，安全等級(jí)為一級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為一年。該工程在區(qū)間K663.7~K694.9段線路左側(cè)距離框架結(jié)構(gòu)邊23.9m為一層混凝土結(jié)構(gòu)房屋；線路K666.6~K702.3右側(cè)距離框架結(jié)構(gòu)邊18.6m為油庫(kù)廠房，其周圍可能埋設(shè)輸油管路；線路K722.2~K781.5右側(cè)為運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)調(diào)、整備車間，帶有地下室，地下室大約7m深，前期已采用懸臂式鉆孔灌注樁進(jìn)行支護(hù)，既有的支護(hù)樁距離最近的框架結(jié)構(gòu)外邊線約2.4m，線路兩端頭為頂進(jìn)工作坑掌子面。

根據(jù)建筑場(chǎng)地的地質(zhì)條件，基坑的開(kāi)挖深度以及周邊環(huán)境等情況，支護(hù)方式應(yīng)分段進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1 基坑平面布置圖

1.2 地質(zhì)水文狀況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的勘察報(bào)告，場(chǎng)地巖土層從上而下劃分為：第1層是耕作土，層厚為1.5~1.8m，灰-褐灰色，松散，含有較多植物的根莖；第2層是雜填土，層厚為0.8~3.2m，褐-黃灰色，松散，含有少量的建筑垃圾；第3層是黏土，土層厚度為22.79~31.69m，堅(jiān)硬，含有一些高嶺土和粉質(zhì)土等。

工程場(chǎng)地地下水是上層滯水。它主要存在于填土中，受地表水徑流等影響，地下水主要以地面蒸發(fā)方式排泄，水量小，易于疏干。

1.3 工程特性

某工作坑箱涵制造圖如圖2所示。

（1）土釘支護(hù)由于安全性不夠好，其在城市重要深基坑支護(hù)中的應(yīng)用受到了控制，本基坑工程安全等級(jí)為一級(jí)，因此不考慮土釘支護(hù)；

（2）樁錨支護(hù)因本工程在線路K666.6~K702.3右側(cè)距離框架結(jié)構(gòu)邊18.6m為油庫(kù)廠房，其周圍可能埋設(shè)輸油管路，在本基坑工程中也受到限制；

（3）考慮到本基坑的用途是用來(lái)制造箱涵，因此內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)同樣受到一定的限制；

（4）本工程若采用單排樁支護(hù)，經(jīng)分析計(jì)算，它的抗傾覆穩(wěn)定性不能滿足規(guī)范要求；

（5）基坑放坡邊緣處距離已有建筑物大約1m，建筑物地下有圍護(hù)樁，本基坑支護(hù)正好借助于已有建筑物地下的圍護(hù)樁做成雙排樁支護(hù)，這樣不僅減少了工程造價(jià)，也提高了施工效率，縮短了施工工期，此項(xiàng)措施為該工程的特色；

（6）通過(guò)以上該工程特性的論述，采用雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)作為基坑的支護(hù)形式更合理、更經(jīng)濟(jì)、更安全。

圖2 工作坑箱涵制造圖

2 工程實(shí)例應(yīng)用

2.1 雙排樁結(jié)構(gòu)計(jì)算模型及方法

2.1.1 計(jì)算模型

雙排樁在深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛，主要在于它受周圍地質(zhì)環(huán)境影響較小，施工方便，對(duì)主體結(jié)構(gòu)的施工進(jìn)度影響不大?；娱_(kāi)挖時(shí)，前后排樁都受到一定的土壓力作用，但是土壓力對(duì)前后排樁的分配力是不同的，這就導(dǎo)致對(duì)前后排樁的剛度、樁徑以及樁間距設(shè)計(jì)要求不同。因此，研究土壓力對(duì)雙排樁的分配顯得至關(guān)重要。土體積比例系數(shù)法就是基于前后排樁的土壓力分配系數(shù)，它由我國(guó)著名學(xué)者所提出的，是按照室內(nèi)模型的試驗(yàn)以及工程的實(shí)際測(cè)試結(jié)果推算了該方法。土體積比例系數(shù)法是采用雙排樁樁間滑動(dòng)土體體積占樁后滑動(dòng)土體總體積的比例來(lái)對(duì)比例系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的確定。這種方法計(jì)算簡(jiǎn)便，因而成為現(xiàn)階段設(shè)計(jì)過(guò)程中采用的方法之一。

針對(duì)以下計(jì)算模型是建立在如下4個(gè)基本假設(shè)條件之上。

（1）把前排樁和后排樁當(dāng)作成為了一個(gè)頂端和連梁剛接的門式鋼架結(jié)構(gòu)；

（2）雙排樁之間的連梁受力不會(huì)產(chǎn)生拉伸和壓縮變形，僅僅只作平移并不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)；

（3）雙排樁受力時(shí)樁頂水平位移一致；

（4）在進(jìn)行土壓力的計(jì)算時(shí)，主要采用朗肯土壓力進(jìn)行計(jì)算。

分配系數(shù)的確定（見(jiàn)圖3）：

雙排樁在進(jìn)行布樁的時(shí)候通常有兩種布樁形式，分別為矩形布樁和三角形布樁。

①三角形布樁（見(jiàn)圖4）

圖3 比例系數(shù)確定方法

圖4 三角形布樁土壓力傳遞圖

(2)

②矩形布樁（見(jiàn)圖5）

(3)

圖5 矩形布樁土壓力傳遞圖

2.1.2 雙排樁土壓力分析

按照土體積比例系數(shù)法的基本假設(shè)，將雙排樁分成前排樁和后排樁分別進(jìn)行土壓力計(jì)算。

前排樁（圖6）的被動(dòng)土壓力合力為

式中，表示土體重度，0表示樁長(zhǎng)，表示樁嵌入土體的深度，K表示主動(dòng)土壓力系數(shù)，K表示被動(dòng)土壓力系數(shù)，表示土體粘聚力。

后排樁（圖7）主動(dòng)土壓力合力為

圖7 后排樁結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖

被動(dòng)土壓力合力為

式中，表示土體粘聚力，表示樁長(zhǎng)，K表示主動(dòng)土壓力系數(shù)，K表示被動(dòng)土壓力系數(shù)。

2.2 雙排樁在工程中的具體應(yīng)用

下面選取基坑線路FG段進(jìn)行分析，F(xiàn)G段從地面按1∶1.25的坡率放坡4m，坡面掛設(shè)8@200mm×200mm鋼筋網(wǎng)，噴射80mm厚C20混凝土。支護(hù)樁采用雙排樁，前排樁為1000@1500mm鉆孔灌注樁，樁頂設(shè)1200mm×800mm鋼筋混凝土冠梁，后排樁為既有800@1500mm鉆孔灌注樁（已施做完成），冠梁之間設(shè)置500mm厚連板。

結(jié)合上文提到的雙排樁結(jié)構(gòu)計(jì)算模型和方法，對(duì)此次實(shí)際工程進(jìn)行分析計(jì)算，以驗(yàn)證基坑工程在雙排樁支護(hù)的情況下，不會(huì)發(fā)生坍塌，滿足受力變形要求，保證工程的安全性。根據(jù)工程地質(zhì)條件，雙排樁結(jié)構(gòu)處于粘土層范圍內(nèi)。下文為雙排樁受力情況的具體分析計(jì)算。

圖8 雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)刨面圖（mm）

2.2.1 雙排樁分配系數(shù)

在進(jìn)行雙排樁土壓力計(jì)算時(shí)，首先應(yīng)確定它們之間的分配系數(shù)。

分配系數(shù)取下式計(jì)算

2.2.2 前排樁土壓力計(jì)算

主動(dòng)土壓力系數(shù)為

被動(dòng)土壓力系數(shù)為

該工程雙排樁排樁形式采用的是三角形布樁，采用式(4),(5)計(jì)算

主動(dòng)土壓力：

被動(dòng)土壓力：

即雙排樁連梁受到的軸力=2132.5-1496.8=635.7kN方向向基坑外側(cè)。

2.2.3 后排樁土壓力計(jì)算

對(duì)后排樁的主動(dòng)土壓力大小和被動(dòng)土壓力大小分別進(jìn)行計(jì)算，采用式(6),(7)：

主動(dòng)土壓力：

被動(dòng)土壓力：

即雙排樁連梁受到的軸力′=18002.8-751.2=17251.6kN方向向基坑內(nèi)側(cè)。

由于′遠(yuǎn)大于，因此，雙排樁不會(huì)發(fā)生傾斜，對(duì)深基坑的支護(hù)是安全可靠的。

2.2.4 抗傾覆穩(wěn)定性

根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范》，雙排樁支護(hù)體系應(yīng)該滿足抗傾覆要求。假如雙排樁支護(hù)體系繞前排樁底部發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)前排樁就會(huì)受到基坑內(nèi)側(cè)的被動(dòng)土壓力作用，阻止雙排樁轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)后排樁受到主動(dòng)土壓力的作用也阻止它轉(zhuǎn)動(dòng)，這兩個(gè)力的協(xié)同作用增強(qiáng)了雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。雙排樁以及樁間土的重力會(huì)產(chǎn)生傾覆作用（圖9）。

圖9 雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)：

大于K=1.25，滿足規(guī)范要求。

2.2.5 抗滑移穩(wěn)定性

本工程雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)體系處于粘土層的范圍內(nèi)，因此采用圓弧滑動(dòng)條分法進(jìn)行計(jì)算。按照一定比例繪制該基坑的截面圖，滑動(dòng)圓弧的圓心可以任意選取。

經(jīng)計(jì)算整體穩(wěn)定安全性系數(shù)大于1.3，滿足要求。

3 數(shù)值分析

3.1 模型建立

為了進(jìn)一步驗(yàn)證既有圍護(hù)樁于一體的雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在深基坑工程應(yīng)用中的合理性與成熟性，本文選用MIDAS GTS NX有限元軟件建立基坑雙排樁支護(hù)數(shù)值模擬模型圖（圖10）。材料采用修正摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型，模型邊界條件設(shè)置為頂面自由，其它面法向約束。模擬基坑開(kāi)挖時(shí)，雙排樁采用梁?jiǎn)卧?，其彈性模量?1.5GPa，泊松比為0.2。為了精確計(jì)算，本文在使用MIDAS GTS時(shí)采用了定義線性梯度的方法，使得雙排樁附近的網(wǎng)格相對(duì)密集、而邊界網(wǎng)格相對(duì)稀疏。表1為各土層參數(shù)性質(zhì)。

圖10 雙排樁模型

表1 土層的參數(shù)表格

3.2 結(jié)果分析

當(dāng)基坑開(kāi)挖到坑底位置時(shí)，基坑周圍土體的位移分布如圖11所示。水平最大位移發(fā)生在樁的上半部分、且最大為3.45mm，由于基坑沒(méi)有設(shè)置內(nèi)支撐，因此，最大位移發(fā)生在支護(hù)樁的上半部分。豎直最大沉降為8.75mm，且最大沉降位置發(fā)生在距后排樁約6m處，水平以及沉降位移都相對(duì)較小，因此雙排樁支護(hù)是安全的。由豎直位移分布圖可以看出，雙排樁支護(hù)下基坑開(kāi)挖對(duì)周邊土體影響范圍大，達(dá)到了約30m，因此在采用雙排樁支護(hù)時(shí)，要加大土體表面沉降的監(jiān)測(cè)范圍，從而保證基坑更加安全可靠。

圖11 基坑開(kāi)挖完成后周圍土體的位移分布云圖

3.3 工程實(shí)施效果

（1）本工程基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用既有圍護(hù)樁于一體的雙排樁形式，即后排樁借助于相鄰建筑物地下圍護(hù)樁做成既有圍護(hù)樁于一體的雙排樁結(jié)構(gòu)，使得附近建筑物地下的圍護(hù)樁得到了二次利用，極大降低了工程建造成本、縮短了工期，滿足環(huán)境友好、建筑節(jié)能與可持續(xù)發(fā)展的理念，會(huì)對(duì)社會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

（2）通過(guò)雙排樁結(jié)構(gòu)計(jì)算方法中的土體積比例系數(shù)法，計(jì)算出了雙排樁在基坑支護(hù)中、它的前后排樁的受力合乎實(shí)際情況，不會(huì)發(fā)生傾覆，滿足工程的安全性。

（3）在施工過(guò)程中，通過(guò)對(duì)雙排樁結(jié)構(gòu)與基坑邊坡頂部水平位移、周圍土體沉降等數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，與模擬值進(jìn)行比較，二者數(shù)值相差比較小且都在預(yù)警值范圍內(nèi)，進(jìn)一步驗(yàn)證了雙排樁支護(hù)在本基坑工程應(yīng)用中是安全的，成熟的。

（4）本工程的完成取得了良好的效果，為其他類似工程提供了參考。

4 結(jié)論

通過(guò)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在合肥市某深基坑工程中的應(yīng)用，現(xiàn)得到以下重點(diǎn)結(jié)論：

（1）基坑面積大，周邊環(huán)境復(fù)雜且不具備錨桿施工的條件下，可以考慮采用雙排樁支護(hù)。

（2）采用既有圍護(hù)樁于一體的雙排樁形式，使得附近建筑物地下的圍護(hù)樁得到了二次利用，極大降低了工程建造成本、縮短了工期，滿足環(huán)境友好、建筑節(jié)能與可持續(xù)發(fā)展的理念，會(huì)對(duì)社會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

（3）通過(guò)雙排樁結(jié)構(gòu)計(jì)算方法中的土體積比例系數(shù)法，得出前、后排樁的受力大小，并分析滿足實(shí)際情況，不會(huì)發(fā)生傾覆，保證了本工程在雙排樁支護(hù)的條件下是安全可靠的。

（4）運(yùn)用有限元軟件MIDAS GTS NX模擬基坑開(kāi)挖完成后雙排樁水平位移及周圍土體沉降值，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合良好，表明該有限元分析方法是可行的。

（5）雙排樁最大水平位移發(fā)生在樁的上半部分且最大為3.45mm，周圍土體最大沉降為8.75mm，且最大沉降位置發(fā)生在距后排樁約6m處，。

（6）通過(guò)基坑工程的監(jiān)測(cè)和有限元模擬，結(jié)果表明，基坑開(kāi)挖引起的雙排樁和周圍土體的位移都在控制范圍內(nèi)，說(shuō)明該工程基坑支護(hù)是可靠的，可為類似工程提供參考。

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Application and analysis of double row piles in deep foundation pit engineering

ZHANG Jing1，LI Da-hua1，WANG Xin2，ZHANG Zi-guang1

(1.School of Civil Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601, China; 2.Jiangsu Leiwei Construction Engineering Co., Ltd., Nanjing 210003, China)

The double row pile supporting structure with existing retaining piles is a new type of foundation pit supporting structure. In order to verify its rationality and safety in practical engineering, based on a deep foundation pit project in Hefei, this paper expounds and calculates the calculation model and method of double row pile structure and the stress of front and back row piles; monitors the construction process and uses the finite element software MIDAS. The displacement of front row pile and surrounding soil after foundation pit excavation is simulated by GTS. Through the comparative analysis of monitoring value and simulation value, the two are close. The successful implementation of the project proves that the existing double row pile retaining structure is suitable and mature in practical engineering. At the same time, it can provide reference for similar practical projects in the future.

foundation ditch support；double-row piles；monitor；finite element

2021-02-24

安徽建筑大學(xué)校引進(jìn)人才及博士啟動(dòng)基金項(xiàng)目（2019QDZ24）；中安華力建設(shè)集團(tuán)有限公司產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目（HYB20190152）

張京（1993-），男，安徽蚌埠人，碩士，主要從事工程結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代施工技術(shù)研究，616003506@qq.com。

TU753

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1007-984X(2021)04-0076-09