双排桩支护结构空间受力敏感性研究

刘冠男 许春虎

(1.浙江淳溪水利工程设计咨询有限公司，浙江杭州 310016;2.浙江省钱塘江管理局勘测设计院，浙江杭州 310016)

1 概述

双排桩是近年来兴起的一种新的深基坑支护结构，具有侧向刚度大、施工方便、稳定性好、围护深度远比一般支护结构要深等优点［1］。应宏伟等［2］通过数值模拟研究了双排桩基坑的变形和土压力分布规律;崔宏环等［3］则采用空间有限元法研究了悬臂式支护结构的内力、变形以及与土的相互作用机理;吴刚等［4］分析并计算了冠梁对双排桩支护结构的变形协调作用，考虑了滑移面和排距对作用在前后排桩上的土压力的影响，在弹性地基梁的基础上，提出了双排桩支护结构的计算模型;平扬等［5］根据结构力学原理，考虑了排桩、圈梁、联系梁空间协同作用，提出了一种规则基坑悬臂双排桩支护结构的计算方法;俞建霖等［6］采用平面有限元法研究了悬臂式双排桩支护结构的工作机制和性状。由于双排桩的受力机理复杂，其计算方法和设计理论尚不成熟。

本文在前人研究的基础上基于有限元法，依托青岛某基坑开挖工程，运用有限元程序ANSYS建立三维模型对双排桩支护结构的参数进行了敏感性分析，为工程实践提供参考。

2 工程地质条件

某基坑开挖工程位于青岛市市南区南京路南端东侧，凯旋大厦与时代广场之间。工程场地地形相对平坦、地貌形态单一，均为第四系全新统形成的海岸阶地，表层受人工改造，主要土层由上而下依次为:①-1素填土层;②-1细砂;③-1碎石;④-1强风化花岗岩;⑤-1中风化花岗岩;⑥-1微风化花岗岩。如表1所示为各土层物理力学指标。

表1 各土层物理力学指标

3 数值模拟结果分析

3.1 数值计算模型

本文采用有限元软件ANSYS，建立三维有限元模型，采用弹性板模型模拟双排支护桩桩体，墙体和地基土层及连梁均采用八节点实体单元模拟，前排桩前和后排桩后均设置接触单元。由于正方形基坑属于对称图形，故本文建立的基坑模型只取其1/4部分，既避免了不必要的工作量，又能满足分析内容的要求。有限元模型计算简图如图1所示。

图1 有限元模型简图

3.2 本构模型及计算参数

有限元计算中，双排桩桩体采用线弹性模型，地基土体和墙体本构模型选用Drucker-Prager模型，Drucker-Prager屈服条件为:

其中，I1(σij)为应力张量第一不变量;I2(Sij)为应力偏量第二不变量。

表2为有限元计算中地基土体及板桩墙计算参数。

表2 土体计算参数

4 双排桩敏感性分析

为了研究不同因素对双排桩支护结构空间受力特性的影响，对双排桩参数进行了敏感性分析，本文主要考虑的影响因素有开挖深度、排距等。

4.1 开挖深度对桩身位移和弯矩的影响分析

图2给出了排距为4 m时不同开挖深度前后排桩身位移和弯矩曲线图，取距角点20 m截面处的数据进行分析，从图2中可以看出虽然每一步的开挖深度相同，但桩身位移和弯矩的增量却并不相同，前排桩大于后排桩并呈逐渐增大的趋势，且弯矩的峰值逐渐增大并且其位置逐渐向下移动。

4.2 排距对冠梁位移的影响分析

图3给出了不同排间距情况下前后排冠梁位移曲线图，对比图3中的3张图可以看出，当排距为2 m时，后排桩的冠梁向基坑内的位移稍大于前排桩。因此，可以判断出此时的连梁处于受压状态。当排距为4 m时，前排桩位移开始大于后排桩位移，此时连梁处于受拉状态。当排距为8 m时，前后排冠梁的位移差继续增大，连梁的内力逐渐增大。随着排距的增大，前后冠梁向基坑内侧位移逐渐减小。从三张曲线图综合分析可知，冠梁的空间效应是非常明显的，因此在支护设计时应该考虑该效应的影响。

图2 不同开挖深度前后排桩桩身位移及弯矩曲线

图3 不同排距前后排冠梁位移曲线图

4.3 排距对桩身位移及弯矩影响分析

图4～图6分别为排距为2 m，4 m和8 m时前后排桩位移及弯矩曲线图，从图4a)的桩身位移曲线可以看出:当排距为2 m时，前后排桩的位移变化趋势基本一致。桩身的最大位移发生在桩顶，为6.7 cm，整体桩身位移类似于单排桩，桩—土之间的相互作用效果不明显。前、后排桩的桩顶均有嵌固的特征，尤其是前排桩，这是由于刚性连梁的存在限制了前、后排桩桩顶向基坑内倾斜的转角所致。在接近桩底的位置可以看出前排桩底向基坑外侧的位移大于后排桩，基坑底面的部分桩间土已经开始传递土压力。

从图4b)的弯矩曲线看出:前、后排桩身均存在交变弯矩，桩顶处有较大的负弯矩。前排桩弯矩反弯点的位置要低于后排桩反弯点的位置，约在基坑底面以下1 m～2 m处。前排桩顶负弯矩绝对值小于后排桩顶负弯矩绝对值且位置也不相同。前排桩负弯矩的最大值位于桩顶以下约4 m处，后排桩则位于桩顶。在基坑底面以下前排桩的最大正弯矩值要略大于后排桩。

图4 排距2 m前后排桩位移及弯矩曲线

排距为4 m时桩身位移和弯矩曲线如图5所示，相较于图4，桩顶向基坑内的侧移量明显减小，最大值仍位于桩顶处为4.1 cm。从弯矩图上可以看出:前后排桩桩顶处的弯矩差的绝对值减小，前排桩的桩顶负弯矩有减小的趋势，但是减小速率要小于后排桩。前排桩桩身弯矩的正负弯矩均增大，后排桩桩顶负弯矩有增大的趋势，而正弯矩减小。从变化趋势可以推出前排桩承担的桩后土压力增大，而后排桩承担的土压力减小，从而导致桩身弯矩发生如上变化。

图5 排距4 m前后排桩位移及弯矩曲线

当排距为8 m时，桩身的位移和弯矩曲线如图6所示。由图6可知，桩顶的位移继续减小，但减小的趋势减缓。前排桩身位移已经明显受到后排桩顶的拉锚作用，桩身最大位移已不位于桩顶，而是在桩顶以下约2 m处。前、后排桩的桩身弯矩也发生了变化，前排桩的桩身正负弯矩继续增大，后排桩的弯矩发生了本质上的变化:除桩顶范围内，原负弯矩区段变成了正弯矩，弯矩曲线由下凹变成了上凸，同样显示了对前排桩顶的拉锚作用，前、后排桩与桩间土的共同作用已不明显。

图6 排距8 m前后排桩位移及弯矩曲线

总体来说，桩顶位移随着排距的增加而逐渐减小，但减小的趋势逐渐变缓;当排距为4倍桩径时，可充分发挥双排桩的整体性以及后排桩对前排桩的锚固作用，内力分布较为均匀，充分利用了桩身的配筋。因此靠增加排距来减小桩顶水平位移是不经济的，也是没有必要的。

5 结语

本文应用有限元软件ANSYS建立了双排桩的模型算例，对双排桩支护结构的敏感性进行了分析，得出如下结论:

1)通过不同排距计算出的冠梁位移曲线可以看出支护结构的位移表现出明显的空间性，因此增加冠梁的刚度对增加双排桩支护结构的整体稳定性具有重要的意义。

2)排距对双排桩桩身位移及弯矩有一定的影响:桩顶位移随着排距的增加而逐渐地减小，但是减小的趋势会逐渐变缓;当排距为4倍桩径时，可以充分发挥双排桩的整体性以及后排桩对前排桩的锚固作用，内力分布较为均匀，充分利用了桩身的配筋。因此靠增加排距来减小桩顶水平位移是不经济的，也是没有必要的。

［1］刘建航，侯学渊.基坑工程手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，1997.

［2］应宏伟，初振环.深基坑带撑双排桩支护结构有限元分析［J］.岩土力学与工程学报，2007，26(S2):4325-4331.

［3］崔宏环，张立群，赵国景.深基坑开挖中双排桩支护结构的三维有限元模拟［J］.岩土力学，2006，27(4):662-666.

［4］吴 刚，白 冰，聂庆科.深基坑双排桩支护结构设计计算方法研究［J］.岩土力学，2008，29(10):2753-2758.

［5］平 扬，白世伟，曹俊坚.深基坑双排桩空间协同计算理论及位移反分析［J］.土木工程学报，2001，34(2):79-83.

［6］俞建霖，曾开华，温晓贵，等.深埋重力—门架式围护结构性状研究与应用［J］.岩土力学与工程学报，2004，23(9):1578-1584.