雙排樁支護結構樁后土壓力分析

趙 峰 郭成軍 孫洪飛

(中國煤炭科工集團西安研究院，陜西西安 710054)

0 引言

近年來，隨著城市建設的迅速發展，舊城改造項目日益增多，從而伴隨著出現大量的基坑支護工程，這類基坑有明顯的場地限制和嚴格的變形控制要求。雙排樁具有剛度大、變形小、施工速度快等特點，能適應基坑支護中的要求，近年來在此類工程中被廣泛應用。

在基坑支護設計中，設計合理與否的前提條件是支護結構上土壓力的估算是否正確，雖然已經有多種土壓力計算模式，但支護結構形式的改變使得實際土壓力分布趨于復雜。對于設置連梁的雙排樁支護結構，每排樁上均受到一定的土壓力值，而它們之間的作用關系、應力狀態及其量值的大小是值得關注的問題［1］。目前，雙排樁的土壓力計算模型有何頤華［2］提出的比例系數法土壓力模型，張弘［3］提出的修正系數法土壓力計算模型。

1 有限元分析模型及支護結構和土體參數選取

1.1 基本假定和計算模型

樁土之間采用面—面的接觸方式模擬。樁作為目標面，用Targe169單元來模擬，土體作為接觸面，用Conta172單元來模擬，通過建立接觸對來模擬樁土之間的相互作用，并作如下假定:

1)忽略基坑降水和基坑土體開挖對土體力學性質的影響，土體按不排水條件考慮;2)按平面應變條件考慮，利用對稱性分析，幾何形狀和邊界條件如圖1所示;3)土體采用八節點等參元，連梁及樁假設為彈性梁單元，不考慮樁間土在雙排樁作用下的側向擠出效果;4)假定作用于支護結構的土體均質連續;5)有限元計算模型如圖2所示。

1.2 支護結構及土體參數

雙排樁支護結構有限元模型的計算域為:30 m×25 m，基坑開挖深度為8.0 m，支護樁的嵌固深度為10 m。前排樁與后排樁長度同為18 m，排距3 m，樁間距2 m，支護樁為混凝土灌注樁，樁徑1 m，樁的彈性模量 E=3×104MPa，泊松比 μ=0.2，重度 γ=25 kN/m3。連梁的截面尺寸為b×h=1 m×1 m，連梁的彈性模量E=3×104MPa。地面超載按q=10 kPa考慮。

土體的物理力學指標見表1。

表1 土體物理力學指標

2 雙排樁樁后主動土壓力分析

2.1 理論土壓力計算

分別采用朗肯土壓力理論和比例系數法土壓力理論對前、后樁的樁后土壓力進行計算。

1)朗肯土壓力理論。

假定雙排樁的計算模型滿足朗肯土壓力計算條件，則前、后排樁的主動土壓力為:

計算結果如圖3，圖4所示。

2)比例系數法土壓力理論。

何頤華［2］通過模型試驗與工程實際相結合的研究方法得出比例系數法土壓力計算模型。該模型假定雙排樁支護結構為剛架結構，樁與連梁剛接，連梁在樁側土壓力作用下只能平移而不產生轉角，基坑土體開挖后，后排樁樁后主動土壓力為σa，前排樁樁前被動土壓力為σp，按比例系數將作用于前后排樁的土壓力進行分配，即可得到單獨作用于前后排樁的土壓力，通過結構計算即可得到前后排樁的受力情況。

支護結構的主動土壓力計算如下:

后排樁:

前排樁:

比例系數α按后排樁兩側滑動土體重量的比例關系確定，即:

其中，L0=Htan(45°－φ/2)，H為基坑深度，φ為內摩擦角;L為雙排樁排距，采用比例系數法對前、后排樁主動土壓力進行計算，計算結果如圖3，圖4所示。

2.2 有限元分析

根據圖2所示的雙排樁的有限元計算模型，分析得到樁土之間的接觸土壓力，接觸土壓力曲線如圖3，圖4所示。從圖3所示的有限元土壓力曲線可以看出，由于樁間土受前、后排樁的約束，樁頂附近的土壓力不為零，這說明樁土之間未發生分離，這與采用理論土壓力計算結果不一致，因為在采用理論計算時，對前、后排樁獨立計算，而未考慮連梁對前、后排樁的作用。由此可見，有限元分析法得出的接觸土壓力更接近實際。

2.3 接觸土壓力

采用朗肯土壓力理論和比例系數法土壓力理論得到的前、后排樁主動土壓力與有限元分析法得到的接觸土壓力相差較大，為了能更好地計算前、后排樁的土壓力，使得計算結果與實際狀況較為接近，引入修正系數k，通過修正系數k對朗肯主動土壓力進行修正，當k=0.7時得出的調整土壓力與有限元接觸土壓力最為接近。調整土壓力計算結果如圖3，圖4所示。

3 結語

采用朗肯土壓力理論計算支護結構的主動土壓力時，要求支護結構有較大的主動位移Δa，而實際雙排樁支護結構有較大的側向剛度，有限地約束了樁后土體的水平位移，不能滿足朗肯土壓力理論計算土壓力時的主動位移。故采用朗肯土壓力理論計算雙排樁的樁后土壓力時計算結果偏大，會造成設計保守，導致材料的浪費。

通過圖3和圖4的主動土壓力曲線可以看出，采用修正系數k對朗肯主動土壓力修正后得到調整土壓力，當修正系數k=0.7時，得出的調整土壓力與有限元分析結果較為接近。在實際工程中，在對雙排樁樁后土壓力計算時，建議采用調整土壓力計算，并考慮一定的安全系數。

［1］聶慶科，胡建敏，吳 剛.深基坑雙排樁支護結構上的變形和土壓力研究［J］.巖土力學，2008，29(11):3089-3094.

［2］何頤華，楊 斌，金寶森，等.雙排護坡樁試驗與計算的研究［J］.建筑結構學報，1996，17(2):58-66.

［3］張 弘.深基坑開挖中雙排樁支護結構的應用與探討［J］.地基處理，1993，4(3):42-47.