双排桩支护体系变形与受力特征分析

胡文广

(昆明营造工程设计有限公司，云南昆明 650000)

双排桩支护体系变形与受力特征分析

胡文广

(昆明营造工程设计有限公司，云南昆明 650000)

采用数值分析的方法，探讨了双排桩支护体系在不同参数下的变形及受力特征，并计算分析了开挖深度、桩间土压缩模量、桩间距、排距等对双排桩的影响，有利于促进双排桩设计与施工的合理性。

双排桩，支护体系，弯矩，桩间土

0 引言

双排桩支护体系由前、后两排灌注桩、桩顶冠梁及其间设置的刚架梁组成，是一种侧向刚度较大的自立式围护结构体系。在基坑、深水岸坡、防波堤等工程中得到了广泛的应用。

双排桩支护体系的研究主要集中在以下几个方面:

1)桩侧土压力作用机理及计算方法的研究［1］;

2)双排桩支护体系计算模型的对比分析［4］;

3)基坑开挖过程中的桩身变形及受力性状的研究;

4)双排桩支护体系数值分析及实测数据对比研究等。

目前，对于双排桩支护体系，其在实际工程中的应用已较普遍。但关于前排、后排桩身各自所承受的土压力，双排桩支护体系的变形特性及受力机理这几个方面的研究仍存有一定的争议，故有必要对这几个方面进行深入探讨和研究。使得双排桩设计方法更趋于完善。从而保证其在实际工程中的应用更为安全经济合理。

1 双排桩支护体系计算模型

图1为JGJ 120—2012建筑基坑支护技术规程所推荐的双排桩支护体系计算模型。其中，迎坑面一侧桩称为前排桩，迎土面一侧桩称为后排桩。

该计算模型适用于前、后排桩根数相等的情况。前、后排桩根数不同时，由于桩间土与桩处于分离状态，不能将前、后排桩与桩间土整体考虑，桩间土对桩侧的压力以及双排桩嵌固深度也不应按照《规程》推荐的方法确定。

该支护体系计算模型的受力特征体现在如下两点:

1)前、后排桩的变形和受力，桩间土的变形按仅受压的弹性连杆来模拟。

2)通过对前、后排桩桩间土对桩侧初始压力的计算，考虑了滑移面的存在使得桩间土作用在前、后排桩体上的土压力的差异。

2 计算模型的建立

本文以武汉地区多个工程实例为基础，结合《规程》中双排桩支护设计的一般要求，简化出一个具有代表性的基本算例。计算参数如下:基坑挖深12.0 m，插入深度12.0 m。前、后排桩径1.0 m，桩间距1.5 m，排距3.0 m。桩顶冠梁、刚架梁的截面尺寸为1 000 mm×800 mm。灌注桩、桩顶冠梁、刚架梁的混凝土强度为C30，弹性模量E=30 GPa，泊松比为0.2，重度为25 kN/m3。

按单一土层计算主动土压力值pa，采用水土合算的方法。以粉质粘土为例，土体重度γ=18.5 kN/m3，粘聚力c=22 kPa，内摩擦角φ=10°，压缩模量Es=8 MPa，基坑内侧土的水平反力系数的比例系数m=3.2 MN/m4，水平反力系数kH的最大值为其比例系数m的5倍，即kH=16 MN/m3。

双排桩外侧主动土压力按照水土分算原则计算，计算模型示意图如图2所示。

图1 双排桩支护体系计算模型

图2 计算模型示意图

3 计算结果分析

桩身变形、弯矩与开挖深度之间的关系。本文计算了开挖深度H为2 m～12 m之间共5个工况下，双排桩支护体系水平位移和弯矩的变化情况。

图3前排桩变形曲线

图4后排桩变形曲线

图3，图4分别为前、后排桩的变形曲线。H为基坑开挖深度。

由图3，图4可知:1)随基坑开挖深度增大，双排桩水平侧移逐渐增大，位移最大值发生在桩顶。开挖至坑底时，双排桩桩顶侧移为70.85 mm。2)桩身位移自上而下逐渐减小，桩端位移最小。相同深度的前排桩位移小于后排桩。当开挖至坑底时，前、后排桩桩端位移最大值分别为2.9 mm和16.5 mm。3)双排桩支护体系中，连梁刚度较大，相当于一根水平刚性连杆。因此，不同开挖深度的前、后排桩的桩顶位移几乎相等。

图5，图6分别为前、后排桩的弯矩图。H为基坑开挖深度。

由图5，图6可知:

1)开挖深度越大，前、后排桩的弯矩值越大。开挖至坑底时，前排桩弯矩最值分别为1 096 kN·m和－1 822 kN·m;后排桩弯矩最值分别为701 kN·m和－371 kN·m。

图5 不同开挖深度的前排桩弯矩

图6 不同开挖深度的后排桩弯矩

2)开挖深度较浅时，前排桩的正弯矩大于负弯矩;开挖深度较深，前排桩的正弯矩小于负弯矩绝对值。

3)开挖深度较浅时，后排桩的正弯矩小于负弯矩;开挖深度较深时，后排桩的正弯矩大于负弯矩。

4)开挖深度增大，前、后排桩反弯点位置逐渐下移，反弯点位置约在基坑开挖面以上1 m～2 m。

4 桩间土加固的影响

双排桩桩间土起着协调变形、传递前、后排桩受力的作用。实际工程中经常采用桩间土压密注浆等方式进行土体加固，以控制双排桩的变形。

考虑加固土压缩模量Es提高为原状土的1倍～4倍，分析双排桩变形和受力特性及规律。

4.1 对双排桩变形的影响

如图7所示为双排桩桩顶及桩端水平位移随加固土压缩模量变化的曲线。

由图7可知，桩间土压缩模量增大4倍，桩顶位移减小幅度可达到14%，同时，后排桩桩端位移减小幅度可达到67%。

图7 加固土对桩变形的影响曲线

4.2 对双排桩弯矩的影响

如图8所示为前、后排桩正、负弯矩最大值随加固土压缩模量Es变化的曲线。

由图8可知，随桩间土压缩模量Es增大，前排桩正、负弯矩的绝对值均逐渐减小。其中，前排桩正弯矩减小幅度可达到20%;负弯矩减小幅度可达到17%。

随桩间土压缩模量Es增大，后排桩正、负弯矩的绝对值均逐渐增大。其中，后排桩正弯矩增幅可达到17%;负弯矩增幅可达到100%。

图8 加固土对双排桩弯矩的影响

5 排距的影响

为分析双排桩排距sy变化对桩身弯矩的影响，分别取sy= (2～6)d(d为桩径，1.0 m)进行模拟计算。

表1 桩排距变化对双排桩的影响

由表1中数据可知:

1)随桩排距sy增大，桩顶位移逐渐增加。桩排距sy在(2～6)d之间变化时，桩顶位移从68.62 mm增大至73.63 mm，后者较前者增大约7%。

2)随桩排距sy增大，前排桩正、负弯矩均增大;后排桩正弯矩小幅增大，而负弯矩明显减小。

6 结语

1)双排桩支护体系的最大侧移发生在桩顶位置，桩身侧移自上而下逐渐减小，桩端位移最小。相同深度的前排桩位移小于后排桩，开挖过程中的桩间土体受挤压作用明显。

2)增大双排桩排距，将使前排桩受力增大，而后排桩受力减小。

3)桩间土加固能够改善双排桩支护体系的变形及受力状态。桩间土压缩模量增大，桩顶及后排桩水平侧移明显减小。

4)增大双排桩排距，改变排桩受力状态，并且使得桩顶位移增大。

［1］ 聂庆科，胡建敏，吴 刚.深基坑双排桩支护结构上的变形和土压力研究［J］.岩土力学，2008，29(11):3089-3094.

［2］ 郑 刚，李 欣，刘 畅.考虑桩土相互作用的双排桩分析［J］.建筑结构学报，2004，25(1):99-106.

［3］ 游 强，游 猛.深层搅拌桩与双排桩在基坑支护中的应用研究［J］.建筑技术，2014，45(9):850-852.

［4］ 郝 哲，张 颖，尹亮亮.软土深基坑开挖过程的三维模拟［J］.沈阳大学学报(自然科学版)，2015，27(1):49-55.

On deformation and stress features of double-row pile support system

Hu Wenguang
(Kunming Construction Engineering Design Co.，Ltd，Kunming 650000，China)

The paper explores the method of numeric analysis，explores the deformation and stressed features under various parameter in the double-row pile system，and calculates the excavation depth，condensed model of soil pressure among piles，pile distance，and influence of row distance on the double-row pile，so as to enhance the design and construction of the double-row pile to be more reasonable.

double-row pile，support system，bending moment，soil among piles

TU473

A

1009-6825(2016)35-0089-02

2016-09-27

胡文广(1983-)，男，工程师