双排桩在荆州南国城市广场深基坑中的应用

杨小明，陈梁 （长江大学城市建设学院，湖北 荆州434023）

易佳 （湖北华迪工程勘察院，湖北 荆州434023）

双排桩作为一种空间组合结构，具有较大的抗侧移刚度，能有效地减小支护结构位移；与桩撑支护结构相比，由于不需要设置支撑，能有效地减小地下室施工工期，近几年双排桩在沿海地区基坑工程中得到较多的应用［1～5］。荆州城区处于长江北岸一级阶地，为江汉平原冲洪积松软松散岩工程地质［6］，目前地下结构多为1～2层地下室，主要支护方式为复合喷锚、水泥土重力式挡墙与悬臂排桩，双排桩支护方式应用较少，施工经验缺乏。对双排桩的研究主要从理论研究、数值模拟、模型试验及工程实践四个方面，笔者以荆州城区某深基坑双排桩支护结构为对象，采用有限元对基坑开挖过程中双排桩变形与受力性状进行数值模拟分析，为双排桩支护结构在该区域的运用提供一定参考。

1 工程概况

荆州南国城市广场位于荆沙大道与塔桥路交汇处东北侧，地块分为住宅区和酒店区，地下室占地面积约11000m2。住宅区楼房均为33层，下部地下室为1层，设计开挖深度约6.0m；酒店区楼房为27层，其下部地下室为2层，设计开挖深度约10.0m。

地下室东南侧为已建3层楼房，东北侧离用地红线最近距离为3.2m，红线外侧地段为空地，西南侧为空地，离场地施工道路最近距离为6.7m，西北侧为道路，该侧离用地红线最近距离为1.5m，北侧为空地，离用地红线最近距离为3.2m。

该场地处于长江左岸Ⅰ级阶地上，地貌形态属冲积平原区类型，场地地层从上至下为：①素填土，褐色、褐灰色，厚度0.5～4.0m；②粉质粘土夹粉土，灰黄色，干强度较高，韧性中等，具摇振反应，承载力一般，压缩性中等，厚度0.5～3.8m；③粉砂，灰色，松散－稍密，承载力一般，压缩性中等，厚度1.1～4.8m；④粉砂，灰色，稍密，承载力一般，压缩性中等，厚度5.2～10.2m；⑤圆砾，杂色，松散－稍密，承载力较高，压缩性较低，厚度9.5～13.3m。

2 支护方案的选择

对于住宅区其北侧及东侧都靠近道路，不适宜大面积放坡，均考虑采用悬臂式排桩支护；酒店区由于其开挖深度为10.0m，开挖深度较深，同时场地较狭窄，不适宜大面积放坡，考虑到施工工期较紧及开挖施工的方便，采用双排桩进行支护。双排桩支护结构如图1～3所示。

3 计算模型

3.1 基本假定及有限元模型

采用空间三维模型，模型水平方向长度、竖直方向长度及厚度分别为50、30、4.2m。考虑到接触面计算的收敛性，按刚度相等原则将圆形桩截面转换为矩形截面；采用总应力分析土压力，不考虑地下水渗流影响；放坡考虑为超载，按25KPa均布荷载取值；接触计算选用罚函数法。采用实体单元C3D8R，节点数9728，单元数8029。有限元网格见图4、图5。边界条件为：底部竖向（Z）固定，前后水平向（X）固定，左右不平向（Y）固定。

图1 支护结构剖面图

图2 双排支护桩位平面布置图

图3 双排桩间土加固平面布置图

3.2 材料模型与计算方法

混凝土采用弹性本构模型，粉喷桩及土体采用Druck－Prager本构模型，采用相关流动法则，材料参数见表1。计算基于ABAQUS平台STANDARD模块，为提高计算收敛速度，对材料局部软化区采用人工阻尼干预。

图4 计算域有限元网格

3.3 计算步骤及分析说明

1）创建静力分析，对整个模型施加重力，该分析结束时提取应力；

2）创建Geo分析，此分析将第1步提取得的应力与＊initial conditions给出的初始应力场平衡；

图5 支护桩及冠梁有限元网格

3）支护体系施工模拟；

4）在未开挖侧施加25kPa的均布压力来模拟放坡；

5）采用单元生死命令＊Model change来模拟开挖，开挖2m；

6）采用单元生死命令＊Model change来模拟开挖，开挖至基底。

4 计算结果分析

表1 材料计算参数

4.1 桩身位移

图6为前排桩桩身位移曲线数值模拟结果与实际监测结果的对比，由图6可知，数值模拟结果跟实际监测结果较为相近，且桩身14m以下弯曲很小，主要表现为平移，前排桩桩身位移在离桩顶6m范围内趋于平均，这是由于后排桩对前排桩的拉结作用限制了前排桩桩顶位移的进一步发展所致。图7为后排桩桩身位移曲线数值模拟结果与实际监测结果的对比，由图7可知，后排桩的桩身位移较前排桩桩身位移要小，在13m以下弯曲跟前排桩相差不大，都表现为刚体位移。

图6 前排桩桩身位移曲线

图7 后排桩桩身位移曲线

4.2 桩身弯矩

图8为前排桩桩身弯矩曲线，图9为后排桩桩身弯矩曲线。由图8、图9可知，前后排桩均受到交变应力的作用，桩身范围内都有反弯点出现，前排桩正、负弯矩最大值分别为576kN·m、－407kN·m，与桩顶距离分别为12.7m与4.0m，弯矩零点有2个，距桩顶分别约为9m与20m；后排桩正、负弯矩最大值分别为449kN·m、－472kN·m，分别距桩顶约为12.7m与2.96m，后排桩只有1个弯矩零点，距桩顶约为8.0m。

4.3 桩顶水平位移

住宅区采用的是悬臂式排桩支护结构，基坑开挖过程中分别对住宅区的悬臂式排桩及酒店区的双排桩进行了桩顶位移监测，图10为开挖过程中双排桩桩顶水平位移数值模拟结果、双排桩桩顶水平位移实际监测结果及悬臂式单排桩桩顶水平位移监测结果的对比，由图10可知，开挖6m时，双排桩的桩顶水平位移仅为1.7cm，而悬臂时排桩的桩顶水平位移已达4.6cm，为相同开挖深度双排桩的2.7倍，由此说明双排桩的刚度较大，在控制变形方面较单排桩优势明显；双排桩开挖至7.4m期间，桩顶水平位移变化较缓，7.4m以后位移急剧增大，由1.8cm增大到5.4cm。

图8 前排桩桩身弯矩曲线

图9 后排桩身弯矩曲线

4.4 土体水平位移与等效塑性应变

图11为开挖至基底后土体水平位移云图。由图11可知，土体水平位移随着深度的加深逐渐增大，最大值为5cm，与图10中双排桩桩顶水平位移基本一致，说明双排桩与土体之间协同作用良好。图12为等效塑性应变云图。由图12可知，地层塑性区域主要集中在坡顶与坑底处，没有形成贯通面，支护结构安全。

图10 开挖过程中桩顶位移变化曲线

图11 地层水平位移云图

图12 土体等效塑性应变

5 结语

从监测结果与数值模拟的结果对比来看，双排桩侧向刚度大，抗滑移性能好，在控制基坑变形方面效果良好。双排桩前后桩侧移相近，桩身变形主要由开挖面以下未嵌固段转角引起的刚性位移所致。双排桩的挠曲变形随着开挖深度的增加增大，其反弯点有向下移动的趋势。目前该项目已顺利完工，基坑施工对周边建筑与道路没有造成不利影响，该项目的成功实践对双排桩支护结构在荆州城区的应用提供了借鉴。考虑到问题的复杂性，笔者没有考虑冠梁的作用及空间下的桩土效应，这些内容有待以后进一步研究。

［1］何颐华，杨斌，金宝森，等 .双排护坡桩试验与计算的研究 ［J］.建筑结构学报，1996，17（2）：58～66，29.

［2］陆培毅，杨靖，韩丽君 .双排桩尺寸效应的有限元分析 ［J］.天津大学学报，2006，39（8）：963～967.

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

［4］张秀成，王义重，傅旭东 .深基坑双排桩支护结构三维数值计算与应用 ［J］.武汉大学学报（工学版），2010，43（2）：227～231，238.

［5］Ou C Y，Chiou D C，Wu T S.Three－dimesional finite element analysis of deep exvavations ［J］.Journal of Geotechnical Engineering，1996，8（4）：337～345.

［6］DB42／T159－2012，基坑工程技术规程 ［S］.

［7］易佳 .荆州南国城市广场基坑支护设计 ［Z］.湖北华迪工程勘察院，2014.