雙排樁在荊州南國城市廣場深基坑中的應用

楊小明，陳梁 （長江大學城市建設學院，湖北 荊州434023）

易佳 （湖北華迪工程勘察院，湖北 荊州434023）

雙排樁作為一種空間組合結構，具有較大的抗側移剛度，能有效地減小支護結構位移；與樁撐支護結構相比，由于不需要設置支撐，能有效地減小地下室施工工期，近幾年雙排樁在沿海地區基坑工程中得到較多的應用［1～5］。荊州城區處于長江北岸一級階地，為江漢平原沖洪積松軟松散巖工程地質［6］，目前地下結構多為1～2層地下室，主要支護方式為復合噴錨、水泥土重力式擋墻與懸臂排樁，雙排樁支護方式應用較少，施工經驗缺乏。對雙排樁的研究主要從理論研究、數值模擬、模型試驗及工程實踐四個方面，筆者以荊州城區某深基坑雙排樁支護結構為對象，采用有限元對基坑開挖過程中雙排樁變形與受力性狀進行數值模擬分析，為雙排樁支護結構在該區域的運用提供一定參考。

1 工程概況

荊州南國城市廣場位于荊沙大道與塔橋路交匯處東北側，地塊分為住宅區和酒店區，地下室占地面積約11000m2。住宅區樓房均為33層，下部地下室為1層，設計開挖深度約6.0m；酒店區樓房為27層，其下部地下室為2層，設計開挖深度約10.0m。

地下室東南側為已建3層樓房，東北側離用地紅線最近距離為3.2m，紅線外側地段為空地，西南側為空地，離場地施工道路最近距離為6.7m，西北側為道路，該側離用地紅線最近距離為1.5m，北側為空地，離用地紅線最近距離為3.2m。

該場地處于長江左岸Ⅰ級階地上，地貌形態屬沖積平原區類型，場地地層從上至下為：①素填土，褐色、褐灰色，厚度0.5～4.0m；②粉質粘土夾粉土，灰黃色，干強度較高，韌性中等，具搖振反應，承載力一般，壓縮性中等，厚度0.5～3.8m；③粉砂，灰色，松散－稍密，承載力一般，壓縮性中等，厚度1.1～4.8m；④粉砂，灰色，稍密，承載力一般，壓縮性中等，厚度5.2～10.2m；⑤圓礫，雜色，松散－稍密，承載力較高，壓縮性較低，厚度9.5～13.3m。

2 支護方案的選擇

對于住宅區其北側及東側都靠近道路，不適宜大面積放坡，均考慮采用懸臂式排樁支護；酒店區由于其開挖深度為10.0m，開挖深度較深，同時場地較狹窄，不適宜大面積放坡，考慮到施工工期較緊及開挖施工的方便，采用雙排樁進行支護。雙排樁支護結構如圖1～3所示。

3 計算模型

3.1 基本假定及有限元模型

采用空間三維模型，模型水平方向長度、豎直方向長度及厚度分別為50、30、4.2m。考慮到接觸面計算的收斂性，按剛度相等原則將圓形樁截面轉換為矩形截面；采用總應力分析土壓力，不考慮地下水滲流影響；放坡考慮為超載，按25KPa均布荷載取值；接觸計算選用罰函數法。采用實體單元C3D8R，節點數9728，單元數8029。有限元網格見圖4、圖5。邊界條件為：底部豎向（Z）固定，前后水平向（X）固定，左右不平向（Y）固定。

圖1 支護結構剖面圖

圖2 雙排支護樁位平面布置圖

圖3 雙排樁間土加固平面布置圖

3.2 材料模型與計算方法

混凝土采用彈性本構模型，粉噴樁及土體采用Druck－Prager本構模型，采用相關流動法則，材料參數見表1。計算基于ABAQUS平臺STANDARD模塊，為提高計算收斂速度，對材料局部軟化區采用人工阻尼干預。

圖4 計算域有限元網格

3.3 計算步驟及分析說明

1）創建靜力分析，對整個模型施加重力，該分析結束時提取應力；

2）創建Geo分析，此分析將第1步提取得的應力與＊initial conditions給出的初始應力場平衡；

圖5 支護樁及冠梁有限元網格

3）支護體系施工模擬；

4）在未開挖側施加25kPa的均布壓力來模擬放坡；

5）采用單元生死命令＊Model change來模擬開挖，開挖2m；

6）采用單元生死命令＊Model change來模擬開挖，開挖至基底。

4 計算結果分析

表1 材料計算參數

4.1 樁身位移

圖6為前排樁樁身位移曲線數值模擬結果與實際監測結果的對比，由圖6可知，數值模擬結果跟實際監測結果較為相近，且樁身14m以下彎曲很小，主要表現為平移，前排樁樁身位移在離樁頂6m范圍內趨于平均，這是由于后排樁對前排樁的拉結作用限制了前排樁樁頂位移的進一步發展所致。圖7為后排樁樁身位移曲線數值模擬結果與實際監測結果的對比，由圖7可知，后排樁的樁身位移較前排樁樁身位移要小，在13m以下彎曲跟前排樁相差不大，都表現為剛體位移。

圖6 前排樁樁身位移曲線

圖7 后排樁樁身位移曲線

4.2 樁身彎矩

圖8為前排樁樁身彎矩曲線，圖9為后排樁樁身彎矩曲線。由圖8、圖9可知，前后排樁均受到交變應力的作用，樁身范圍內都有反彎點出現，前排樁正、負彎矩最大值分別為576kN·m、－407kN·m，與樁頂距離分別為12.7m與4.0m，彎矩零點有2個，距樁頂分別約為9m與20m；后排樁正、負彎矩最大值分別為449kN·m、－472kN·m，分別距樁頂約為12.7m與2.96m，后排樁只有1個彎矩零點，距樁頂約為8.0m。

4.3 樁頂水平位移

住宅區采用的是懸臂式排樁支護結構，基坑開挖過程中分別對住宅區的懸臂式排樁及酒店區的雙排樁進行了樁頂位移監測，圖10為開挖過程中雙排樁樁頂水平位移數值模擬結果、雙排樁樁頂水平位移實際監測結果及懸臂式單排樁樁頂水平位移監測結果的對比，由圖10可知，開挖6m時，雙排樁的樁頂水平位移僅為1.7cm，而懸臂時排樁的樁頂水平位移已達4.6cm，為相同開挖深度雙排樁的2.7倍，由此說明雙排樁的剛度較大，在控制變形方面較單排樁優勢明顯；雙排樁開挖至7.4m期間，樁頂水平位移變化較緩，7.4m以后位移急劇增大，由1.8cm增大到5.4cm。

圖8 前排樁樁身彎矩曲線

圖9 后排樁身彎矩曲線

4.4 土體水平位移與等效塑性應變

圖11為開挖至基底后土體水平位移云圖。由圖11可知，土體水平位移隨著深度的加深逐漸增大，最大值為5cm，與圖10中雙排樁樁頂水平位移基本一致，說明雙排樁與土體之間協同作用良好。圖12為等效塑性應變云圖。由圖12可知，地層塑性區域主要集中在坡頂與坑底處，沒有形成貫通面，支護結構安全。

圖10 開挖過程中樁頂位移變化曲線

圖11 地層水平位移云圖

圖12 土體等效塑性應變

5 結語

從監測結果與數值模擬的結果對比來看，雙排樁側向剛度大，抗滑移性能好，在控制基坑變形方面效果良好。雙排樁前后樁側移相近，樁身變形主要由開挖面以下未嵌固段轉角引起的剛性位移所致。雙排樁的撓曲變形隨著開挖深度的增加增大，其反彎點有向下移動的趨勢。目前該項目已順利完工，基坑施工對周邊建筑與道路沒有造成不利影響，該項目的成功實踐對雙排樁支護結構在荊州城區的應用提供了借鑒。考慮到問題的復雜性，筆者沒有考慮冠梁的作用及空間下的樁土效應，這些內容有待以后進一步研究。

［1］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）：58～66，29.

［2］陸培毅，楊靖，韓麗君 .雙排樁尺寸效應的有限元分析 ［J］.天津大學學報，2006，39（8）：963～967.

［3］崔宏環，張立群，趙國景 .深基坑開挖中雙排樁支護的的三維有限元模擬 ［J］.巖土力學，2006，27（4）：662～666.

［4］張秀成，王義重，傅旭東 .深基坑雙排樁支護結構三維數值計算與應用 ［J］.武漢大學學報（工學版），2010，43（2）：227～231，238.

［5］Ou C Y，Chiou D C，Wu T S.Three－dimesional finite element analysis of deep exvavations ［J］.Journal of Geotechnical Engineering，1996，8（4）：337～345.

［6］DB42／T159－2012，基坑工程技術規程 ［S］.

［7］易佳 .荊州南國城市廣場基坑支護設計 ［Z］.湖北華迪工程勘察院，2014.