双排桩支护结构有限元模拟及优化设计分析

庄心善，田蓓蕾，宋 磊

（湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉430068）

双排桩是一种空间门架式结构，它由桩顶冠梁和平行的两排钢筋混凝土桩所组成.从结构上分析，双排桩支护如同嵌入土中的门式框架，与单排悬臂结构、内撑式支护结构相比，它具有侧向位移小、刚度大、施工简便、不用设置内支撑、挡土结构地受力条件好等优点.由于它特有的这些优点，使其维护深度比一般悬臂式支护结构要深，因此在工程中得到了广泛的应用［1－3］.

深基坑和支护结构的相互作用是一个随时间变化的时变系统，考虑施工过程对工程影响是很有必要的［4］.因而，本文运用大型通用有限元软件FLAC 3D建立三维模型，以某一实际工程为基础，模拟基坑开挖的全过程，进而分析双排桩支护结构的工作机理，并对其进行优化分析.

1 工程概况和计算模型

1.1 工程概况

某高层建筑地面以上18层，地下建有大型停车场，基坑工程较为庞大.其基坑邻近城市主干道，地下管线交错，北侧紧邻一个学校，东侧紧邻一大型住宅小区，周围环境较为复杂.周边建筑物距该基坑边缘最小距离约为15.6m，其他的建筑物距该基坑的一般距离为20m左右.

根据勘察的结果可知，该基坑的土层属于长江冲积的一级阶地二元结构地层，该地层特点是颗粒粒径由上至下从细变粗，力学性质随深度增加而变好，比较适合作为高层建筑物的桩基持力层.

本基坑的开挖深度为10.2～10.6m，基坑竖向支护方案：基坑支护结构选用直径为1.0m的双排钻孔灌注桩，防渗帷幕选用双排搅拌桩.基坑内外的地下水用双层搅拌桩来隔断.所以此次模拟不考虑地下水的影响.模拟选取角撑、对撑作为内支撑主要采用形式，支撑构件均采用钢筋混凝土梁，这样就减少支撑杆件的数量以及土方的挖运，方便施工作业.

1.2 计算模型及参数

1.2.1 计算模型 基坑平面几何形状不规则，土体的计算区域选取100m×100m的正方形区域，网格划分采用梯度单元形式，土层厚度按开挖标高及土层分界面来划分.边界条件用模型底部x、y、z三个方向的位移约束来定义，限制其它面的外法向位移，取上表面为自由面.基坑建模完成后，网格划分模型图（图1）.

图1 网格划分模型图

1.2.2 计算参数 该基坑的本构模型选用摩尔－库伦模型（Mohr－Coulomb Model），基坑坑底假定为固定约束，不发生转动［5－6］.由于深层搅拌桩的防渗止水作用，阻隔了地下水，所以基坑内外土体不考虑流体的作用以及流固耦合的作用.基坑开挖涉及到5个土层，其支护结构上土体的土层参数如下表1所示.双排钻孔灌注桩的主筋采用均匀圆周布置，主筋选用2430HRB335，保护层厚度取45mm，箍筋取螺旋状，取值为8＠200，定位钢筋取值16＠2000.内支撑的材料参数如表2所示.

表1 基坑工程的土层分布情况

表2 基坑支撑杆件设计参数 mm

2 计算结果分析及参数优化

2.1 计算结构分析

运用FLAC 3D对基坑开挖进行数值模拟时，数值模拟必须按照真实的基坑开挖步骤来进行，其分析过程包含初始应力计算、支护结构的施工以及土体的开挖等.按照SOLVE elastic的方法求解开挖前的初始应力，经计算得到初始平衡状态的土体模型（图2）.化曲线和沉降量变化曲线如图3、图4所示.通过工地现场实测数据，画出水平位移与沉降量变化曲线如图5、图6所示.

图2 处于初始平衡状态的土体模型

在初始应力的计算完成后，将钻孔灌注桩置换成Pile单元，冠梁置换成Shell单元继续模拟.下一步模拟基坑开挖的过程，选用FLAC3D中的null model命令，取null model来替换开挖部分的 Mohr－Coulomb Model，使土体中出现空部分，进而完成基坑开挖的模拟.本基坑划分为4步开挖，step1、step2、step3和step4分别模拟开挖至地表以下3 m、5m、8m和10m，每一步开挖都计算出基坑内的位移变形情况，得出数值模拟的基坑的水平位移变

图6 实测的沉降量变化曲线

将水平位移变化曲线和沉降量变化曲线通过FLAC3D计算出的模拟值与工地监测的实测值进行对比，可总结出：

1）支护结构的桩顶端的水平位移随着基坑深度的加大而不断增加，位移的增大速率以及位移的大小沿基坑坑壁四周位置不同而有不同改变；

2）沉降值随着开挖深度地增加而不增加，尤其在基坑中部十分明显，其基坑坑底部中心的沉降值远大于基坑边缘处沉降值.

总的看来，由数值模拟分析和现场监测的结果，可总结出地表沉降量与支护结构的水平位移在基坑边缘处都远小于基坑中部，二者的最大值都产生在基坑中部，即基坑的位移变形具有空间效应.

对于双排桩支护结构，在基坑开挖前，运用FLAC3D进行数值模拟，分析桩体结构的刚度、入土深度、桩长以及桩间距等参数对基坑变形的影响，选取较为合理的取值，从而可以达到优化基坑支护结构设计的效果.

2.2 参数优化

为了更好地控制基坑的变形量，选取排桩间距、排桩的桩长作为变量参数，运用FLAC 3D进行数值模拟.由于双排桩与桩间土的共同作用会受到前后桩间距的影响，它对于控制基坑变形尤为重要，因此前后桩间距过小或过大均会对双排桩空间协调变形性能产生不利的影响［7］.以排桩间距为参数变量，假定双排桩支护结构的其它条件均不变，间距L取值为1d、2d、3d、4d、5d（d为桩径大小）.以桩径为基准进行变化，对基坑在不同间距条件下的变形进行计算.前后排桩位移变化曲线如图7、图8所示.

图7 前排桩位移变化曲线图

图8 后排桩位移变化曲线图

根据前排桩和后排桩的位移变化曲线趋可知，前排桩的水平位移要大于后排桩的水平位移，且最大位移处在桩顶.前后排桩的位移量最小的排桩间距L取值范围是（2～4）d，最适合基坑变形控制的要求.

确定排桩间距的取值为2d后，再将前后排桩的桩长为参数变量进行分析研究：

1）假定后排桩长保持定值，前排桩长分别取20.0m、18.0m、16.0m以及14.0m 来进行模拟，其变形值如图9、图10所示.

从图9、图10可知，在后排桩桩长为定值时，前排桩桩长的改变引起了前、后排桩侧向水平位移量的变化，其对基坑的变形控制起着重要作用.

2）假定前排桩长保持定值，后排桩长分别取16.5m，15.5m，14.5m，13.5m，12.5m，11.5m，10.5m来进行模拟，其变形值如图11、图12所示.

对以上两种假定情况所产生的变形值进行比较后，得出将后排桩的桩长选为参数所产生的前、后排桩的侧向水平位移比将前排桩的桩长作为参数时要小，并且在基坑顶部和底部位置处，桩身的水平位移随着桩长的变化急剧减小.

结合以上两种分析情况，改变前排桩桩长比改变后排桩桩长对基坑变形控制更为有效.

3 结论

FLAC 3D数值模拟软件可以较好地模拟出深基坑开挖的整个过程，并计算出在深基坑开挖过程中支护结构的位移变形.其模拟的变形值与现场实测的数据基本吻合，可将其作为预测深基坑变形控制的方法在实际工程中运用.在双排桩支护结构的工程实例中，以排桩间距、桩长作为变量参数，运用FLAC3D数值模拟软件对不同情况分别进行模拟，得出对于基坑变形控制较为合理的参数取值范围.

1）双排桩的排桩间距直接影响其空间协调变形性能，过大或者过小的排桩间距都不利于发挥其最优性能，应选取适中的排桩间距值，约在（2～4）d范围之内，以达到最好的作用效果.

2）前排桩的桩长改变导致排桩侧向水平位移改变幅度比后排桩大，其位移变形值在距桩底端约1／3桩长的范围内，随着后排桩桩长的减小而增大，而在距排桩桩顶端约2／3桩长的范围内，则随着后排桩桩长的减小而减小.

［1］龚晓南，高有潮.深基坑工程设计施工手册［M］.北京中国建筑工业出版社，1998：187－188.

［2］董必昌，邱红胜.双排桩对边坡稳定影响分析的仿真研究［J］.武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2007，31（3）：502－505.

［3］杨 敏，卢俊义.上海地区深基坑周围地面沉降特点及预测研究［J］.同济大学学报（自然科学版），2010，38（2）：194－199.

［4］陆新征，宋二祥，吉林.某特深基坑考虑支护结构与土体共同作用的三维有限元分析［J］.岩土工程学报，2003，24（4）：488－491.

［5］刘继国，曾亚武.FLAC3D在深基坑开挖与支护数值模拟中的应用［J］.岩土力学，2006，27（3）：505－508.

［6］彭文斌.FLAC3D实用教程［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［7］秦四清，万林海，汤天鹏.深基坑工程优化设计［M］.北京：地震出版社，1998：142－143.