紧邻地铁车站深基坑双排桩支护结构变形性状研究

2016-09-15周虎东张弘朱力军

西部探矿工程 2016年4期

关键词：支护桩桩体后排

郭　彪，周虎东，张弘，朱力军

（甘肃省地矿局第二地质矿产勘查院，甘肃兰州730020）

紧邻地铁车站深基坑双排桩支护结构变形性状研究

郭彪*，周虎东，张弘，朱力军

（甘肃省地矿局第二地质矿产勘查院，甘肃兰州730020）

以西安市某紧邻地铁车站深基坑工程为背景，运用大型通用有限元软件ABAQUS建立三维数值计算模型，对不同支护方案下基坑施工的实际过程进行动态模拟，分析了处在有限宽度土体范围内，开挖后存在地铁车站侧向约束条件下的基坑双排桩支护结构的变形特性。结果表明，排距对悬臂式双排桩的变形性状及抗侧移性能影响较大，桩径次之，桩长的影响相对较小，排距的改变引起前后两排桩所承担的土压力的分配关系发生变化，从而改变二者的受力机理，进而造成二者变形性状的差异。

地铁车站；双排桩；变形性状；数值模拟

1　概述

随着地铁、城市高层建筑以及地下空间工程等的大量兴建，基坑的规模、深度都在不断加大，且大多数基坑毗邻其他既有建（构）筑物，基坑的设计和施工变得越来越复杂［1］。因此，在复杂的周边环境和有限的施工环境中，在确保既有建（构）筑物安全的前提下，如何使得基坑自身具备足够的安全性和稳定性成为当前深基坑工程设计、施工的重点和难点。桩锚支护当基坑深度较大时，由于锚杆必须具有足够的伸出潜在破裂面之外的锚固长度，故而锚杆长度较大［3］，锚杆将不可避免地穿透既有建（构）筑物基础或其维护结构，因此，此类支护方式具有一定的局限性。与拉锚式支护结构相比，双排桩支护结构具有较大的侧向刚度，可以有效地限制基坑的变形，保证基坑的稳定性，同时无需太多的场地，对环境的要求低，因而在建筑密集区更具优势［4］。当前，双排桩支护结构的设计计算方法主要有弹性抗力法、极限平衡法、数值计算法3类。理论分析法均需对支护结构及作用在结构上的土压力进行简化，数值计算法基于力学基本定律，在结构离散化的基础上可获得整个基坑的位移场和应力场。对于紧邻地下结构、地铁车站等地下构筑物的情况，即有限宽度土体范围内的双排桩支护工程，桩后破裂面将受到地下构筑物的限制，其土压力分布形式势必不同于一般情况，进而造成支护结构变形和内力与一般情况的差异性，但目前对此类问题的研究相对较少。

本文在前人研究的基础上，以西安市某紧邻地铁车站深基坑为例，应用大型通用有限元计算软件ABAQUS，综合考虑场地地层条件、地铁车站实际结构以及基坑支护体系，建立三维整体有限元计算模型，对基坑施工的实际过程进行动态模拟，探讨限宽度土体范围内深基坑双排桩支护结构的变形性状，以期为类似工程提供一定的参考。

2　工程概况

2.1基坑周边环境条件

拟建建筑物场地位于西安市城内大差市十字东北角，北邻西安市第四医院，南邻东大街，西邻解放路，地上8层，地下4层，基坑开挖形状近似呈长方形，东西总长约53m，南北总宽约47m，基坑开挖深度为17.3m，基坑支护结构安全等级为1级。拟建建筑周边环境复杂，基坑北侧临近西安市第四医院医疗楼等，各建筑物距场地基坑底口线的距离为4～7m；场地南侧紧邻东大街，基坑底口线距东大街的人行道沿约17m；场地东侧北段临近6层的砖混住宅楼，该住宅与基坑底口线的距离约为14.5m，场地东侧南段紧邻国药集团西北医药有限公司的住宅及办公用房，各建筑物距基坑底口线的距离为2m；场地西侧紧邻解放路，解放路和东大街规划有地铁，地铁4#、6#线在此汇交，基坑底口线距解放路的人行道沿约19m，距地铁车站支护桩的距离为10.5m。

2.2基坑支护方案

本工程采用顺挖法施工，综合场地地理位置和工程地质条件，本工程东、南、北三段采用锚拉排桩及桩间土挂网喷护的方法。支护桩采用机械成孔灌注桩，

桩径1.0m，桩间净距0.6m，钢筋混凝土灌注桩采用C35混凝土，钢筋保护层厚度为50mm。基坑西侧紧邻地铁车站，为防止锚索施工穿透地铁车站结构，拟采用双排悬臂桩进行支护，通过对桩长、桩径及前后排桩排距的不断调整，以最先满足设计要求的方案为推荐方案。桩长、桩径及排距的初始拟定值的如表1所示。

表1　基坑西侧支护方案

3　有限元计算模型

3.1基本假定

（1）假定开挖历时较短，按不排水条件进行总应力分析，且不考虑土体固结和渗流的影响；

（2）不考虑支护结构施工对地基初始应力场的影响；

（3）在不超过最大抗拔力的前提下，锚索锚固段和周围土体协调变形；

（4）考虑支护结构与土体之间的相对位移，支护结构与土体之间设置接触面单元。

3.2计算坐标、范围及边界条件

计算中采用笛卡尔直角坐标系，以东西向为x轴，指向东为正，以南北向为y轴，指向北为正，以垂直向为z轴，垂直向上为正，坐标原点取在基坑中心处。考虑基坑开挖对临近结构的有效影响范围及合理的计算规模，计算模型竖向近似取为坑深的3.5倍，约60m；东西向总长约165m，南北向总宽约120m。

计算中模型地表取为自由边界，四周约束法向位移，底部采用3个方向的全约束，有限元模型及网格划分如图1所示。

3.3单元类型及计算参数

土体采用C3D8R单元，支护桩采用C3D8I单元，可以更好地模拟桩体的弯曲变形［6］，锚索采用T3D2杆单元进行模拟，锚固段与土体之间的接触通过嵌入功能实现，将锚固段作为嵌入区域嵌入到周围土体所组成的主区域中，锚索自由段端点与桩体通过耦合约束建立连接，预应力施加在自由段［7］。由于支护桩与土体在强度和刚度上存在较大差异，在外力作用下，二者的界面有可能会产生相对滑动或脱离，因此，为了准确模拟桩土之间的相互作用，在支护桩和土体之间设置接触面。本文采用ABAQUS提供的面—面接触模型来实现土体与支护结构之间的接触，采用罚函数算法、有限滑动的库仑摩擦模型来模拟桩与土体之间的摩擦。接触面法向采用硬接触，允许相互错动，但不允许主面和从面节点之间的相互嵌入，接触面只能传递压力，不能传递拉力。将支护桩的接触面设置为主面，而将与之接触的土体的接触面设置为从面。根据公式（1）［8］计算可得摩擦系数u=0.35，式中φ值按照与支护桩接触的土体自上而下的厚度加权平均求得。

土体采用弹塑性本构模型，选用莫尔—库仑屈服准则，根据假定，各土层按均质各向同性土考虑，土性参数取自勘察报告；支护桩及锚索相对于土体而言刚度较大，假定为线弹性体。土体、支护桩、锚索的计算参数分别见表2、表3。

图1　整体有限元计算模型及网格划分（显示1/4）

4　计算结果及分析

随着基坑工程规模和深度的不断加大，基坑的设计和施工变得越来越复杂，基坑的变形控制逐渐取代强度控制而成为基坑设计施工中考虑的关键因素［9］，因此，本文选取几个典型工况的计算结果，重点探讨各因素对双排桩支护结构变形性状的影响。同时，为了避免基坑拐角处的位移不均匀问题，取基坑西侧中部支护桩剖面处的计算结果进行分析，此处亦为西侧支护桩最不利受力位置。

4.1排距的影响

图2为桩长31m、桩径0.8m不同排距下双排桩支护结构对应的桩身水平位移。由图2（a）可见，当前后排桩排距较小时，2排桩可退化为单排桩，此时土压力由2排桩平均分担，前、后排桩的变形性状基本相同，支护结构的变形性状类似于单排悬臂支护桩，桩身水平位移随着桩长的增加逐渐减小，呈上大下小的“y”字型分布规律。但随着排距的增大，后排桩对前排桩产生一定的遮挡作用，前排桩承受的土压力有所减少，但是，当排距继续增大时，前排桩将承受更大的滑动土体的作用，其分担的土压力又逐渐上升，桩身的变形性状亦随之改变，前排桩的变形逐渐呈挠曲线分布，后排桩的仍近似呈“y”型，且由于受到桩间土的制约作用，后排桩水平位移小于前排桩。同时，随着排距的增加，开挖面以上支护结构最大水平位移在不断减小，但开挖面以下支护结构的变形却有增大的趋势，且前、后排桩体的位移差值在不断增大，这说明排距大于一定尺寸后桩间土压力基本全部作用在前排桩上，后排桩对前排桩的影响逐渐减弱。

表2　土体有限元计算参数

表3　护坡桩及锚索计算参数

图2　桩长31m桩径0.8m不同排距的桩身水平位移

图3为31m桩长、0.8m桩径双排桩支护结构前、后排桩桩体水平位移随排距的变化图。由图3可知，前、后排桩的桩身水平位移均随排距的增加而减小，说明前、后排桩在冠梁及桩间土的协同作用下具有良好的空间效应，但随着排距的增加，减小幅度却逐渐减小，若排距继续增大，桩顶侧移将趋于稳定，后排桩逐渐退化为拉锚桩。同时，由于冠梁的刚性约束作用，前、后桩桩顶部分位移的减小幅度基本接近，但就桩体中部而言，后排桩的减小幅度更加明显。对比图3（a）、（b）可见，后排桩的最大水平位移基本发生在桩顶处，而前排桩的最大位移基本位于桩体2.75～8.02m范围内，即位于开挖面中上部而非桩顶，二者性状不同，进一步说明随着排距的增大，后排桩对前排桩的约束作用逐渐转化为拉锚作用，同时这种作用随着排距的增加愈发显著。

图3　桩长31m桩径0.8m不同排距前、后排桩桩身位移

4.2桩径的影响

双排桩整体的抗弯刚度主要取决于桩径的大小，因而桩径亦为双排桩设计的关键参数。如图4所示，为不同桩径下31m桩长、4D排距双排桩支护结构前、后排桩桩身水平位移曲线。由图4可见，随着桩径的增加前后排桩的桩顶水平位移及桩身最大水平位移均逐渐减小，可见通过改变桩径能够使双排桩结构发挥较好的支护效果，但减小的幅度逐渐降低，亦即通过增加桩径来减小桩体位移的作用是有限的，而且桩径的增加量与其工程投资量之间呈平方倍增长。桩径的增加，其实质是增加了结构的侧移刚度，同时，在不改变前后排距的情况下，增加桩径，前、后排桩之间的桩间土就会相对减少，因而增加了整个结构的侧移刚度，同时，随着前、后排桩的无限接近，其支护效果逐渐接近于地下连续墙结构。

图4　桩长31m排距4D各桩径对应的桩身水平位移

4.3桩长的影响

如图5所示为排距3D、桩径0.8m的双排桩支护结构桩身水平位移沿桩长的分布曲线。随着桩长的不断增加，前、后排桩的水平位移随桩长变化的趋势基本一致，均逐步减小，但减小的幅度均较小。同时，桩长的增加对开挖面中上部桩体位移的限制作用较为明显，对开挖面下部桩体的限制作用较弱，在接近坑底标高处，前、后排桩的的水平位移值基本一致。由此可见，改变排桩的桩长对结构的水平位移有一定的限制作用，但这种作用相较于桩径及排距的改变对提高结构抗侧移能力的贡献而言相对较小，因此，在实际工程中，在具有足够嵌固长度的情况下，通过增加桩长来调整支护结构的侧移及变形，效果并不明显。

图5　排距3D桩径0.8m各桩长前、后排桩桩身水平位移

5　结论

对于坑后较近距离内存在地下室、地铁车站等地下构筑物的基坑双排桩支护结构而言，其受力、变形与传统假定坑后土体为半空间无限体下的理想模型具有明显差异性，通过对某紧邻地铁车站深基坑双排桩支护结构排距、桩径及桩长改变对结构变形性状的影响分析，得出以下几点结论：

（1）在基坑周边环境条件特别复杂的情况下，双排桩支护结构具有良好的适应性，能有效控制基坑侧向变形，减小基坑开挖对周边环境的影响。

（2）双排桩支护结构体系的受力性状受排距的影响较大，排距的变化直接影响桩体两侧土压力的变化，在满足结构安全的前提下，适当增大排距可减小结构的侧向位移。排距较小时，土压力主要由后排桩承担，通过冠梁向前排桩传递，使前排桩受到后排桩的推力。随着排距的的逐渐增大，前排桩承受的土压力将逐步增大，从而引起前、后排桩受力机理的改变，进而造成二者变形性状的差异性。

（3）排距较小时，双排桩逐渐退化为单排桩，主要表现为悬臂式特性，随着排距的增大，后排桩对前排桩的限制作用主要表现为拉锚式，且这种特性随着排距的增加愈发明显。当排距适当时，双排桩支护结构表现出良好的支护性能。

（4）在各影响因素中，排距对双排桩支护结构侧向位移的影响最为明显，桩径次之，桩长对限制支护结构侧移的贡献较小，因此适当增加排距及桩径是提高悬臂式双排桩抗侧移性能的有效方法。

［1］马郧，魏志云，徐光黎，等.基坑双排桩支护结构设计计算软件开发及应用［J］.岩土力学，2014，35（3）：862-870.

［2］应宏伟，初振环，李冰河，等.双排桩支护结构的计算方法研究及工程应用［J］.岩土力学，2007，28（6）：1145-1150.

［3］刘泉生，付建军.考虑桩土效应的双排桩模型及参数研究［J］.岩土力学，2011，32（2）：481-486.

［4］史海莹，龚晓南.深基坑悬臂双排桩支护的受力性状研究［J］.工业建筑，2009（10）：67-71.

［5］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，2006，38（9）：963-967.

［6］应宏伟，李涛，王文芳.基于三维数值模拟的深基坑隔断墙优化设计［J］.岩土力学，2012，33（1）：220-226.

［7］张运良，聂子云，李凤翔，等.数值分析在基坑变形预测中的应用［J］.岩土工程学报，2012，34（S1）：113-119.

［8］费康，张建伟.ABAQUS在岩土工程中的应用［M］.北京：中国水利水电出版社，2010.

［9］简鹏，党发宁，李存良，等.深基坑支护方案比选的效率系数数值模拟与评判［J］.西安工业大学学报，2015（4）：304-310，316.

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