基于MIDAS/GTS雙排樁支護結構三維有限元模擬

萬晉軍

（安徽省淮南市排灌總站淮南232000）

基于MIDAS/GTS雙排樁支護結構三維有限元模擬

萬晉軍

（安徽省淮南市排灌總站淮南232000）

基于鳳臺縣菱角湖排澇站基坑的工程背景，使用通用有限元分析軟件Midas/GTS研究分析雙排樁支護的力學特性，對比分析前后排樁間距不同、后排樁加預應力錨索和后排樁加集中力三種情況的結果。研究表明：排距增加將減小樁身的位移，加錨索和加集中力對樁體的側向位移和前排樁的彎矩影響較小，不加錨索時后排樁的彎矩較小。

深基坑 雙排樁 三維有限元 有限元模型

1引言

水利工程地下結構發展較快，在工程位置和施工條件受約束的前提下對于基坑支護的要求越來越高。在近年來基坑支護的發展中，一種新的支護結構——雙排樁，開始廣泛運用在基坑支護領域。雙排樁是由兩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。這種結構側向剛度較大，對于基坑圍護結構的位移有較大的限制作用，因而采用雙排樁的基坑深度比一般采用懸臂式圍護結構的基坑深度要深。雙排樁在結構上類似于嵌入土中的門式框架，因此在施工時沒有必要設置內支撐。相較于內撐式與懸臂式圍護結構，具有受力條件好、施工方便的優點。

2工程概況與計算模型

2.1 工程概況

淮南市鳳臺縣菱角湖電力排澇站基坑開挖深度為17.8m，西南側為淮北大堤（S102），東南側為城防堤（農水西路），另兩側為空曠場地，整個基坑為切入淮北大堤和城防堤的交叉處的四邊形。由于淮北大堤是一類堤防，若采用樁錨支護結構，錨桿或錨索會打入堤壩基礎，這是不允許的；由于場地狹小，不允許使用放坡。統合考慮內支撐和雙排樁支護時，基坑面積較大（約140m×200m），若全部采用內支撐，效果劣于雙排樁支護，所以在基坑的西南面和東南面采用雙排樁支護，角部采用角撐支護，見圖1。

2.2 土層物理力學參數

選取本基坑場地內的代表性的鉆孔zk7（見圖1）作為計算的依據，鉆孔內的土層主要分為5層，由上至下分別為砂質粘性土（1）、砂質粘性土（2）、全風化片麻巖、強風化片麻巖、中風化片麻巖。各層土的物理力學參數見表1。

圖1 基坑支護平面布置圖

表1 各層土的物理力學參數表

表2 各材料的參數取值表

2.3 支護結構參數的選擇

在本基坑中，雙排樁的樁身材料采用C25混凝土，冠梁材料采用C30混凝土，樁頂嵌入冠梁中100mm，各材料的參數如表2所示。

表3 不同排距的計算結果表

2.4 有限元模型

Midas/GTS是為了能夠完成對巖土及隧道結構的結構分析與設計而開發的“巖土隧道結構專用有限元分析軟件”。Midas/GTS與其他巖土隧道分析軟件相比有其自身的特點，它不僅是通用的分析軟件，而且包含了巖土和隧道工程領域最近發展技術的專業程序，具有應力分析、滲流分析、應力—滲流耦合分析、動力分析、邊坡穩定分析、襯砌分析等多種分析功能，提供了包括靜力分析、施工階段分析、穩定流分析、非穩定流分析、特征值分析、時程分析、反應譜分析、固結分析等功能。

該基坑的雙排樁支護使用大型有限元軟件Midas/GTS進行模擬分析，計算的模型選取一個寬度為8.0m的單元。

2.4.1 土體模型

在本基坑土體使用Mohr-Coulumb彈塑性模型和Mohr -Coulumb破壞準則。各層土的厚度及物理力學參數如表1所示。

2.4.2 雙排樁模型

雙排樁模型使用彈性本構，樁體使用梁單元，冠梁使用實體單元，冠梁與樁體耦合，樁體與土體的接觸使用同一結點，不考慮地下水的作用。

2.4.3 邊界條件

模型在模擬開挖過程與實際的相同，坑深為17.8m，邊界條件包括：非開挖側為水平約束，開挖側與底部為豎向約束。

3結果分析

由于雙排樁支護形式是在基坑開挖前就施工排樁，向下開挖基坑土體的過程中不需要加撐或加錨，所以在使用有限元軟件模擬施工時可以將工況模擬為一步開挖到底。在前后排樁的樁徑、前排樁間距、后排樁間距及嵌固深度都相同的情況（見表2），分析對比三種不同情況的計算結構。

3.1 前后排樁間距不同

計算時其他參數不變，使用2.4D（2.8m），4D（4.8m），5D（6.0m）三種不同的排距，具體的計算結果如表3所示。

分析可知，前后排樁間距較小時（2.4D），雙排樁的側向位移較大，樁身的彎矩較小，可知雙排樁形成的整體的剛度較小；當排距增大，側向位移增大，而前后排樁的彎矩相應地減小，可知排距增大使得雙排樁形成的整體的剛度變大。

3.2 后排樁加錨索

通過在后排樁中預留孔洞，后排樁的樁體施工完成后在預留的孔洞內施工錨索，達到約束后排樁側向位移的目的，分析結果（見表4）顯示，后排樁加錨索用以約束樁體位移的效果并不明顯，加了錨索后的后排樁彎矩增大。

3.3 后排樁加集中力（500kPa）

通過在后排樁頂施加集中力，用以約束樁頂的側向位移（見圖2）。計算結果顯示，加集中力后的樁體側向位移、前后排樁的樁身彎矩與加錨索的結果較為接近。

表4 加錨索和加集中力的計算結果表

圖2 加集中力的樁體側向位移圖

4結論

（1）排距較小時樁體的側向位移較大，樁身彎矩較小；增加排距會減小樁身的側向位移，樁身的彎矩增大；當排距較大時（≥4D），樁身的彎矩變化較小。

（2）通過在后排樁增加錨索用以約束樁體位移的效果不明顯，但增加錨索后排樁的彎矩增大。

（3）通過在后排樁增加集中力用以約束樁體位移的效果不明顯，樁身位移和樁身彎矩與增加錨索的效果接近