深基坑雙排樁支護結構抗震設計及工程應用

(中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071)

1 概述

隨著基坑工程的不斷發展，支護形式從最早的放坡開挖到懸臂式支護結構、內撐式支護結構、土釘墻支護結構等等。雙排樁支護結構在近幾年工程中也得到廣泛應用，它是在地基土中設置2排平行樁，前后2排樁樁體成矩形或梅花型布置，在樁頂用剛性冠梁將2排樁連接，沿坑壁平行方向，形成門字形空間結構。由于雙排樁支護結構具有較大的側向剛度，可有效限制支護結構的側向變形，場地條件限制小，其支護深度比一般的懸臂式結構要大。因此，在施工場地周邊環境受到限制或對變形有嚴格要求的深基坑工程中，雙排樁支護結構有更加明顯的支護效果。

關于雙排樁支護結構的設計理論雖然已有較多的探索，但動力計算的研究幾乎沒有，參照擋土墻結構的地震相關計算方法，或將地震作用轉化為靜力作用在雙排鉆孔灌注樁結構上，由于雙排鉆孔灌注樁結構受力條件比較復雜，上述假定的地震分析存在理論和計算方法的不足，分析結果可能存在偏差。為了確保地震作用下設計的可靠性，有必要進行非線性地震時程分析，以獲得可靠的計算成果進行設計。

本文通過實際工程為例子，截取典型斷面，建立有限元模型，采用動力彈塑性時程分析方法，將結構作為彈塑性振動體系加以分析，直接按照地震波數據輸入地面運動，通過對時間的積分運算，求得在地震作用下各時刻結構內力和變形發展的全過程，較好解決了工程設計中雙排樁支護結構的地震分析計算問題，為類似工程的結構設計提供了借鑒。

2 工程實例

2.1 工程概況

本工程位于加勒比海南岸，是委內瑞拉目前最大的火力發電廠。原取水渠道寬40 m，深10 m。本期工程的取水渠道為原渠道的延長段，將原有取水渠道直接延長72 m。此段施工完成后將與原取水渠道連接。渠道中為海水，有強腐蝕性。本期新建渠道東北側與原取水渠道連接，其余側均鄰廠區道路，道路側為本期新建的構筑物，整個廠區場地狹窄，建筑布置緊湊。

委內瑞拉中央電廠現場實景圖及總平面布置圖見圖1和圖2。

圖1 委內瑞拉中央電廠實景圖

圖2 委內瑞拉中央電廠總平面布置圖

2.2 工程地質條件、水文地質條件及場地地震效應

場地屬海岸平原地貌，其原始地面緩緩傾向大海。根據勘察結果，本場地地基巖土層由上而下分述如下：

土層1 (雜填土)：主要成分為建筑垃圾(主要為混凝土塊、廢鐵和廢鋼筋)、塊石、碎石、粉細砂和粘性土，局部以大塊石為主，根據鉆孔巖芯推斷，部分塊石粒徑達1.50 m左右，結構較松散。該層普遍分布于場地表層，層厚變化較大，一般層厚0.60～9.50 m。

土層2 (粉砂)：含多量貝殼碎屑和白云母碎片，見少量腐爛植物碎屑，局部含少量卵、礫石和珊瑚礁，具微水平層理。該層分布較為普遍，分布厚度相對較大，一般層厚1.00～14.10 m。

土層3 (粉土)：局部或相變為粉質粘土，或相變為粉砂。該層飽和、中密。一般層厚1.00～13.90 m。

土層4 (強風化泥質砂巖)：巖石風化強烈，風化程度不均，局部呈砂狀、土狀，節理裂隙十分發育，節理裂隙面光滑。巖芯呈柱狀、餅狀、碎塊狀。

場地地下水主要為埋藏于上部粉砂層中的孔隙潛水，水位變化幅度較小，勘測期間一般水位埋深2.00 m左右，水量較為豐富。場地北距加勒比海較近，地下水與海水具一定的水力聯系。該層地下水主要接受大氣降水、地表水和側向徑流補給，給大氣蒸發和向大海方向的側向徑流為主要排泄方式。

工程場地抗震設防烈度為8度，設計地震有效峰值加速度0.30 g。場地土類別為中軟土、中硬土和軟質巖石；建筑場地類別為Ⅱ類(S3級)。場地內分布的土層2 (粉砂)和土層3 (粉土)在地震作用下，絕大部分具有液化的可能，其液化等級以嚴重為主，中等次之，僅個別為輕微。

2.3 取水渠雙排樁支護結構抗震設計方案

取水渠結構采用雙排鉆孔灌注樁進行支護。灌注樁直徑800mm，C35混凝土，長26 m，前排樁間距為1.0 m，后排樁間距為1.0 m，前后排樁間距為7.0 m，樁頂設置有截面為1.6 m×1.2 m的冠梁，前、后排樁樁間設有截面為0.8 m×1.2 m的連梁，連梁間距為2.0 m。為使取水渠道有更好的止水效果，在第一排灌注樁的外側用高壓旋噴樁(直徑650mm一排，搭接170mm)作為截水帷幕。

委內瑞拉中央電廠取水渠道采用雙排鉆孔灌注樁支護作為非臨時性結構的設計方案，在工程應用中尚屬首次。為了確保地震工況下設計的可靠性，利用大型通用軟件對雙排樁支護結構進行地震時程分析。取水渠道結構布置平面圖見圖3。

圖3 取水渠道結構布置平面

圖4 取水渠道計算簡圖

3 基坑支護結構抗震設計

3.1 計算要點

采用動力彈塑性時程分析方法，將結構作為彈塑性振動體系加以分析。計算取水渠道結構的抗震性能，通過分析在多遇地震、設防地震及罕遇地震下取水渠道雙排灌注樁、連梁的內力、位移，高壓旋噴樁的內力、位移及塑性變形，土體的應力及塑性變形，確認結構是否滿足設防水準的要求，并根據以上計算分析結果，針對結構薄弱部位和薄弱構件提出相應的加強措施。

3.2 計算模型和邊界條件

模型以工程實例為基礎，將工程實例加以簡化，以獲得計算模型。本次計算截取典型渠道段進行分析。典型渠道段為取水渠的主渠道，渠道部分結構見圖4。沿渠道長度方向，由于兩根灌注樁之間的中平面可以近似認為是渠道的對稱面，可以按準平面應變問題進行簡化。取水渠道長度方向為模型x軸，渠道寬度方向為模型y軸，豎向為模型z軸。模型x軸方向尺寸為3 m，y軸方向尺寸為600 m (為渠道寬度的15倍)，z軸方向尺寸為30 m。灌注樁樁長取為23 m，高壓旋噴樁樁長取13.4 m，各土層厚度按設計資料取值。

整體計算模型見圖5，根據準平面問題的簡化要求，限制x方向的位移，即令x=－1.5 m及x=1.5 m的邊界x方向的位移ux=0。y方向的邊界約束y方向的位移，即令y=－300 m及y=300 m的邊界y方向的位移uy=0。模型底部邊界條件在靜力分析時設為固定，及令z=0 m的邊界x、y、z方向的位移均為0，在動力時程分析時，y方向位移約束被解除，施加加速度邊界條件。

圖5 典型渠道段整體計算模型

渠道支護結構見圖6，支護結構由灌注樁、冠梁、連梁、高壓旋噴樁(止水帷幕)與擋土墻構成。

圖6 典型渠道段支護結構

擋土墻底部節點與對應冠梁節點位移耦合，擋土墻與土接觸的部分與對應土體節點位移耦合。灌注樁、高壓旋噴樁則整體嵌入到相應土體單元中。

3.3 材料模型與參數確定

工程主要涉及三類基本材料, 即鋼筋混凝土(灌注樁、冠梁、連梁和擋土墻)、水泥土(高壓旋噴樁)和土體。工程中的灌注樁、連梁、冠梁與擋土墻采用鋼筋混凝土材料，且混凝土標號均為C35。為簡化計算，設置為線彈性材料。計算中選取擴展的Drucker－Prager模型來模擬土體。土層的參數取值可依據巖土工程勘測報告，并參考類似工程的經驗，來確定合理的土層參數。對液化土層的模擬主要采用強度折減法(降低c、φ值)進行簡化處理。高壓旋噴樁墻可視為土體被加固，按加固后的土體取值。跟土體一樣選用擴展的Drucker－Prager模型來等效模擬。

各類材料具體的計算參數見表1和表2。

表1 材料參數

表2 土體原參數

3.4 計算工況與荷載

計算分為靜力計算工況和動力計算工況兩部分。靜力分析時對渠道的開挖以及最后的供水過程進行模擬，主要荷載有自重、水土相互作用、渠道內水壓力。動力分析時，在渠底施加加速度邊界，增加了地震慣性力的作用。

3.5 主要計算結果

靜力分析時，提取不同開挖深度和低水位運行時前后排灌注樁、連梁和旋噴樁的內力、位移。動力時程分析時，分別計算輸入Elcentro波和人工波的結果，提取內力、位移絕對值的峰值，并取其平均值，最后繪制內力和位移的曲線圖。

典型渠道段靜、動力計算結果具體數據見表3～表6。

表3 典型渠道段后排樁最大靜、動內力與位移

表4 典型渠道段前排樁最大靜、動內力與位移

表5 典型渠道段連梁最大靜、動內力

表6 典型渠道段高壓旋噴樁單位寬度最大靜、動內力與位移

通過對取水渠道典型段的靜、動力計算結果比較和分析，得出的結論如下：

(1)地震作用下，灌注樁的位移和加速度從樁底向樁頂增大，剪力峰值和彎矩峰值的最大值大多出現在樁頂，軸力峰值具有樁身中部大、樁頂和樁底小的特點。前后排灌注樁的內力峰值出現在樁頂、土層分界以及開挖到渠底－10 m深度。

(2)靜力分析時，前排樁軸力、剪力與位移最大值比后排樁大，彎矩最大值比后排樁小。在地震作用下，后排樁動剪力峰值、動彎矩峰值的最大值一般比前排樁大，但兩排樁的動位移峰值最大值接近，滿足允許的變形要求。

(3)在地震作用下，連梁剪力和彎矩峰值的最大值一般都發生在靠近后排樁的截面上。

(4)高壓旋噴樁在地震作用下，其內力峰值出現在樁頂、樁底和土層分界處。加速度和位移峰值出現在樁頂。

(5)土體在靜力和地震作用下，渠道土體塑性區沒有形成滑動面，因此土體處于穩定狀態，也表明灌注樁、連梁、冠梁所構成的體系有效地加固了土體。

(6)根據以上計算結果分析，在設防地震和罕遇地震條件下，灌注樁在樁頂區域內剪力和彎矩大于設計值，連梁在后排樁區域內剪力和彎矩超過設計值，需要考慮在此區域采取局部增強措施，適當增加后排冠梁高度，以保證結構滿足抗震要求。高壓旋噴樁在靜力和多遇地震作用下不會出現塑性區，但在設防地震或罕遇地震作用下樁頂區域會產生塑性區，較易損壞，應考慮局部進行適當加強。

4 小結

利用動力彈塑性時程分析方法對深基坑雙排樁支護結構進行地震作用模擬計算，直觀地反映各個時刻地震作用引起的結構響應，包括變形、應力、塑性變形等，通過對結構進行彈塑性時程分析，可以得到在地震作用下結構的非線性全過程反應及破壞機制，從而找到其中可能存在的薄弱部位，為及時加固和合理選擇加固方案提供理論依據，以采取切實有效的抗震措施。本文用工程實例，通過模擬計算給出了深基坑雙排樁支護結構地震作用模擬計算的結果，計算結果表明高烈度地震區域采用雙排樁結構技術方案合理可靠，結構抗震安全，為同類工程結構設計提供借鑒。