雙排樁復合錨固支護體系的數理模擬分析研究

李更杰

（遼寧省沈陽市昌圖縣八面城水利站，遼寧 昌圖 112500）

0 引言

工程施工離不開支護體系的結構支持、維護和保障，其實構成工程施工操作重要的技術，并與施工效率、質量和操作安全有著緊密的聯系，下文將重點對雙排樁復合錨固支護體系的功效特點開展有有針對性的數理模擬分析。

1 復合錨固雙排樁支護體系的結構特點

雙排樁復合支護體系是在單排樁支護體系的技術基礎上發展起來的復合支護技術，其是由平行的兩排鋼筋混凝土樁結構與混凝土樁頂連梁結構共同構架的空間支護結構體系。雙排樁復合錨固支護體系是近年來工程應用比較多的一種新型雙排樁復合支護型式，是門架式雙排樁支護體系與錨固結構的復合運用，適合在一些有較大深度基坑支護，或者地質條件較差的工程施工中應用。雙排樁復合錨固支護體系結構，具體見圖1。

圖1 復合錨固雙排樁支護體系圖

復合錨固雙排樁支護體系的結構特點：

（1）適合在較大深度基坑開展支護應用，通常其勝任支護深度可在15 m以上；

（2）在基坑深度等同的條件下，雙排樁復合錨固支護體系較連續地下墻支護體系的應用造價更低廉；

（3）相對于支撐支護體系，錨固樁支護體系結構的基坑內場地占用范圍更簡省，這更加方便于基坑土方開挖和基坑部的工程施工，有助于縮短工程工期。

2 基于不同結構方案的復合功效比對分析

分別采用舊式純雙排樁支護體系、無預應力施加錨固復合支護體系以及施加預應力錨固復合支護體系分別實施模擬計算，以分析樁體水平位移、土體位移以及彎矩的變化規律。

（1）基于不同支護體系的x向土體位移規律

土體x向位移有限元數理模擬計算結果顯示，采用原舊式雙排樁復合支護體系時，基坑土體在x方向發生4.9 cm位移量，位移發生部位在樁頂區域；采用雙排樁施加無預應力錨固復合支護體系，基坑土體發生x方向最大位移量2.3 cm，位移發生部位在錨點附近區域；采用雙排樁施加預應力錨固復合支護體系，當施加180 kN預應力給錨固時，基坑土體發生x方向最大位移量1.5 cm，位移發生部位在基坑坑底區域。

相對于原舊式雙排樁復合支護體系，雙排樁復合錨固支護體系可以顯著降低基坑土體的水平位移，其無預應力錨固復合支護的土體位移降幅53.40%，有180kN預應力錨固復合支護的土體位移降幅33.98%。由于錨固的錨拉作用，三種支護體系下，發生基坑土體最大位移部位在逐漸下移，顯示最大內力向跨中逐漸移動的狀態。此外我們還發現，不同支護狀態下，基坑土體位移范圍分布亦不同，顯示無預應力錨固時的影響范圍相對小，有預應力錨固作用時影響范圍相對增大。

（2）基于不同支護體系的Z向土體位移規律

土體Z向位移有限元數理模擬計算結果顯示，土體在基坑外呈現整體下降趨勢，土體在基坑內表現為隆起狀態，這與基坑工程的實際土體變化形態相一致。基坑外部的支護樁近邊土體發生的沉降量通常很小，表明雙排樁較好地約束了土體的位移變化。當選用雙排樁無錨固復合支護體系時，基坑外土體一定范圍內呈現離側壁越遠則沉降越大的狀態，在距外坑壁50 cm～100 cm范圍內發生最大沉降沉降值通常在2.26 cm左右，這是由于土體與排樁間存在粘結摩擦作用所致。當選用雙排樁錨固施加預應力復合支護體系時，基坑外側的土體Z向位移基本零值，即沒有隆起或凹陷發生，表明錨桿的抗拉拔預應力作用，把土體很好地約束在一定范圍內。

在三種支護體系中，基坑的底部土體均呈現隆起狀態，越遠離基坑壁，這個隆起值越大，其最大隆起值可達8.31 cm，無論采用錨桿與否，它們的隆起范圍和幅度大小大致等同。坑底土體發生隆起的原因通常包括兩方面：一是坑外土體存在塑性流動，它們向基坑內部滑移，形成橫向擠壓應力，致坑底土體隆起；二是坑內土體釋放自重應力，推動坑底土體發生向上回彈。

（3）三種不同支護形式的雙排樁位移及彎矩變化

采用原舊式雙排樁時，發生最大水平位移前排樁為4.9 cm，后排樁為4.8 cm，并且它們都發生于樁頂區域，呈懸臂受力特性。表明在基坑存在較大深度時，懸臂式雙排樁復合支護體系的側移限制功能有限；當采用無錨固預應力復合支護體系時，發生最大水平位移前排樁為2.23 cm，后排樁為1.88 cm。前排樁頂位移量1.76 cm，降幅53.80%，后樁頂位移量1.76 cm，降幅61.24%。曲線趨勢為最大位移發生于錨點處，而樁頂處位移發生幅度顯著減小，錨樁結構的應力反應特征明顯；當采用錨固施加180 kN預應力復合支護體系時，發生最大水平向位移，前排樁移動值為1.4 cm，后排樁移動值為5.1 cm。前排樁最大移動值發生在距基坑頂64 cm區域，后排樁最大移動值發生在距基坑頂70 cm區域。前后排樁的最大位移和樁頂位移均呈快速降低態，降低幅度相對明顯。

雙排樁復合支護體系增加錨固后，前后排樁的受力特點發生了改變。前排樁頂彎矩由初值的-221.45 kN·m演變為終值的-189 kN·m，后排樁頂彎矩由初值-697 kN·m演變為終值的-198.7 kN·m，顯示錨固的錨固力改變了冠梁以及前后排樁的受力特點。冠梁以后來的傳遞軸力取代最初的傳遞彎矩。不同的3種支護方案下，樁彎矩在后排變化最大，最大正彎矩由初值478.6 kN·m變為178 kN·m，直至89.6 kN·m；最大負彎矩由初值-697.2 kN·m變為-356.4 kN·m直至-198.7 kN·m。有無錨固和是否施加錨固預應力，對后排樁的應力影響更為顯著。

3 雙排樁錨固支護體系的模擬計算

（1）錨固長度對支護體系功效的影響

在前排樁的冠梁處架設錨固點，錨固預應力取值180 kN，錨長度分別取為：190 cm、150 cm、120 cm、90 cm和50 cm。對應錨長計算樁位移，結果顯示，排樁水平位移在50 cm錨桿長度時始終較大，平均位移約在在5 cm左右，呈懸臂構件特征，于樁頂發生最大位移。最大排樁水平位移在90 cm錨桿長度時顯著下降，前樁下降值2.6 cm，后排樁下降值為2.5 cm，降幅均達到50%左右，曲線趨勢顯著改變，應力特征為有錨固支護特征，當長度取150 cm以及取190 cm時，最大位移開始基本保持不變，意味錨長達到一定值后，位移約束力開始變得有限，因此在實際設計應用中，不能單純依靠以錨桿長度來控制位移。

對應錨長計算彎矩，結果顯示，在＜120 cm的錨桿長度，隨錨固桿的長度增加，無論支護體系的前排樁還是后排樁，其正負彎矩在這個范圍呈現降低趨勢。而當錨桿長度一旦＞120 cm以后，這種變化趨勢就越發變得不很明顯。

（2）錨固應力對支護功效的影響

在雙排樁復合錨固支護結構中，支護結構和基坑的內應力變化受到錨固預應力的顯著影。對應施加錨應力的樁位移計算。結果顯示，錨應力施加取值120 kN時，其水平最大位移：前樁為1.58 cm，后樁為1.22 cm，樁頂水平位移：前樁為0.82 cm，后樁為0.82 cm；錨應力180 kN，最大水平位移：前樁為1.42 cm，后樁為1.04 cm，樁頂水平位移：前樁為0.52 cm，后樁為0.52 cm。總體狀態看，位移隨著預應力增加而對應不斷減少。這其中，水平位移的幅度變化相對較大區域是地面下深度60 cm～90 cm的范圍內。但這個深度如果繼續增加，樁體水平向位移變化的幅度立即變得不明顯。

對應錨應力的排樁彎矩計算，計算結果表明，錨固應力取值120 kN時，最大正彎矩：前樁265.3 kN·m，后樁110.5 kN·m；最大負彎矩：前樁 -517.6 kN·m，后樁 -249.3 kN·m；錨固應力取值180 kN時，最大正彎矩：前樁237.8 kN·m，后樁 89.7 kN·m；最大負彎矩：前樁 -512.4 kN·m，后樁-240.9 kN·m。

（3）對應錨點位置的支護功效影響

其他各條件不變，錨固無施加預應力，錨點設于地面下-40 cm、-56 cm和-72 cm處，對應錨點位置的樁位移計算，結果顯示，設置錨點于地面-40 cm時，最大水平向位移：前樁2.2 cm，后樁1.9 cm，樁頂水平位移：前樁為1.76 cm，后樁為1.76 cm；設置錨點于地面-72 cm時，最大水平位移：前樁為2.31 cm，后樁為2.16 cm，樁頂水平位移：前樁2.07 cm，后樁2.06 cm。位移隨錨點位置下移均發生一定程度增大，并且這個增大趨勢是后排樁較前排樁明顯。

基于不同錨點位置模擬計算所得樁彎矩變化，如果錨點設置位置逐漸降低，最大負彎矩：前樁由-542 kN·m逐漸減少為-476 kN·m，降幅達12.2%；后排樁由-352 kN·m逐漸增大到-467 kN·m，增加幅度達32.7%。綜合看來，雙排樁復合錨固支護中，在冠梁設置錨點，其約束效果相對更好，錨點在冠梁設置，其抗拉拔功效更能得到發揮，對形變約束要更為有效。雙排樁復合支護體系中以增加多排錨桿來約束形變的作用效果并不理想，雙排樁復合支護體系的形變約束，重點應在第一排錨桿，冠梁處設置錨點約束效果明顯。表明在雙排樁復合支護體系中以增加多排錨桿來約束形變的作用效果并不理想，雙排樁復合支護體系的形變約束，重點應在第一排錨桿，冠梁處設置錨點約束效果明顯。

4 結語

本文以有限元數理模擬分析的方式，對雙排樁復合錨固支護體系的功效特點開展有有針對性的數理模擬分析，得出的主要認識和結論是：

1）雙排樁復合支護體系相對更應力均衡，此結構的最大位移通常于樁頂以下20 cm～40 cm區間發生，彎矩最大值無論正值還是負值在前排樁始終比較接近。但在后排樁這里，懸臂構件受力特征顯著，存在較大受力差異，并且最大位移多在樁頂處發生。

2）雙排樁復合錨固支護中，在冠梁設置錨點，其約束效果相對更好，錨點在冠梁設置，其抗拉拔功效更能得到發揮，對形變約束要更為有效。雙排樁復合支護體系中以增加多排錨桿來約束形變的作用效果并不理想，雙排樁復合支護體系的形變約束，重點應在第一排錨桿，冠梁處設置錨點約束效果明顯。