后排樁長度變化對雙排樁的影響分析①

□□ 王 棟

(安徽鐵建工程有限公司，安徽 蚌埠 233040)

引言

在基坑開挖深度較大、場地紅線狹窄不宜向外側打設錨桿情況下，可以采用雙排樁支護結構，其可以在較窄空間內施作并提供較大支護剛度，已在巖土工程建設中得到了廣泛應用[1-5]。在工程中，雙排樁中的前排樁與后排樁參數(shù)可以不同。但目前常見的分析方法中[6-9]，尚不能較好地考慮前后排樁長度不相等、間距不相等、前后相互錯位等情況。

在保證變形與穩(wěn)定滿足要求的前提下，雙排樁中的后排樁與前排樁的長度不一定要求相等[10-11]。為此，本文基于數(shù)值模型，探討后排樁長度變化對雙排樁變形與穩(wěn)定的影響，為準確把握非等長雙排樁的基本特性提供一定的參考。

1 有限元計算模型

某一典型基坑工程前后排樁樁徑為0.9 m，間距為1.2 m。樁頂設置冠梁與橫梁，橫梁尺寸為800 mm×800 mm，初始設計中前后排樁長度相等均為20.0 m。為了分析非等長雙排樁的基本特性，現(xiàn)以該工程為依托建立計算模型，如圖1所示。

圖1 非等長雙排樁計算構型圖

圖1中Lhz表示后排樁長度，Lqz表示前排樁長度，Lh1表示橫梁長度，L0表示基坑開挖深度。計算中取L0=11.5 m，Lh1=2.0 m。根據(jù)工程地質條件建立有限元計算模型，圖2給出了前后排樁長度相等情況下的網(wǎng)格剖分情況。

圖2 有限元網(wǎng)格劃分

各土層物理力學參數(shù)見表1，土層本構采用小應變土體硬化(HS-Small)模型進行模擬。表1中E50ref表示三軸排水試驗所得割線模量，Eoedref表示側限加載試驗的切線模量，Eurref表示工程應變卸載/重加載模量。上述參數(shù)根據(jù)勘察報告與工程經(jīng)驗確定。

表1 土層計算參數(shù)

所述工程問題按平面應變問題考慮，等效得到的結構參數(shù)見表2。按工況分層開挖，基坑開挖至底時達到最危險工況，故后續(xù)僅針對基坑開挖至標高時的最危險工況開展討論。

表2 板單元計算參數(shù)

2 計算結果分析

采用非等長雙排樁時，一般前排樁長度大、后排樁長度小，即優(yōu)先保證前排樁的長度。計算得到了不同后排樁情況下樁及土體的變形與受力情況?；诜蔷€性有限元法，計算得到了后排樁長度變化對基坑特性的影響。

2.1 水平位移

前排樁長度Lqz=20.0 m，后排樁長度Lhz分別取20.0 m、16.0 m、12.0 m、8.0 m時的樁體水平位移如圖3、圖4所示。可見，前排樁與后排樁的水平位移均表現(xiàn)出：距離地面越遠，樁體水平位移越小的規(guī)律，前排樁、后排樁的水平位移最大值均位于樁頂處，且樁頂處的水平位移相等。

圖3 后排樁長度變化對前排樁水平位移的影響

圖4 后排樁長度變化對后排樁水平位移的影響

進一步分析知，后排樁長度越大，前排樁與后排樁的水平位移均越小，但這種影響主要體現(xiàn)在基坑開挖深度范圍內，即開挖面以下后排樁長度對前排樁與后排樁的水平位移影響非常有限。

土體的水平位移分布如圖5所示，可見，土體水平位移最大值發(fā)生在基坑坑壁頂部。圖6給出了基坑土體水平位移最大值與后排樁長度的依賴關系。后排樁長度越大，土體水平位移最大值越小，但在后排樁樁長Lhz>14.0 m后，這種影響效果逐漸降低。如Lhz=18.0 m時，土體水平位移最大值為7.90 mm，Lhz=14.0 m時，水平位移最大值為8.05 mm，兩者相差1.89%?？梢姡笈艠堕L度超過一定范圍后(14.0 m)，土體的水平位移受后排樁長度變化的影響非常小。

圖5 土體水平位移分布圖(單位：cm)

圖6 基坑土體水平位移最大值與后排樁長度的依賴關系

2.2 豎向沉降

土體的豎向沉降如圖7所示，可見，土體豎向沉降最大值發(fā)生在基坑坑壁頂部。圖8給出了后排樁長度變化對土體豎向沉降最大值的影響。后排樁長度越大，土體豎向沉降最大值越小，但在后排樁樁長Lhz>14.0 m后，這種影響效果逐漸降低。如Lhz=18.0 m時，土體豎向沉降最大值為-5.66 mm，Lhz=14.0 m時，土體豎向沉降最大值為-5.78 mm，兩者非常接近?？梢?，后排樁長度超過一定范圍后(14.0 m)，土體的豎向沉降受后排樁長度變化的影響非常小。

圖7 土體豎向沉降等值線分布圖(單位：cm)

圖8 后排樁長度變化對基坑土體豎向沉降最大值的影響

2.3 樁體內力

前排樁長度Lqz=20.0 m，后排樁長度Lhz分別取20.0 m、16.0 m、12.0 m、8.0 m時的樁體軸力如圖9、圖10所示。

圖9 后排樁長度變化對前排樁軸力的影響

圖10 后排樁長度變化對后排樁軸力的影響

前排樁的軸力為負值，表示受壓，即前排樁承受壓力；后排樁的軸力為正值，表示受拉，即后排樁承受拉力?？梢姡p排樁中前排樁與后排樁的軸力方向完全不同，后排樁受拉類似抗拔樁。顯然，只有正確掌握前排樁與后排樁的特性，后續(xù)才能合理設計與計算。

后排樁長度越大，前排樁的軸力越小，但當后排樁長度>12.0 m后，后排樁長度對前排樁軸力的影響非常小。隨著后排樁長度的增大，后排樁的軸力先增大后越小，后排樁長度為16.0 m時其軸力達到最大值。

前排樁的軸力最大值發(fā)生在基坑坑底位置處，后排樁的軸力最大值發(fā)生基坑頂部，這與受壓樁、受拉樁的受力特征是吻合的。

圖11與圖12給出了后排樁長度變化對樁體剪力的影響?？梢?，前排樁的剪力最大值發(fā)生在基坑坑底位置處，且后排樁長度對前排樁剪力的影響非常小，可忽略不計。后排樁長度越大，其受到的剪力值逐漸減小。

圖11 后排樁長度變化對前排樁剪力的影響

圖12 后排樁長度變化對后排樁剪力的影響

圖13與圖14給出了后排樁長度變化對樁體彎矩的影響。可見，前排樁上部(基坑開挖深度范圍內)的最大彎矩位于-7.0 m深度處，前排樁下部(錨固段)的最大彎矩位于-16.5 m深度處，上部與下部的彎矩方向不同。后排樁長度變化對前排樁彎矩的影響基本忽略不計。后排樁長度>12.0 m以后，后排樁長度變化對后排樁彎矩的影響非常小。

圖13 后排樁長度變化對前排樁彎矩的影響

圖14 后排樁長度變化對后排樁彎矩的影響

2.4 基坑穩(wěn)定性

基于強度折減有限元法[12-14]，考察了不同工況下基坑的穩(wěn)定性，如圖15、圖16所示。

圖15 基坑失穩(wěn)破壞時的滑裂面位置

圖16 后排樁長度變化對基坑安全系數(shù)的影響

由圖15可見，滑裂面底部穿過前排樁坑底以下2.5 m深度處，后排樁長度對潛在滑裂面位置的影響不大。由圖16可知，后排樁長度>12.0 m后，后排樁長度的增加對基坑穩(wěn)定性的影響不大。如后排樁長度為20.0 m時的安全系數(shù)僅比后排樁長度為14.0 m時的安全系數(shù)增加1.8%。

綜合前面所述的土體變形與樁體內力可知，對于該工程案例而言，在前排樁長度取20.0 m的情況下，后排樁的最優(yōu)長度為14.0 m。即后排樁的長度>14.0 m后，其對基坑變形與穩(wěn)定的影響較小，甚至可以忽略不計。

計算還表明，雙排樁中若采用前排樁短、后排樁長的方案，其前排樁類似吊腳樁，導致雙排樁的作用大大減弱，甚至基坑變形與穩(wěn)定不滿足要求。因而工程中不建議采用前排樁短、后排樁長的雙排樁設計方案。

3 結論

3.1 距離地面越遠，樁體水平位移越小，前排樁、后排樁的水平位移最大值均位于樁頂處，前排樁與后排樁在樁頂處的水平位移相等。后排樁長度越大，前排樁與后排樁的水平位移均越小，但這種影響主要體現(xiàn)在基坑開挖深度范圍內，即后排樁長度變化對基坑開挖面以下前排樁與后排樁的水平位移影響較小。

3.2 后排樁長度超過一定范圍后，土體的水平位移與豎向沉降受后排樁長度變化的影響非常小。

3.3 通常情況下后排樁受拉、前排樁受壓，后排樁長度越大，前排樁的軸力越小，但后排樁長度達到一定值后，后排樁長度對前排樁軸力的影響非常小。前排樁的軸力最大值發(fā)生在基坑坑底位置處，后排樁的軸力最大值發(fā)生基坑頂部。前排樁的剪力最大值發(fā)生在基坑坑底位置處，且后排樁長度對前排樁剪力的影響非常小。

3.4 后排樁長度對潛在滑裂面位置的影響不大。后排樁長度達到一定值后，后排樁長度的增加對基坑穩(wěn)定性的影響不大。工程中不建議采用前排樁短、后排樁長的雙排樁設計方案。