深基坑双排桩数值模拟研究与实测分析

邓学铮， 周　毅

(成都兴蜀勘察基础工程公司，四川成都 610000)

近几年来，我国社会发展加快，城市的楼层越来越高，许多地区为了减小土地使用率、更大程度地减少环境破坏，实现可持续发展的目标[1]，在我国土地可利用率逐渐减小的条件下，由二维发展到三维成了许多城市建筑的发展趋势，带动着建筑业向高层次、大深度的方向发展，因此，城市的深基坑工程逐渐增多。

深基坑开挖对周围环境的影响随着开挖深度的增加愈来愈严重，而且场地条件的限制也使很大部分的基坑的施工不能采用放坡开挖，因为深基坑工程的施工场地大多位于市中心；另外，由于许多交通要道往往存在于深基坑工程附近，所以如果现场出现了安全事故，将会带来很严重的后果[2]。所以应特别注意基坑工程的支护设计，避免支护结构设计不当造成基坑侧壁变形失稳。

目前，我国在基坑工程的支护设计方面已经取得了很大成就。其中双排桩发展迅速，我国开始于20世纪90年代中期，作为一种空间门式结构体系的超静定结构，其具有适应多变的复杂的外荷载能力，侧向刚度有长足的提高，可以使基坑侧向与深度变形得到有效控制。2006年，王旭[3]应用ANSYS软件对双排桩的受力情况进行了二维模拟分析。2008年聂庆科[4]等，结合现场施工的实测数据，分析基坑开挖过程中的空间效应，结合工程背景，对双排桩的桩顶变形、桩身弯矩、桩身深层位移以及土压力变化情况进行了数值模拟研究。伴随着科技的发展，理论与实践的结合紧密，研究方法水平的逐步提高，研究方法由原始的极限平衡法到弹性地基梁法[5]，再到现今的有限元分析的数值模拟方法，近十几年得到了高速的发展，充分表明双排桩支护形式在现今实际工程中具有很明显的实用性。

本文以成都城市音乐厅深基坑支护项目工程实际背景为依托，运用FLAC3D结合实际工程进行相应的数值模拟，根据具体工程施工工序进行对应的模拟计算，并结合实测分析研究了双排桩—锚索复合支护结构体系在成都地区应用的受力机理、变形特征，影响因素。研究双排桩-锚索复合支护结构体系在成都地区基坑支护中的实际工程价值。

1　工程概况

拟建场地位于成都市武侯区一环路南一段和民主路交汇处，场地南侧为一环路南一段，交通便利，区域优势明显。

1.1　工程地质条件

根据勘察报告，场地上覆第四系人工填土(Q4ml)，其下由第四系上更新统冲洪积(Q3al+pl)成因的粉质黏土、中砂及卵石组成，下伏白垩系上统灌口组泥岩(K2g)，场地地貌单元属岷江水系Ⅰ级阶地。工程地质条件如表1所示。

表1　现场土层物理性质及厚度

1.2　水文地质条件

该工程经勘探得知上部分由上层滞水、孔隙水以及基岩裂隙水三种构成。位于强风化基岩内的裂隙水涌水较小，基岩的渗透性能较差，属于透水性能较弱的岩层，对基坑的设计以及施工整体上没有影响，可能会在施工灌注桩期间造成影响。

结合现场地质报告及相关资料，依据工程经验及类似工程的降水设计，采用降水井在基坑整个施工期间降水，在工程期间可以假定基坑不受地下水位变化的影响。

1.3　监测点布置

为了能够准确有效地采集监测数据，取基坑周围2倍的基坑开挖深度的范围对本基坑进行相应的监测。本工程监控量测平面图如图1。

图1　监控测量平面布置

1.4支护方案

本文以双排桩为具体分析对象，这部分用的是双排桩+锚索的复合支护形式。桩长为26.4 m，嵌固深度5.6 m，锚索和桩之间的距均为2.5 m，桩径1.0 m，上下共四道锚索，采用C30商品混凝土，冠梁尺寸为1.0 m×0.6 m。本段的支护方案剖面如图2所示。

图2　双排桩结构

2　监测结果与数据分析

监测工作从2016年10月28号至2017年3月10号。历时120 d左右。

2.1　现场监测

本文主要以双排桩为主要研究对象，据此本文主要分析：桩顶位移、锚索轴力和桩体位移。现场监测点布置图如图3、图4。

图3　桩顶位移监测点

图4　测斜监测

2.2　桩顶水平位移

在双排桩边选取7个监测点S2～S8(图1)为主要研究对象，图5为选取双排桩在基坑开挖过程中桩顶水平位移的变化情况。规定：这里正数说明往基坑内侧发生位移，负数说明向基坑外侧发生位移。

图5　基坑桩顶水平位移-时间变化曲线

如图5可知：测点S2、S3、S7、S8由于位于基坑的边缘，受两侧支护结构的限制作用，桩顶位移相对较小；测点S4、S5、S6的位移在基坑开挖的初期迅速增长，伴随后期锚索的施工，后期位移变化趋于一定的稳定。从图5看出，桩顶水平位移测量均小于25 mm，未达到预警值，说明整个施工过程中，基坑的支护结构是安全的。

2.3　围护桩桩身变形

采用滑动测斜仪来监测桩体的水平位移，现场量测时每隔0.5 m测量一次，针对各节点，前、后排桩的桩体水平位移曲线如下所示，这里正数说明往基坑内侧发生偏移，负数说明向基坑外侧发生偏移(图6、图7)。

(a)前排桩位移　　　 (b)后排桩位移图6　桩体水平位移

图7　基底时前、后排桩的水平位移对比

分析图6、图7可以得出：随着基坑开挖深度的进行，桩体位移逐渐变大，开挖初期位移增速相对较缓，后期随着开挖深度的增加，位移增长速率增大，挖至基底时前排桩在-14.0 m处发生最大位移17.37 mm,后排桩在-12.0 m位置处发生最大位移14.50 mm,后排桩位移变形量相对前排桩较小，可以看出在排桩支护体系中前排桩发挥主要作用。前后排桩身变形大致保持一致，说明前后排桩在冠梁以及锚索的共同作用下发挥了很好的整体作用。

2.4　锚索轴力

分析图8可得，锚索在布设不久轴力出现明显的减小，损失量达8 %左右。初期锚索材料预应力的损失可能由于锚索锚固段接触不完全，腰梁段张拉角度不到位引起。在锚索应力损失一段时间后，锚索轴力逐渐变大，是由于基坑深度的加大导致桩体变形增加。锚索轴力在第三道和第四道锚索处轴力达到最大，基坑偏移相对较大。后期随着锚索与双排桩支护结构的稳定，锚索轴力趋于稳定并在一定范围内波动。

图8　锚索轴力随时间变化

3　数值模拟分析

3.1　音乐厅基坑开挖FLAC3D模型建立

基坑工程的竖向影响的范围大致为坑宽度的3到4倍，横向影响范围大致为坑宽的2到3倍[6]，本次基坑模型的大小为：440.0 m×263.0 m×62.0 m(图9)。整个基坑支护体系结构单元如图10所示。依据现场的具体状况对该模型设置边界条件，模型上下边界就x方向设置水平约束，模型底部设置竖向约束，基坑顶部不设置约束条件，假定为自由边界条件[7]。充分考虑影响范围的模型共计42 770个单元，47 740个网格点。

图9　模型几何单元网格

图10　模型支护结构单元体系

3.2　模拟工况开挖

随基坑开挖深度的增加模型的Y方向整体位移云图如图11～图15。

图11　节点一y方向位移云图

图12　节点二y方向位移云图

图13　节点三y方向位移云图

图14　节点四y方向位移云图

图15　节点五y方向位移云图

从图11～图15可以看出，随着基坑开挖的进行，基坑两侧土体向基坑开挖侧偏移，随开挖深度的增大，偏移量随之增大。基坑中部附近位移最大，往两侧逐渐减小，基坑边角处相邻支护结构在一定程度上限制了基坑土体的整体位移。现场资料表明，在开挖过程中双排桩侧桩顶水平位移在该中部最大。对比分析计算结果与实测结果比较吻合，证明本次模拟效果较好，精度达到要求。由上分析得出在以后基坑设计时，针对桩体位于基坑位置的不同，在基坑中部可以适当增加桩径，桩体的刚度以及嵌入深度，在基坑两侧边角处可以适当减小桩径、桩体刚度以及嵌入深度，达到经济最优。

3.3　支护结构的水平位移

支护桩水平位移随深度变化曲线模拟结果如图16和17所示。

(a) 前排桩水平位移 　(b)后排桩水平位移图16　桩体水平位移

图17　基底时前、后排桩的水平位移对比

(1)基坑在每个节点，前后排桩桩顶水平位移的变化基本保持一致，随深度的增大变化值随之增大。说明排桩在一定程度上构成一个整体，连接前后排桩的连梁发挥了重要的作用。

(2)对比不同节点的深度水平偏移值得出：随着节点的依次完成，前排桩身的偏移最大处随基坑深度增加缓慢向下移动，待施工至基坑底部时最大位移约发生在开挖-14.0 m处；这种情况的发生由于作用在桩体上的冠梁、锚索、腰梁以及桩身嵌固泥岩的共同作用，这很好的限制了基坑桩身的变形。

(3)后排桩身位移变形最大处位于桩体中部附近，桩身位移相对前排桩稍小，说明在排桩支护体系中前排桩发挥主要作用。

(4)后排桩变化速率小于前排桩，表明前排桩在支护期间比后排桩会更早发挥支护作用。

(5)挖至坑底时，嵌固在泥岩内前后排桩的底部都发生了一定程度的偏移，整体变化量较小，这说明前后排桩在基坑支护时设计合理，并没有由于深度的缘由导致基坑底部产生大变形甚至失衡。

通过图18可以得到，前排桩身的最大偏移位置位于桩身裸露深度的2/3处，变形值分别为15.68 mm、17.37 mm，桩身裸露部分相对嵌固部分整体变形较大。后排桩身的最大位移大致位于桩身中部位置，变形值分别为12.62 mm、14.27 mm，桩身变形呈现出裸露部分相对较大，嵌固部分相对较小，表明基底的泥岩很好的限制了桩底的变形。前后排桩在施工期间变形趋势大体保持一致，说明前后排桩在整个基坑施工过程中，发挥了很好的协同作用。前排桩变形相对后排桩变形较大，说明前排桩相对于后排桩在整个基坑支护结构中更大程度的分担了基坑的变形，后排桩发挥了很好的限制协调作用。

图18　桩身位移对比

3.4　桩顶位移

从上图19可以得出：整体而言，桩位移随开挖深度变大而逐渐增大；开挖初期整体位移变化速率较大，但整体仍在控制范围内，随着开挖的进行，位移增速减缓；后期趋于稳定，最大达14.12 mm。对比现场实际监测结果，数值模拟与现场结果在趋势曲线基本保持大致相同，但在实际工程中受天气及施工各节点的调整，使得实测结果与模拟结果出现不同，整体模拟值小于实测值。但整体趋势大致相同，证明该基坑开挖期间参数、结构、计算方法选取是合理的，数值模拟在一定程度上体现了支护结构变形规律。

图19　桩顶水平位移变化曲线

3.5　锚索轴力

从图20可看出随着基坑深度的增加土体的移动导致锚索轴力增大，锚索轴力都会伴随着后序锚索的布设出现轻微下降，这是因为后序锚索与前面锚索共同承担了一部分土体压力，最终趋于稳定。模拟锚索轴力值结果略小于现场量测结果，整体变化趋势一致，说明数值模拟对基坑工程具有一定的指导意义。

图20　预应力锚索轴力变化曲线

4　结论与建议

本文结合成都城市音乐厅深基坑支护项目，通过应用数值模拟软件对基坑开挖和支护过程进行分析，探讨了基坑位移、桩顶位移及桩身深度水平位移随基坑开挖的变形情况，主要结论总结如下：

(1)基坑桩顶位移在基坑开挖伊始变形量相对较大，随着深度的增加，锚索与腰梁的布设，变形速率减缓。伴随基坑深度的加深，桩顶位移逐渐加大，伴随着后期锚索的施工，出现轻微的波动，至开挖至基坑底部时位移趋于稳定。

(2)支护结构的水平位移整体随着深度增加而增大，在开挖至设计深度时前后排桩位移均达到最大值，前排桩位移最大分别为15.68 mm、17.37 mm，经对比分析的：前排桩的发生偏移的最大部位位于开挖深度约为-13.5 m左右处，后排桩的桩体位移最大值12.62 mm、14.27 mm，出现在桩顶位置下-13.0 m左右处。在开挖初期，桩顶由于冠梁限制，初期位移量变化较小，随着开挖深度的增大，位移变化量逐渐增大。主要是因为随着分层开挖深度增大，挡土结构承受的土荷载增值不断扩大。在开挖到基底时前后排桩整体位移对比分析看出，前后排桩的变形趋势大致保持一致，联系前后排桩的连梁发挥了显著的变形协调作用。前后排桩的转身偏移量差值在-14.0 m左右处达到最大。

(3)深基坑开挖三维数值模拟计算结果与工程实际测量数据差异在允许范围内。利用三维数值模拟计算对深基坑开挖进行预测计算是可行的，可靠性较高。在深基坑支护结构设计过程中可适当参考数值模拟结果，优化设计，取得更高经济效益。

(4)成都城市音乐厅深基坑工程采用该支护方案取得了不错的效果，说明了该方案具有可行性、安全性、经济合理的特点，为以后类似的工程提供了一定的参考。