深基坑開挖中雙排樁支護的數值模擬及性狀

王星華，謝李釗，章敏

（中南大學 土木工程學院，湖南 長沙，410075）

深基坑開挖中雙排樁支護的數值模擬及性狀

王星華，謝李釗，章敏

（中南大學 土木工程學院，湖南 長沙，410075）

為研究深基坑開挖中雙排樁支護結構的內力和變形規律，結合實際工程，建立雙排樁、預應力錨桿聯合支護體系的數值計算模型，對不同開挖過程中樁?土相互作用機理、支護結構內力、變形和土壓力分布特征進行研究，討論排距、樁長和冠梁剛度等參數對基坑穩定性的影響。研究結果表明：錨桿作用部位樁身將產生較大的反向彎矩，基坑監測時應重點關注；當排距為（3～4）d（其中d為樁的直徑），樁長約為開挖深度的1.7倍時，雙排樁結構將發揮較好的支護效果；適當增加冠梁剛度將有效地協調前后排樁，減小土體側向位移。

雙排樁支護結構；深基坑；數值模擬；影響因素

雙排樁是一種新型的圍護結構，它是由2排平行的鋼筋混凝土樁以及樁頂的冠梁形成的空間門架式結構體系。這種結構具有較大的側向剛度，可以有效地限制圍護結構地側向變形，因而，其圍護深度比一般懸臂式圍護結構深[1?3]。從結構上分析，雙排支護樁如同嵌入土中的門式框架，與單排懸臂結構﹑內撐式圍護結構相比，具有施工方便﹑不用設置內支撐﹑擋土結構受力條件好等優點，因此，在工程中得到了廣泛應用[4?8]。雙排樁主要應用于深基坑支護和大型滑坡的治理中，許多學者對此進行了研究，如：蔡袁強等[9?10]運用有限元法，對基坑雙排樁的受力特性進行了研究；孫勇[11]對滑坡中雙排樁的受力機制、計算方法和設計方法進行了研究；周翠英等[12]將雙排樁的樁排間土體抗力簡化為彈性支撐，提出了樁間土對前排樁的作用模式和作用力計算分析模型；呂美君等[13]運用結構力學方法對雙排樁中滑坡推力在前、后排抗滑樁的分配進行了研究。本文作者以某基坑工程為背景，采用FLAC軟件建立雙排樁?預應力錨桿聯合支護的數值計算模型。對開挖過程中基坑隆起、地面沉降、樁身水平位移、錨桿軸力、樁身彎矩進行分析，提出施工過程中應注意的方面及需重點監測的地方；對基坑變形和穩定的影響因素如雙排樁間距、冠梁剛度、樁長進行討論，從而提出一些控制支護結構變形、保持基坑穩定的方法和措施[14?15]。

1 工程概況和計算模型

1.1 工程概況

基坑南面毗鄰醫院，東面靠近鐵路，西側為多層住宅樓，北側西段臨近幼兒園。 該工程基坑圍護設計重點考慮了2個問題：支護結構選擇和地下水處理。本工程基坑開挖深度為8.6 m， 局部深10 m，暴露土質基本為軟塑土。當選用懸臂單排樁支護時，其穩定性和安全性難以保證。而選用樁錨支護結構時錨桿施工對鄰近建筑有一定的影響，因土質較軟，其施工存在一定難度。經多種方案對比，最終選用懸臂雙排樁支護結構，以充分利用雙排樁占地空間小及其三維空間結構剛度大的優勢。采用深層攪拌樁作為隔水帷幕，坑內利用管井降水避免大面積降水后對周圍建筑產生的影響，所以，不考慮地下水的影響。

1.2 計算參數的選擇

支護結構的土層物理力學指標及計算參數見表1～4。

1.3 數值計算模型的建立

工程經驗表明：基坑開挖的影響寬度約為開挖深度的34倍，影響深度約為開挖深度的24倍。本文所確定的網格劃分為寬度取40 m，深度取28 m，網格數為40×28個。FLAC模型結構單元圖如圖1所示。

具體計算方案為：首先將模型全部按土體材料參數設定，并將其在X，Y和Z這3個方向上的位移設定為0，每一次開挖完以后設定一下材料參數，嚴格地按實際施工順序進行。整個基坑開挖和樁錨支護的模擬分3步進行，在每步完成后進行計算。

表1 基坑土層物理力學參數表Table 1 Soil physical and mechanical parameters of foundation pit

表2 樁單元參數Table 2 Pile element parameters

表3 錨桿單元參數Table 3 Bolt element parameters

表4 梁單元參數Table 4 Beam element parameters

圖1 FLAC模型?結構單元圖Fig. 1 Structural unit of FLAC model

設定初始約束條件時，假設計算域兩側設有水平鏈桿，底部設有鉸支座，頂部取為自由邊界。初始地應力場令為自重應力場，首先對模型施加自重荷載，讓模型在自重應力下穩定，建立背景自重應力場，考察自重應力下土體的變形行為，然后清除歷史上自重應力造成的位移。

模型在自重作用下的穩定過程實際上是模擬地質歷史上土層沉積固結過程，反映在模型上就是最大不平衡力的變化過程，即當最大不平衡力降到一定范圍時，模型便趨于穩定。

2 計算結果及分析

2.1 基坑隆起結果及分析

圖2所示為各開挖階段基坑底部隆起值。綜合分析各步開挖隆起曲線，每開挖一步都有一定的隆起增量，每步開挖形成的隆起分布曲線形狀相似。第3步開挖后，坑底隆起值在0～2 m范圍內迅速增大到8.7 cm；隨著距離坑邊距離的增加，坑底隆起值逐漸增大，但是，增大幅度逐漸減小，到基坑中部時達到最大值，為9.8 cm。 因此，在基坑監測時要對坑底中部和基坑邊壁進行重點監測。

圖2 開挖過程中基坑底部隆起值Fig. 2 Bottom upheaval value in process of excavation of pit

2.2 地面沉降結果及分析

從開挖至底部基坑Y方向的位移云圖見圖3。從圖3可以看出： 基坑周圍的地表沉降，在基坑邊處最大，其值為20 mm，離基坑邊處越遠，沉降越小。總體上，開挖對地面沉降的影響基本在2倍基坑深度之內（17 m），1倍深度（8.5 m）內的影響較大。在施工過程中，為了掌握施工對周圍建筑的影響情況，對鄰近的建筑進行觀測，最大沉降為0.91 cm，表明本工程的支護結構是合理的。

圖3 開挖至底部基坑Y方向的位移云圖Fig. 3 Y direction displacement of foundation pit excavation to bottom

2.3 樁身水平位移結果及分析

圖4和圖5所示分別為前、后2排樁在基坑各開挖階段的樁身水平位移變化圖。從圖4和圖5可以看出：基坑支護樁水平位移的最大值并不像懸臂支護那樣出現在基坑頂部，而是發生在基坑開挖度的中部，并隨著基坑向下開挖，最大水平位移的位置向下移動，最后穩定在基坑的中下部；基坑支護水平位移最大值約為13.4 mm，小于基坑深度的0.3%，滿足基坑支護要求。因此，基坑的開挖面附近要重點監測。通過分析圖4和圖5可以得出：

（1） 在有限元模型結果中，樁體側向水平位移量是隨著開挖不斷增長的，每開挖1步，側向水平位移增大。

（2） 每次加入錨桿都使樁體側向水平位移量產生回縮，錨桿能起到限制樁體的側向水平位移的作用。

（3） 樁身的中下部側向水平位移最大，在基坑監測時要重點觀察。

（4） 第2步開挖樁身水平位移出現負位移。這是由于打入錨桿預加應力較大，使樁身向基坑外方向偏移。在設計時應注意此問題。

圖4 前排樁開挖過程樁身的水平位移變化圖Fig. 4 Pile horizontal displacement of front pile in process of excavation

圖5 后排樁開挖過程樁身的水平位移變化圖Fig. 5 Pile horizontal displacement of back pile in process of excavation

（5） 第3步開挖樁身水平位移增大較多，這是由于第3步開挖沒有施加錨桿。但總體來說，樁身水平位移在基坑開挖的允許范圍內。

2.4 錨桿軸力結果及分析

圖6和圖7所示分別為第1層錨桿和第2層錨桿在各開挖階段的軸力。從圖6和圖7可以看出：

（1） 第1層錨桿在第1步開挖拉力為230 kN；施加第2層錨桿后，錨桿拉力衰減為180 kN。這主要是第2層錨桿張拉，改變了第1層錨桿的受力狀態，承擔了第1層錨桿原來抵抗的部分土壓力，使第1層錨桿的拉力減小；另一方面，是錨固體與土體的蠕變也使錨桿拉力減小，此后，第1層錨桿拉力保持基本穩定。

（2） 第2層錨桿的拉力從182 kN（第2步開挖）上升為209 kN（第3步開挖），增加16%左右。

圖6 開挖過程中錨桿1的軸力變化Fig. 6 Axial force variation of bolt 1 in process of excavation

圖7 開挖過程中錨桿2的軸力變化Fig. 7 Axial force variation of bolt 2 in process of excavation

（3） 錨桿錨固后，錨桿的軸力有所增加，大于錨桿的預應力，因此，在基坑中，為確保錨桿的正常工作，監測時要重點監測；同時，設計時，要充分考慮，適當增加錨桿的剛度。

2.5 樁身彎矩結果及分析

從開挖各階段前排樁樁身的彎矩（圖8）可見：到第3步開挖負彎矩最大值為?90 kN·m，正彎矩最大值為182 kN·m。從彎矩曲線形態總體上看，由于施加錨桿的作用，使樁的彎矩圖出現正負區域彎矩均勻，避免了某處彎矩過大、應力集中的現象。

從圖9所示的開挖各階段后排樁樁身的彎矩可以看出：由于在數值模擬中把后排樁與錨桿設計為幾何交叉，樁身沒有錨桿，上部的土壓力依靠開挖面以下的土抗力來平衡，在土壓力作用下，樁身彎矩曲線呈樁端小、中間大的形狀；每階段最大彎矩值皆出現在21 m標高位置附近。

圖8 開挖各階段前排樁樁身的彎矩Fig. 8 Bending moment of front pile in stage of excavation

圖9 開挖各階段后排樁樁身的彎矩Fig. 9 Bending moment of back pile in stage of excavation

在不同工況下，樁身彎矩曲線形狀各不相同，但有如下幾點規律：

（1） 樁身彎矩隨基坑開挖深度增大而增大，錨桿張拉后彎矩減小，出現反彎矩。

（2） 錨桿的張拉鎖定，由于預加荷載的作用，使彎矩出現負增長，但隨著基坑繼續開挖，彎矩總體還將繼續增大。

（3） 施加錨桿的部位，在錨桿工作后出現很大的反彎矩，計算值都很大，在進行樁身設計及應力監測時，這些部位應進行重點處理。

3 各參數對基坑位移的影響分析

3.1 雙排樁間距的影響

雙排樁設計的1個重要參數就是前后排樁排距，為此，本文從排距分別為1d，2d，3d，4d和5d（d為樁的直徑）的雙排樁體系進行考慮，得到前排樁的位移如圖10所示。

圖10 前排樁不同樁距下的位移Fig. 10 Displacement of front pile under different pile spacings

從圖10可見：前排樁在排距為1d，2d，3d，4d和5d時的最大位移分別為1.43，1.29，1.34，1.39和1.51 cm；隨著前后排距的增加，前排樁的位移先減小后增大，5d時的位移較最小的2d的位移增大了17%，且在排距為（3～5）d時，前排樁的位移的增大幅度也越來越大。這說明排樁間距在大于一定尺寸之后，前后排樁間土將基本全部壓在前排樁上，后排樁對前排樁將基本沒有什么影響。

從圖10可知：排距過小時，后排樁特征與單排樁的特征類似；當排距過大時，后排樁通過連梁對前排樁近似于起到拉錨的作用，這2種情況都無法使雙排樁之間的樁間土發揮較好的傳遞作用，使雙排樁在樁土共同作用方面的優勢沒有得到發揮；當排距在（3～4）d之間時，計算結果表現出來的位移和彎矩狀況比較理想，能夠使雙排樁的結構發揮較好的效果。

3.2 冠梁剛度的影響

冠梁是顯示雙排樁空間效應的一個重要結構，它的參數設置勢必影響雙排樁支護體系整體的性狀特征。為了驗證冠梁的剛度對雙排樁支護體系的影響，本文通過改變冠梁的高度來改變冠梁的剛度的方式來考察樁體的位移和彎矩。本工程采用冠梁高度為0.8 m，對照工況取為0.6 m。計算結果如圖11所示。由圖11可知：通過增大連梁的剛度，上部樁體位移減小顯著。這說明通過增加連梁剛度來協調2排樁的受力和位移是可取的。當然，增加樁體剛度勢必增加工程造價，同樣需要在性能和造價中尋找平衡點。

圖11 前排樁不同冠梁剛度下的位移Fig. 11 Displacement of front pile under different crown beam rigidities

3.3 樁長的影響

樁長與基坑開挖深度之比也為雙排樁支護體系中的重要參數，在基坑深度為8.5 m不變的情況下，分別選取長度為10，17和22 m的樁體進行對比，計算結果如圖12所示。

從圖12可知：當樁長過短（如此節中樁長為10 m）的情況下，整個支護結構表現出來的抗側移能力非常有限，容易造成支護結構整體坍塌；隨著樁體長度的增加，支護結構產生的位移先減小后增大。可以推斷樁長在一定范圍內支護結構所表現的性狀最佳，因此，樁長的選取應該在一定范圍內。若樁長過短，容易出現雙排樁結構達不到支護效果，但是，當樁長超過一定長度后，同樣也會出現支護效果降低的情形。在工程實踐中，一般將樁長設置微基坑開挖深度的1.7倍。

圖12 前排樁不同樁長的位移Fig. 12 Displacement of front pile under different pile lengths

4 結論

（1） 在基坑監測時要對坑底中部和基坑邊壁以及基坑的開挖面附近重點監測。

（2） 在施加錨桿的部位，錨桿工作后出現很大的反彎矩，計算值都很大，在進行樁身設計及應力監測時，這些部位應進行重點處理。

（3） 雙排樁的排距對整個體系影響較大。當排距過小時，雙排樁體系特征與單排樁的特征類似，而當排距過大時，后排樁對前排樁近似于拉錨的作用，這2種情況都無法使雙排樁之間的樁間土發揮較好的傳遞作用，使雙排樁在樁土共同作用方面的優勢沒有得到發揮。當排距為（3～4）d時，計算的位移和彎矩比較理想，能夠使雙排樁的結構發揮較好的效果。

（4） 改變樁長（或者樁長與基坑深度的比值）可以改變雙排樁支護結構的性狀，樁長的選取應該在一定范圍內，雙排樁的支護性能最佳；若樁長過短，容易出現雙排樁結構達不到支護效果，但是，在超過一定長度后，同樣也會出現支護效果降低的情形。在工程實踐中，一般將樁長設置微基坑開挖深度的1.7倍。

（5） 冠梁是展示雙排樁空間效應的一個重要的結構，增加冠梁剛度可以更好的協調前后排樁，減小樁體的位移，但是，冠梁的深度增加，勢必增加工程造價，需要在性能和造價中尋找平衡點。

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（編輯 陳燦華）

Numerical simulation and characteristic of a double-row piles retaining structure for deep excavation

WANG Xinghua, XIE Lizhao, ZHANG Min
（School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China）

To study the excavation behavior supported by double row piles retaining structure, the interaction mechanism of pile-soil was established. By taking a practical engineering as the research object, a numerical model of double row piles and prestressed anchor combined support system were established, and the internal force and deformation of supporting structure, the distribution characteristics of earth pressure were studied. The influences of row spacing, pile length and crown beam rigidity on the stability of excavation were discussed. The results show that the bigger reverse bending moments appear on the site of action of anchor pile; a good supporting effect of double-row piles structure can be achieved when the row spacing is （3?4）dand the pile length is about 1.7 times of the depth of excavation. The before-and-after piles can effectively form a unified whole supporting structure, and the lateral displacement of soil can reduce and appropriately increase the stiffness of the crown beam.

double row pile retaining structure; deep foundation pit; finite element; influential factor

TV551.4+2

A

1672?7207（2014）02?0596?07

2013?02?10；

2013?05?22

鐵道部科技研究開發計劃項目（2007G034）

謝李釗（1981?），男，湖南婁底人，博士研究生，從事地下工程方面的研究；電話：13875876853；E-mail：xielizhou1981@hotmail.com