深基坑双排桩支护数值模拟研究

2014-11-09沈樱涛

山西建筑 2014年23期

沈樱涛

(中石化石油工程设计有限公司，山东东营 257026)

随着社会的发展，我国的城市化越来越快，大批的人流涌入一线二线城市，在目前城市寸土是金的情况下，开发城市的三维空间成为了重点。目前各大城市不但大力发展地上空间使建筑更高，而且更加注重了地下空间的发展，各种用途的地下建筑已经在世界各地得到了应用，比如地铁、地下车库、地下街、地下商场、地下医院、高层建筑的多层地下室、一级地下民防工事等。随着各种各样的地下工程建设，地下工程在施工过程中的支护问题则越来越突显其重要性。特别是一些大深基坑，这些城市中心的基坑均有着深、大、近、紧等四大特点，为确保基坑施工过程安全顺利，目前基坑支护技术主要有地下连续墙、双排桩、桩锚、预应力锚杆、土钉墙、桩锚与土钉墙联合、钢支撑等各种各样的支护方式。但是由于不同地区，土层分布以及力学性质的差异较大，因此基坑支护存在着地域性，同一工法在不同地区，其适用条件存在着较大的差异。本文主要是针对青岛地区沿海部分的深基坑特点，对基坑采用双排桩支护时的性质进行分析，研究该支护方法在青岛地区的适用性以及受力特点。

本文拟采用三维有限元数值模拟计算，研究在青岛地区深基坑采用双排桩进行支护时，适合的双排桩的排距以及桩径，为青岛地区双排桩在深基坑支护中的应用提供理论依据。

1 双排桩支护研究现状

双排桩支护方法虽在现行的规范中有着明确的计算方法，但在工程建设过程中，往往发现双排桩采用现行的计算方法所计算的结果与实际工程情况现场实测结果存在着较大的差异，特别是对桩顶的水平位移、桩体的桩身轴力、桩体的弯矩的大小等。现场实测结果说明，采用现行的计算理论还存在着一定的缺陷，这与土体的复杂程度有着密切的关系，与现行的计算理论也有着紧密的联系。目前对于双排桩的计算理论主要是基于室内模型试验和工程实测提出的平面刚架模型［1］。数值模拟计算往往成为工程设计手段，为我们对深基坑支护可能出现的问题做出预判，增加对支护方案的了解与分析。

2 工程实例概况

拟建青岛黄岛区某工程，建筑面积为7 372 m2，总投资为3 000万元。基坑拟开挖深度约为6.0 m，基坑周长约为200 m，采用的支护方式为双排桩支护。场地地形平缓，土层自上而下分为8层土:第①层:素填土，黄褐色;第②层粉土，黄褐色，湿～很湿，中密，平均厚2.84 m。第③层粉砂，灰褐色，平均厚1.63 m;第④层粉质粘土，灰褐色，平均厚2.01 m;第⑤层粉质粘土，黄褐色，平均厚2.88 m;第⑥层粗砂，黄褐色，饱和，中密，平均厚 1.79 m;第⑦层全风化花岗岩，黄褐色;第⑧层强风化花岗岩，黄褐色。地下水类型为第四系松散岩类孔隙潜水与花岗岩风化裂隙潜水，勘察期间稳定水位埋深1.30 m～1.50 m。

周边环境条件较为复杂，北侧及西侧均为交通主干道，东侧有住宅楼，距离为10.5 m，南侧为一办公楼，距离为11.8 m，南侧要预留钢筋及木工制作工作区。由于周边建筑采用桩基础，如采用桩锚支护，则在锚索施工过程中有可能会对附近建筑的桩基础造成破坏，因此经研究，对该深基坑支护采用双排桩进行。

3 三维模型建立

为了分析双排桩的可行性，利用三维有限元软件对该基坑的支护方式进行了模拟开挖计算，有限元程序采用Flac3D软件进行模拟分析。基坑的实际开挖情况为长60 m，宽40 m，深6 m，由于基坑中心对称，所以只取其1/4进行分析。本模型长为80 m，宽为60 m，高为20 m，共划分为48 000个单元体，54 351个节点。基坑开挖为长30 m，宽20 m，深6 m。根据工程实际地质条件，计算模型的土层从上到下划分为杂填土、粉土、粉砂、粘性土1、粘性土2、粗砂、强风化岩1、强风化岩2等8个土层，各土层具体参数见表1。模型中的桩和冠梁分别采用了桩单元与壳单元，桩及冠梁计算参数如表2所示。每根桩单元划分为30个单元体，31个节点，桩与冠梁均采用C30混凝土，桩长为12 m，冠梁厚度为0.5 m。

表1 数值模拟计算各土层参数

表2 桩及冠梁计算参数

4 数值模拟计算及结果分析

根据工程实际情况，当基坑的前后排支护桩体施工结束后，开始施工冠梁。冠梁现浇混凝土达到设计龄期后，可以进行基坑内土体的开挖。

基坑土体分为三层进行开挖，每层开挖厚度为2.0 m。为确定一个合适的排距，一个最为合适的桩径，本文建立了不同排距与不同桩径的数值计算模型，分析在不同的排距或不同的桩径下进行，桩体的侧向位移以及弯矩的变化情况。

4.1 排距对桩水平位移的影响

图1为支护桩直径为0.8 m情况下，不同排距的前后排桩侧向位移随深度变化情况。图1a)为前排桩随深度变化水平位移情况，从图中可以看出随着排距的增大，桩顶端的侧向位移逐渐减小，但是减小幅度逐步降低，当排距为1.5 m时桩顶端位移是30.20 mm，排距为1.8 m 时的桩顶位移是28.38 mm，差距1.82 mm，而当排距为2.7 m时的桩顶位移为24.72 mm，排距为3.0 m时的桩顶位移为24.12 mm，相差0.6 mm。桩体随着深度的增加侧向位移逐渐减小，当到开挖深度6 m附近时减小幅度下降，开挖面以下的桩体位移随着深度的增大变化不大。图1b)为后排桩的侧向位移情况，从图可以看出后排桩的侧向位移情况大致与前排桩相同，也是随着排距的增大侧向位移逐渐减小，减小幅度逐步降低，开挖面以下的桩体侧向位移变化不大。从图1可知，后排桩位移比前排桩位移稍小，但是差距不大，这是由于前排桩与后排桩之间由冠梁连接，形成一个超静定结构。当排距较小时，桩体的水平位移量较大，随着排距的增加，桩体的位移逐渐减小，当排距增大到2.4 m后，桩体的水平位移变化就不明显。这一结果说明，对于双排桩的支护，排距最好不要小于2.4 m。当小于这一间距时，双排桩难以发挥其自身的稳定作用。

图1 桩体位移随排距变化曲线图（桩径0.8 m）

4.2 桩径对桩体水平位移的影响

根据4.1的分析结果，排距的合适间距为2.4 m，因此对于双排桩的间距为2.4 m情况下，对不同桩径的双排桩进行了模拟计算分析。图2为在排距为2.4 m，桩径分别为600 mm，800 mm，1 000 mm，1 200 mm的情况下，前后排桩随深度变化的水平位移变化曲线图。

如图2a)所示，随着桩径的加大基坑开挖面以上的前排桩位移逐渐减小，但是减小幅度逐步降低，600 mm桩径与800 mm桩径的位移相差为4.1 mm，而1 000 mm桩径与1 200 mm桩径的位移相差为2.2 mm。基坑开挖面以下的桩体位移随着桩径的变大逐步增大，但是增大幅度较小，在相同排距下不同桩径在基坑底部的桩体位移大致相同。图2b)为后排桩的桩体位移情况，开挖面以上的位移也是随着桩径的增大而减小，开挖面以下的位移随着桩径的增大而增大，变化规律与前排桩规律大致相同，但是在相同排距与桩径的情况下其位移情况较前排桩稍小。由计算结果可知，对于桩径的选择，不宜小于800 mm，否则变化过大容易出现桩体折断现象。但也不宜超过1 000 mm，否则会造成过大的经济投入。