三排樁支護結(jié)構(gòu)力學(xué)特性與計算方法研究

田忠青　沈保根

摘 要： 雙排樁結(jié)構(gòu)已經(jīng)逐漸廣泛地應(yīng)用于深基坑工程支護中，但三排樁結(jié)構(gòu)應(yīng)用仍較少，設(shè)計計算時尚無明確的規(guī)范可依、無成熟的經(jīng)驗供參考，給工程設(shè)計和工程建設(shè)帶來了諸多困難。依托某市區(qū)航道整治工程中采用的新型三排樁圍護結(jié)構(gòu)，結(jié)合基于反演計算參數(shù)得到的三排樁有限元計算結(jié)果，以及三排樁結(jié)構(gòu)受力變形機理的探討分析，研究提出了更符合工程實際的改進理正三排樁計算模型，并對該改進計算模型的土壓力分配、前中后排樁土彈簧m值、樁前岸坡的作用方法等進行了探討，以為高深岸坡工程中三排樁支護結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：三排樁；雙排樁；設(shè)計；計算方法

中圖分類號：U443.15 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2016）09-0073-03

在對沿河城市原有航道進行整治和擴建的施工過程中，會面臨鄰近高層建筑的河道深基坑與河岸高邊坡等開挖施工帶來的眾多不可避免的安全與穩(wěn)定問題。市區(qū)運河工程周邊環(huán)境復(fù)雜，臨近密集的高層建筑群，受到嚴格的場地限制，于是適應(yīng)性強、剛度大且受力變形合理的多排樁支護阻滑結(jié)構(gòu)得到了較多的應(yīng)用。但是目前國內(nèi)外關(guān)于雙排樁支護結(jié)構(gòu)的支護理論和設(shè)計計算方法尚未有成熟統(tǒng)一的認識，關(guān)于三排樁的受力變形機理與設(shè)計計算方法的研究成果則更是幾乎空白。因此探討岸坡工程中三排樁支護結(jié)構(gòu)的受力變形機理與合理設(shè)計計算模型，對指導(dǎo)實際的工程設(shè)計與建設(shè)有著重要的意義和價值。

由于三排樁支護結(jié)構(gòu)設(shè)計無規(guī)范可依，缺乏工程實踐經(jīng)驗，方案設(shè)計與結(jié)構(gòu)抗傾覆驗算時，通常采用不能考慮中間一排樁有利作用的保守設(shè)計方法。設(shè)置三排樁實際上縮短了排樁的間距，增強了三排樁結(jié)構(gòu)整體剛度與空間組合效應(yīng)，同時影響了樁間土拱效應(yīng)。因此本文結(jié)合工程實際，針對三排樁圍護結(jié)構(gòu)高深岸坡工程中普通三排樁圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算模型和樁前三角岸坡有利作用等效方法兩個方面進行研究，提出更符合實際的修正三排樁計算模型，為高深岸坡工程中三排樁支護結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計提供參考。

1 工程概況

某運河工程位于長江三角洲河網(wǎng)地區(qū)，連接長江與太湖，橫跨安徽、江蘇、上海兩省一市，全長296公里。該運河城區(qū)段長約4.3公里，河槽底寬20～25m。因河段斷面較窄，為滿足限制性III級航道寬度要求，對河道進行擴挖，南岸的防洪墻采取退建。該段上跨多條重要橋梁，防洪墻退建距最近一處高層建筑僅約15米，基坑安全等級及周邊環(huán)境等級均為一級，地基復(fù)雜程度為復(fù)雜，基坑監(jiān)測等級為一級。

2 常用的雙排樁計算模型

本文主要借鑒學(xué)者們關(guān)于雙排樁結(jié)構(gòu)的研究成果開展研究工作，常用的雙排樁設(shè)計計算模型主要包括修正系數(shù)模型，等效抗彎剛度模型，土體積比例系數(shù)模型，理正雙排樁模型，平面桿系有限元模型以及基坑支護規(guī)范模型。以下主要總結(jié)目前最為常用的理正雙排樁模型。

2.1 理正雙排樁模型特點

理正雙排樁模型是基于經(jīng)典土壓力理論與文克爾假定的計算模型，考慮了冠梁的變形協(xié)調(diào)作用以及排距對前后排樁土壓力分布的影響，計算簡便，概念清晰。樁排距越大，后排樁承受的主動土壓力越小，最后便成為拉錨式的雙排樁。但是，理正模型未考慮前樁-土-后樁的相互作用以及冠梁的空間效應(yīng)，且當樁嵌固深度較淺時，樁底會發(fā)生一定的水平位移而非固定不動。

本文參考工程設(shè)計常用的雙排樁計算模型，采用平面桿系結(jié)構(gòu)彈性支點法分析三排樁結(jié)構(gòu)的變形與內(nèi)力，即采用豎向放置的彈性地基梁模擬三排樁圍護結(jié)構(gòu)，支撐和錨桿簡化為彈性支座，基坑開挖面以下的土體采用彈簧模擬，基坑外側(cè)土壓力與水壓力作為荷載施加在結(jié)構(gòu)上。工程設(shè)計常用的雙排樁計算模型包括理正模型與新規(guī)范模型，目前均只能用于雙排樁結(jié)構(gòu)計算，并未能計算三排樁結(jié)構(gòu)。因此本節(jié)結(jié)合基于荷載結(jié)構(gòu)模型的平面桿系彈性支點法，對此兩種模型進行簡單推廣后，采用同濟曙光有限元正分析軟件的桿系結(jié)構(gòu)模型計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形。

2.2 計算結(jié)果分析

為分析模型計算結(jié)果的準確性與合理性，由理正模型與有限元模型計算結(jié)果的對比分析可知：

推廣理正模型位移計算結(jié)果（7.38mm）與有限元模型（10.52mm）相比略小，內(nèi)力計算結(jié)果較大。理正模型計算主動土壓力荷載時，未考慮樁間水泥攪拌樁加固土的有利作用，采用了未加固前的土層參數(shù)；其次理正模型是基于荷載結(jié)構(gòu)法計算樁基內(nèi)力的，將支護結(jié)構(gòu)與土層分開來考慮，支護結(jié)構(gòu)是承載土體，巖土層作為荷載與彈性支撐，未能考慮樁土間的相互作用，而有限單元法的計算理論是基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)原理的地層結(jié)構(gòu)法，將支護結(jié)構(gòu)與土層視為一體，共同承受岸坡開挖導(dǎo)致的不平衡土壓力。因此理正模型內(nèi)力計算結(jié)果比有限元模型大；

位移較小的原因在于中后排樁內(nèi)側(cè)彈簧剛度采用經(jīng)驗公式計算會導(dǎo)致約束較為嚴格，采用對地彈簧模擬會夸大樁間土反力作用，但是兩者相差不大，并且理正模型各排樁樁身變形曲線與有限元結(jié)果是相符，可以對理正模型進行調(diào)整使其計算結(jié)果與有限元結(jié)果更加吻合，并更加適用于工程設(shè)計。

3 三排樁修正計算模型的探討

理正雙排樁模型簡單推廣后計算得到樁身變形曲線與有限元結(jié)果較為相符，內(nèi)力值較大，一定程度上適用于工程設(shè)計，但是變形計算結(jié)果仍不太理想。對于環(huán)境條件復(fù)雜的基坑工程，其設(shè)計已由傳統(tǒng)的強度控制轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃慰刂芠7]，若在進行岸坡工程三排樁設(shè)計時，采用簡單推廣的理正模型必然會得到較為不安全結(jié)果。因此本文在三排樁理正模型基礎(chǔ)上進行研究和改進，根據(jù)依托工程的特點、有限元模型的受力模式以及計算經(jīng)驗，對土壓力分配、前中后排樁土彈簧m值與樁前岸坡的作用方法等進行調(diào)整，以探討更為合理的、更符合實際的岸坡工程設(shè)計計算的三排樁修正計算模型。

3.1 土壓力計算調(diào)整

通過有限元模型中樁土間的接觸面單元的正應(yīng)力直觀反映出側(cè)向土壓力，以此研究有限元模型前、中、后排樁的受力規(guī)律。通過分析前排樁基坑外側(cè)側(cè)向土壓力值與理論土壓力值對比可知：①理正模型在計算主動土壓力大小時，為使計算結(jié)果偏于安全，不考慮采用水泥攪拌樁加固淤泥質(zhì)粘土層后土壓力的變化，采用原土層參數(shù)計算主動土壓力，會導(dǎo)致該土層區(qū)域三排樁結(jié)構(gòu)受到的土壓力比有限元模型大；②三排樁樁間水泥攪拌樁加固深度達到硬土層，理正模型在三排樁結(jié)構(gòu)土壓力分配時未能考慮樁間加固土的剛度；③有限元結(jié)果表明，中后排樁內(nèi)力曲線圖一致，中排樁內(nèi)力值比后排樁稍大，表明在前中排排距與中后排排距相等情況下，兩個受力機理與位移變形規(guī)律相似，且區(qū)別于前排樁；理正模型將主動土壓力按滑裂土體體積比例分配到前中排樁上，會導(dǎo)致中后排樁的受力模式不一致。

綜上，本節(jié)對土壓力做以下調(diào)整：①前排樁承受所有主動土壓力，開挖面以上采用主動土壓力荷載，開挖面以下采用矩形土壓力荷載（分層土則采用分段的矩形荷載）；中后排樁僅作用地面超載引起的側(cè)向土壓力荷載，內(nèi)側(cè)采用土彈簧模擬土抗力；②對前排樁所受主動土壓力進行折減，以此考慮樁間攪拌樁的有利作用，折減系數(shù)為坑底有限元土壓力與理論土壓力比值，因此當樁排距為4m時，折減系數(shù)為100/136=0.74。

經(jīng)過土壓力分配調(diào)整后，中后排樁受力曲線一致且與有限元計算結(jié)果相符，但前排樁彎矩尤其負彎矩（坑外彎矩）有明顯增加；前排樁樁身最大水平位移為6.89mm，但各排樁樁頂水平位移僅有2mm左右，與有限元計算的樁身變形曲線有所不同，原因在于：模擬中后排樁受到的土抗力采用了對地彈簧，當前后排樁樁排距較小時，約束較為嚴格，造成土層剛度過大則位移偏小，因此仍需對土彈簧的計算進行調(diào)整。

3.2 土彈簧計算調(diào)整

調(diào)整土彈簧主要從兩個方面考慮，包括前排樁樁前岸坡作用方式以及中后排樁內(nèi)側(cè)彈簧的剛度調(diào)整。

（1）樁前岸坡作用方式調(diào)整

樁前被動區(qū)土體為三角形岸坡，原理正模型考慮方法是將岸坡開挖深度折減1/3岸坡高度的簡化方法，但是由于不同岸坡斜率對于三排樁結(jié)構(gòu)的土抗力明顯不同，當斜率越小時，岸坡越接近水平，土抗力應(yīng)該越大；而當斜率越大時，土抗力應(yīng)該越小，最終失去岸坡的支撐，因此本節(jié)考慮通過設(shè)置m值經(jīng)過折減的土彈簧模擬岸坡的抗力作用。經(jīng)過試算，前排樁岸坡處土彈簧地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m的折減系數(shù)取值為0.2。

（2）中后排樁內(nèi)側(cè)彈簧剛度調(diào)整

當樁排距較小時，樁間土與各排樁的相互作用較大，此時采用經(jīng)驗公式計算彈簧剛度會導(dǎo)致約束較為苛刻，并且樁上部岸坡高度范圍內(nèi)的約束應(yīng)當更小，為體現(xiàn)隨樁間距減少樁間土體抗力減弱的特性，結(jié)合有限元計算結(jié)果，經(jīng)過多次試算，得到不同樁排距時中后排樁內(nèi)側(cè)彈簧剛度的折減系數(shù)如表1所示。

4 合理的三排樁修正計算模型

綜合對理正雙排樁模型的簡單推廣與計算調(diào)整結(jié)果，采用以上土壓力與土彈簧調(diào)整后得到適用于岸坡土方卸載工程的合理的三排樁修正計算模型，稱為“三排樁修正模型”，以此對工程設(shè)計斷面進行計算分析，計算模型如圖1所示。

三排樁修正模型與有限元模型計算結(jié)果對比如表2所示，可知：

（1） 采用三排樁修正模型計算岸坡工程三排樁結(jié)構(gòu)得到樁身變形結(jié)果與有限元計算結(jié)果略大，從位移為零處至位移最大點，兩種方法得到前排樁變形曲線是一致的，但采用三排樁修正模型得到樁頂處位移值較小，由于連梁與中后排樁的牽引作用導(dǎo)致變形曲線有拐點，計算結(jié)果表明三排樁修正模型適用于變形控制的設(shè)計方法；

（2） 當三排樁最大側(cè)移值相符時，分析前排樁最大彎矩與最大剪力兩個重要的設(shè)計值發(fā)現(xiàn)，采用三排樁修正計算模型得到的彎矩值比采用有限元計算結(jié)果相差不大，表明三排樁修正計算模型適用于強度控制的設(shè)計方法。

5 結(jié)論

本文采用常用的雙排樁計算模型進行初步的分析計算，規(guī)范三排樁模型計算得到的變形與內(nèi)力較有限元模型大得多，與實際不符。理正三排樁模型計算得到的變形值較有限元模型偏小，內(nèi)力計算結(jié)果偏大，但變化趨勢一致，更符合實際受力模式。基于理正雙排樁模型，調(diào)整樁前岸坡作用方式、土壓力計算與分配以及中后排樁內(nèi)側(cè)彈簧剛度后，得到了三排樁修正計算模型，計算得到的樁身側(cè)移與樁身最大內(nèi)力結(jié)果與有限元模型一致，計算模型簡單，適用于高深岸坡工程的三排樁支護結(jié)構(gòu)設(shè)計，為高深岸坡工程中三排樁支護結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計計算分析提供參考。

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