雙排樁支護結構的數值模擬分析

李 力

(武漢地產開發投資集團有限公司，武漢 430022)

基坑支護工程是一項復雜的綜合工程，雖然屬于臨時性工程，但是其技術復雜性卻難于一般永久性的上部結構，稍有疏忽就可能導致基坑垮塌，造成人員傷亡。為保證深基坑施工安全、周圍環境不受到損害、基坑周邊建(構)筑物的安全以及地下主體結構施工所需要的足夠空間，應該采取合理的支護結構形式[1]。隨著現代工程的發展需要，基坑的發展也帶來了許多變化，基坑支護工程的圍護結構也變得多元化。支護結構的設計使用年限應不小于1年[2]。其中雙排樁門架式支護形式是一種較為理想的支護方式[3]。雙排樁門架式支護結構可以在不設置內支撐的條件下，依然發揮出其空間效應，并且能與樁間土協同作用，來平衡因基坑開挖所引起的內力，從而保持基坑邊坡的穩定，良好的控制位移，達到施工與環境相協調的目標[4]。

1 FLAC計算模型的建立

FLAC是一種可以完成拉格朗日分析的顯示有限差分程序，其全稱是：Fast Lagrangian Analysis of Continua，是美國的Itasca公司開發和研究的力學分析軟件。FLAC計算軟件分為2D和3D兩個版本，FLAC3D作為FLAC2D的升級版，是將平面問題向三維空間問題轉化的方法，可用于模擬分析巖石、土質和其他材料的三維力學特性。

1.1 工程概況

該基坑周長約568.0 m，面積約19 000.0 m2。建筑物層次：地上4～49層、地下2～3層。各土層力學參數詳見表1。

工程采用相對標高，相對標高±0.00=22.65 m。基坑開挖深度-12.70～-20.40 m,樁頂放坡2.5 m,坡比1∶1.0。支護樁采用鉆孔灌注樁φ1 000@1 400，L=24 m，自然地面標高為-2.250 m，樁頂位于-4.75 m；雙排樁樁身、樁頂冠梁及斜支撐均采用C30等級混凝土，冠梁為1 200 mm×800 mm，支撐設置在樁頂冠梁上，尺寸為600 mm×800 mm，彈性模量為30 GPa，其水平剛度系數為30 000 kN/m。

表1 土層物理力學參數

1.2 計算模型的基本參數

FLAC3D中提供了11種本構模型。土體的粘聚力和內摩擦角的取值詳見表1，抗拉強度均假設為零。樁體以及土體單元均采用實體單元，樁單元、連梁及土體均視為線彈性體，并在連梁與土體的交界面插入一無厚度的接觸面，即屈服條件采用摩爾—庫倫屈服準則的“interface”單元。土體的剪切模量G和體積模量K的計算公式如下

(1)

(2)

其中,E為土體的彈性模量;υ為土體的泊松比。各土層的彈性模量和泊松比由勘察單位現場試驗數據所得，土層的體積模量K和剪切模量G計算結果見表2。

表2 土層K、G取值

1.3 計算模型簡介

在基本參數和假定下，此模型結合工程實際情況進行單元網格劃分，前、后排樁均采用實體單元建模，前、后樁排距3 m，樁間距1.5 m，樁徑1 m，嵌固深度16 m，模型尺寸長48 m，高40 m，寬1.5 m(即樁間距)，以前排樁樁頂為坐標原點，模型共計11 736個單元，單樁模型864個單元。模型建立后，通過FLAC3D數值模擬得到雙排樁的水平位移圖。

由圖1可以知道，模型當中最大的位移處于前排樁樁頂，樁頂部的位移為50.59 mm，相當于實測值的1.7倍，樁底部分位移趨近于零，樁身位移的分布曲線與土體的位移趨勢基本相同，符合實際情況。在樁身不破損的情況下，可采用公式(3)～式(5)計算樁身彎矩。

(3)

(4)

Δε=ε+-ε-

(5)

式中，σ+、σ-分別是在同一截面的拉、壓應力，Pa；ε+、ε-分別表示在同一截面的拉、壓應變；EI表示樁的抗彎剛度，N·m2；b0表示在同一截面測點距離，m。彎矩如圖2所示。

從圖2中可知，前、后排樁均為坑底以上迎土面受拉，坑底以下挖土面受拉，隨著土體的加深，前后排樁的彎矩中，后排樁最大彎矩值大于前排樁最大彎矩值，樁頂彎矩存在突變，可能是由于連梁的應力集中帶來的變化，反彎點位置在樁身10 m左右，雙排樁樁身彎矩趨勢呈“S”型，符合實際情況。

2 連梁剛度對結果影響分析

實際工程中，連梁寬度部分通常采用整板澆筑，因此通過改變連梁的高度達到改變其剛度的目的。保持連梁的寬度1 200 mm不變，高度范圍在600～1 200 mm之間，得到彎矩圖及位移圖。

改變連梁高度得到彎矩和位移曲線見圖3、圖4，由圖可知，改變連梁剛度，在剛度較小時，前排樁樁頂位移大于后排樁樁頂位移，且差距較大，后排樁最大彎矩大于前排樁；逐漸增加連梁剛度，前排樁的最大位移急劇減小，最大彎矩平穩降低，后排樁最大位移減小效果不如前排樁，最大彎矩逐漸增大。適當的增大連梁的剛度，雙排樁門架式支護結構的空間協調能力能得到提升，然而隨著連梁剛度的增大，雖然使得樁體變形越來越小，但是也導致了后排樁彎矩的增大，因此，不能為達到減少變形的目的過于增大連梁的剛度。采用增加連梁剛度的效果并不是特別實用，實際設計過程中，應該適量增大連梁剛度，使得位移在控制范圍內，且樁身的內力能保持盡量小。

3 結 論

a.運用FLAC數值模擬軟件對該工程進行模擬計算，土拱作用效應比較明顯，雙排樁樁身彎矩趨勢呈“S”型，符合實際情況，因此建立的計算模型是比較合理的。

b.適當地增大連梁的剛度，雙排樁門架式支護結構的空間協調能力能得到提升，然而隨著連梁剛度的增大，雖然使得樁體變形越來越小，但是也導致了后排樁彎矩的增大，因此，不能為達到減少變形的目的過于增大連梁的剛度。在設計過程中，在控制變形的情況下使樁身所受內力最小，達到經濟安全的目標。

[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(4)：58-67.

[2] 余志成，施文華.深基坑護坡樁技術的幾項新發展[J].建筑技術，1994，21(5)：272-279.

[3] 應宏偉，初振環,等.雙排樁支護結構的計算方法研究及工程應用[J].巖土力學，2007，28(6)：1145-1150.

[4] 徐 凱，李俊才,等．雙排樁支護結構在基坑支護中的應用研究[J].建筑科學，2013，1(4)：80-84.