雙排樁支護體系變形與受力特征分析

胡文廣

(昆明營造工程設計有限公司，云南昆明 650000)

雙排樁支護體系變形與受力特征分析

胡文廣

(昆明營造工程設計有限公司，云南昆明 650000)

采用數(shù)值分析的方法，探討了雙排樁支護體系在不同參數(shù)下的變形及受力特征，并計算分析了開挖深度、樁間土壓縮模量、樁間距、排距等對雙排樁的影響，有利于促進雙排樁設計與施工的合理性。

雙排樁，支護體系，彎矩，樁間土

0 引言

雙排樁支護體系由前、后兩排灌注樁、樁頂冠梁及其間設置的剛架梁組成，是一種側(cè)向剛度較大的自立式圍護結(jié)構(gòu)體系。在基坑、深水岸坡、防波堤等工程中得到了廣泛的應用。

雙排樁支護體系的研究主要集中在以下幾個方面:

1)樁側(cè)土壓力作用機理及計算方法的研究［1］;

2)雙排樁支護體系計算模型的對比分析［4］;

3)基坑開挖過程中的樁身變形及受力性狀的研究;

4)雙排樁支護體系數(shù)值分析及實測數(shù)據(jù)對比研究等。

目前，對于雙排樁支護體系，其在實際工程中的應用已較普遍。但關(guān)于前排、后排樁身各自所承受的土壓力，雙排樁支護體系的變形特性及受力機理這幾個方面的研究仍存有一定的爭議，故有必要對這幾個方面進行深入探討和研究。使得雙排樁設計方法更趨于完善。從而保證其在實際工程中的應用更為安全經(jīng)濟合理。

1 雙排樁支護體系計算模型

圖1為JGJ 120—2012建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程所推薦的雙排樁支護體系計算模型。其中，迎坑面一側(cè)樁稱為前排樁，迎土面一側(cè)樁稱為后排樁。

該計算模型適用于前、后排樁根數(shù)相等的情況。前、后排樁根數(shù)不同時，由于樁間土與樁處于分離狀態(tài)，不能將前、后排樁與樁間土整體考慮，樁間土對樁側(cè)的壓力以及雙排樁嵌固深度也不應按照《規(guī)程》推薦的方法確定。

該支護體系計算模型的受力特征體現(xiàn)在如下兩點:

1)前、后排樁的變形和受力，樁間土的變形按僅受壓的彈性連桿來模擬。

2)通過對前、后排樁樁間土對樁側(cè)初始壓力的計算，考慮了滑移面的存在使得樁間土作用在前、后排樁體上的土壓力的差異。

2 計算模型的建立

本文以武漢地區(qū)多個工程實例為基礎，結(jié)合《規(guī)程》中雙排樁支護設計的一般要求，簡化出一個具有代表性的基本算例。計算參數(shù)如下:基坑挖深12.0 m，插入深度12.0 m。前、后排樁徑1.0 m，樁間距1.5 m，排距3.0 m。樁頂冠梁、剛架梁的截面尺寸為1 000 mm×800 mm。灌注樁、樁頂冠梁、剛架梁的混凝土強度為C30，彈性模量E=30 GPa，泊松比為0.2，重度為25 kN/m3。

按單一土層計算主動土壓力值pa，采用水土合算的方法。以粉質(zhì)粘土為例，土體重度γ=18.5 kN/m3，粘聚力c=22 kPa，內(nèi)摩擦角φ=10°，壓縮模量Es=8 MPa，基坑內(nèi)側(cè)土的水平反力系數(shù)的比例系數(shù)m=3.2 MN/m4，水平反力系數(shù)kH的最大值為其比例系數(shù)m的5倍，即kH=16 MN/m3。

雙排樁外側(cè)主動土壓力按照水土分算原則計算，計算模型示意圖如圖2所示。

圖1 雙排樁支護體系計算模型

圖2 計算模型示意圖

3 計算結(jié)果分析

樁身變形、彎矩與開挖深度之間的關(guān)系。本文計算了開挖深度H為2 m～12 m之間共5個工況下，雙排樁支護體系水平位移和彎矩的變化情況。

圖3前排樁變形曲線

圖4后排樁變形曲線

圖3，圖4分別為前、后排樁的變形曲線。H為基坑開挖深度。

由圖3，圖4可知:1)隨基坑開挖深度增大，雙排樁水平側(cè)移逐漸增大，位移最大值發(fā)生在樁頂。開挖至坑底時，雙排樁樁頂側(cè)移為70.85 mm。2)樁身位移自上而下逐漸減小，樁端位移最小。相同深度的前排樁位移小于后排樁。當開挖至坑底時，前、后排樁樁端位移最大值分別為2.9 mm和16.5 mm。3)雙排樁支護體系中，連梁剛度較大，相當于一根水平剛性連桿。因此，不同開挖深度的前、后排樁的樁頂位移幾乎相等。

圖5，圖6分別為前、后排樁的彎矩圖。H為基坑開挖深度。

由圖5，圖6可知:

1)開挖深度越大，前、后排樁的彎矩值越大。開挖至坑底時，前排樁彎矩最值分別為1 096 kN·m和－1 822 kN·m;后排樁彎矩最值分別為701 kN·m和－371 kN·m。

圖5 不同開挖深度的前排樁彎矩

圖6 不同開挖深度的后排樁彎矩

2)開挖深度較淺時，前排樁的正彎矩大于負彎矩;開挖深度較深，前排樁的正彎矩小于負彎矩絕對值。

3)開挖深度較淺時，后排樁的正彎矩小于負彎矩;開挖深度較深時，后排樁的正彎矩大于負彎矩。

4)開挖深度增大，前、后排樁反彎點位置逐漸下移，反彎點位置約在基坑開挖面以上1 m～2 m。

4 樁間土加固的影響

雙排樁樁間土起著協(xié)調(diào)變形、傳遞前、后排樁受力的作用。實際工程中經(jīng)常采用樁間土壓密注漿等方式進行土體加固，以控制雙排樁的變形。

考慮加固土壓縮模量Es提高為原狀土的1倍～4倍，分析雙排樁變形和受力特性及規(guī)律。

4.1 對雙排樁變形的影響

如圖7所示為雙排樁樁頂及樁端水平位移隨加固土壓縮模量變化的曲線。

由圖7可知，樁間土壓縮模量增大4倍，樁頂位移減小幅度可達到14%，同時，后排樁樁端位移減小幅度可達到67%。

圖7 加固土對樁變形的影響曲線

4.2 對雙排樁彎矩的影響

如圖8所示為前、后排樁正、負彎矩最大值隨加固土壓縮模量Es變化的曲線。

由圖8可知，隨樁間土壓縮模量Es增大，前排樁正、負彎矩的絕對值均逐漸減小。其中，前排樁正彎矩減小幅度可達到20%;負彎矩減小幅度可達到17%。

隨樁間土壓縮模量Es增大，后排樁正、負彎矩的絕對值均逐漸增大。其中，后排樁正彎矩增幅可達到17%;負彎矩增幅可達到100%。

圖8 加固土對雙排樁彎矩的影響

5 排距的影響

為分析雙排樁排距sy變化對樁身彎矩的影響，分別取sy= (2～6)d(d為樁徑，1.0 m)進行模擬計算。

表1 樁排距變化對雙排樁的影響

由表1中數(shù)據(jù)可知:

1)隨樁排距sy增大，樁頂位移逐漸增加。樁排距sy在(2～6)d之間變化時，樁頂位移從68.62 mm增大至73.63 mm，后者較前者增大約7%。

2)隨樁排距sy增大，前排樁正、負彎矩均增大;后排樁正彎矩小幅增大，而負彎矩明顯減小。

6 結(jié)語

1)雙排樁支護體系的最大側(cè)移發(fā)生在樁頂位置，樁身側(cè)移自上而下逐漸減小，樁端位移最小。相同深度的前排樁位移小于后排樁，開挖過程中的樁間土體受擠壓作用明顯。

2)增大雙排樁排距，將使前排樁受力增大，而后排樁受力減小。

3)樁間土加固能夠改善雙排樁支護體系的變形及受力狀態(tài)。樁間土壓縮模量增大，樁頂及后排樁水平側(cè)移明顯減小。

4)增大雙排樁排距，改變排樁受力狀態(tài)，并且使得樁頂位移增大。

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

［2］ 鄭 剛，李 欣，劉 暢.考慮樁土相互作用的雙排樁分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)學報，2004，25(1):99-106.

［3］ 游 強，游 猛.深層攪拌樁與雙排樁在基坑支護中的應用研究［J］.建筑技術(shù)，2014，45(9):850-852.

［4］ 郝 哲，張 穎，尹亮亮.軟土深基坑開挖過程的三維模擬［J］.沈陽大學學報(自然科學版)，2015，27(1):49-55.

On deformation and stress features of double-row pile support system

Hu Wenguang
(Kunming Construction Engineering Design Co.，Ltd，Kunming 650000，China)

The paper explores the method of numeric analysis，explores the deformation and stressed features under various parameter in the double-row pile system，and calculates the excavation depth，condensed model of soil pressure among piles，pile distance，and influence of row distance on the double-row pile，so as to enhance the design and construction of the double-row pile to be more reasonable.

double-row pile，support system，bending moment，soil among piles

TU473

A

1009-6825(2016)35-0089-02

2016-09-27

胡文廣(1983-)，男，工程師