深基坑双排桩支护结构抗震设计及工程应用

(中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071)

1 概述

随着基坑工程的不断发展，支护形式从最早的放坡开挖到悬臂式支护结构、内撑式支护结构、土钉墙支护结构等等。双排桩支护结构在近几年工程中也得到广泛应用，它是在地基土中设置2排平行桩，前后2排桩桩体成矩形或梅花型布置，在桩顶用刚性冠梁将2排桩连接，沿坑壁平行方向，形成门字形空间结构。由于双排桩支护结构具有较大的侧向刚度，可有效限制支护结构的侧向变形，场地条件限制小，其支护深度比一般的悬臂式结构要大。因此，在施工场地周边环境受到限制或对变形有严格要求的深基坑工程中，双排桩支护结构有更加明显的支护效果。

关于双排桩支护结构的设计理论虽然已有较多的探索，但动力计算的研究几乎没有，参照挡土墙结构的地震相关计算方法，或将地震作用转化为静力作用在双排钻孔灌注桩结构上，由于双排钻孔灌注桩结构受力条件比较复杂，上述假定的地震分析存在理论和计算方法的不足，分析结果可能存在偏差。为了确保地震作用下设计的可靠性，有必要进行非线性地震时程分析，以获得可靠的计算成果进行设计。

本文通过实际工程为例子，截取典型断面，建立有限元模型，采用动力弹塑性时程分析方法，将结构作为弹塑性振动体系加以分析，直接按照地震波数据输入地面运动，通过对时间的积分运算，求得在地震作用下各时刻结构内力和变形发展的全过程，较好解决了工程设计中双排桩支护结构的地震分析计算问题，为类似工程的结构设计提供了借鉴。

2 工程实例

2.1 工程概况

本工程位于加勒比海南岸，是委内瑞拉目前最大的火力发电厂。原取水渠道宽40 m，深10 m。本期工程的取水渠道为原渠道的延长段，将原有取水渠道直接延长72 m。此段施工完成后将与原取水渠道连接。渠道中为海水，有强腐蚀性。本期新建渠道东北侧与原取水渠道连接，其余侧均邻厂区道路，道路侧为本期新建的构筑物，整个厂区场地狭窄，建筑布置紧凑。

委内瑞拉中央电厂现场实景图及总平面布置图见图1和图2。

图1 委内瑞拉中央电厂实景图

图2 委内瑞拉中央电厂总平面布置图

2.2 工程地质条件、水文地质条件及场地地震效应

场地属海岸平原地貌，其原始地面缓缓倾向大海。根据勘察结果，本场地地基岩土层由上而下分述如下：

土层1 (杂填土)：主要成分为建筑垃圾(主要为混凝土块、废铁和废钢筋)、块石、碎石、粉细砂和粘性土，局部以大块石为主，根据钻孔岩芯推断，部分块石粒径达1.50 m左右，结构较松散。该层普遍分布于场地表层，层厚变化较大，一般层厚0.60～9.50 m。

土层2 (粉砂)：含多量贝壳碎屑和白云母碎片，见少量腐烂植物碎屑，局部含少量卵、砾石和珊瑚礁，具微水平层理。该层分布较为普遍，分布厚度相对较大，一般层厚1.00～14.10 m。

土层3 (粉土)：局部或相变为粉质粘土，或相变为粉砂。该层饱和、中密。一般层厚1.00～13.90 m。

土层4 (强风化泥质砂岩)：岩石风化强烈，风化程度不均，局部呈砂状、土状，节理裂隙十分发育，节理裂隙面光滑。岩芯呈柱状、饼状、碎块状。

场地地下水主要为埋藏于上部粉砂层中的孔隙潜水，水位变化幅度较小，勘测期间一般水位埋深2.00 m左右，水量较为丰富。场地北距加勒比海较近，地下水与海水具一定的水力联系。该层地下水主要接受大气降水、地表水和侧向径流补给，给大气蒸发和向大海方向的侧向径流为主要排泄方式。

工程场地抗震设防烈度为8度，设计地震有效峰值加速度0.30 g。场地土类别为中软土、中硬土和软质岩石；建筑场地类别为Ⅱ类(S3级)。场地内分布的土层2 (粉砂)和土层3 (粉土)在地震作用下，绝大部分具有液化的可能，其液化等级以严重为主，中等次之，仅个别为轻微。

2.3 取水渠双排桩支护结构抗震设计方案

取水渠结构采用双排钻孔灌注桩进行支护。灌注桩直径800mm，C35混凝土，长26 m，前排桩间距为1.0 m，后排桩间距为1.0 m，前后排桩间距为7.0 m，桩顶设置有截面为1.6 m×1.2 m的冠梁，前、后排桩桩间设有截面为0.8 m×1.2 m的连梁，连梁间距为2.0 m。为使取水渠道有更好的止水效果，在第一排灌注桩的外侧用高压旋喷桩(直径650mm一排，搭接170mm)作为截水帷幕。

委内瑞拉中央电厂取水渠道采用双排钻孔灌注桩支护作为非临时性结构的设计方案，在工程应用中尚属首次。为了确保地震工况下设计的可靠性，利用大型通用软件对双排桩支护结构进行地震时程分析。取水渠道结构布置平面图见图3。

图3 取水渠道结构布置平面

图4 取水渠道计算简图

3 基坑支护结构抗震设计

3.1 计算要点

采用动力弹塑性时程分析方法，将结构作为弹塑性振动体系加以分析。计算取水渠道结构的抗震性能，通过分析在多遇地震、设防地震及罕遇地震下取水渠道双排灌注桩、连梁的内力、位移，高压旋喷桩的内力、位移及塑性变形，土体的应力及塑性变形，确认结构是否满足设防水准的要求，并根据以上计算分析结果，针对结构薄弱部位和薄弱构件提出相应的加强措施。

3.2 计算模型和边界条件

模型以工程实例为基础，将工程实例加以简化，以获得计算模型。本次计算截取典型渠道段进行分析。典型渠道段为取水渠的主渠道，渠道部分结构见图4。沿渠道长度方向，由于两根灌注桩之间的中平面可以近似认为是渠道的对称面，可以按准平面应变问题进行简化。取水渠道长度方向为模型x轴，渠道宽度方向为模型y轴，竖向为模型z轴。模型x轴方向尺寸为3 m，y轴方向尺寸为600 m (为渠道宽度的15倍)，z轴方向尺寸为30 m。灌注桩桩长取为23 m，高压旋喷桩桩长取13.4 m，各土层厚度按设计资料取值。

整体计算模型见图5，根据准平面问题的简化要求，限制x方向的位移，即令x=－1.5 m及x=1.5 m的边界x方向的位移ux=0。y方向的边界约束y方向的位移，即令y=－300 m及y=300 m的边界y方向的位移uy=0。模型底部边界条件在静力分析时设为固定，及令z=0 m的边界x、y、z方向的位移均为0，在动力时程分析时，y方向位移约束被解除，施加加速度边界条件。

图5 典型渠道段整体计算模型

渠道支护结构见图6，支护结构由灌注桩、冠梁、连梁、高压旋喷桩(止水帷幕)与挡土墙构成。

图6 典型渠道段支护结构

挡土墙底部节点与对应冠梁节点位移耦合，挡土墙与土接触的部分与对应土体节点位移耦合。灌注桩、高压旋喷桩则整体嵌入到相应土体单元中。

3.3 材料模型与参数确定

工程主要涉及三类基本材料, 即钢筋混凝土(灌注桩、冠梁、连梁和挡土墙)、水泥土(高压旋喷桩)和土体。工程中的灌注桩、连梁、冠梁与挡土墙采用钢筋混凝土材料，且混凝土标号均为C35。为简化计算，设置为线弹性材料。计算中选取扩展的Drucker－Prager模型来模拟土体。土层的参数取值可依据岩土工程勘测报告，并参考类似工程的经验，来确定合理的土层参数。对液化土层的模拟主要采用强度折减法(降低c、φ值)进行简化处理。高压旋喷桩墙可视为土体被加固，按加固后的土体取值。跟土体一样选用扩展的Drucker－Prager模型来等效模拟。

各类材料具体的计算参数见表1和表2。

表1 材料参数

表2 土体原参数

3.4 计算工况与荷载

计算分为静力计算工况和动力计算工况两部分。静力分析时对渠道的开挖以及最后的供水过程进行模拟，主要荷载有自重、水土相互作用、渠道内水压力。动力分析时，在渠底施加加速度边界，增加了地震惯性力的作用。

3.5 主要计算结果

静力分析时，提取不同开挖深度和低水位运行时前后排灌注桩、连梁和旋喷桩的内力、位移。动力时程分析时，分别计算输入Elcentro波和人工波的结果，提取内力、位移绝对值的峰值，并取其平均值，最后绘制内力和位移的曲线图。

典型渠道段静、动力计算结果具体数据见表3～表6。

表3 典型渠道段后排桩最大静、动内力与位移

表4 典型渠道段前排桩最大静、动内力与位移

表5 典型渠道段连梁最大静、动内力

表6 典型渠道段高压旋喷桩单位宽度最大静、动内力与位移

通过对取水渠道典型段的静、动力计算结果比较和分析，得出的结论如下：

(1)地震作用下，灌注桩的位移和加速度从桩底向桩顶增大，剪力峰值和弯矩峰值的最大值大多出现在桩顶，轴力峰值具有桩身中部大、桩顶和桩底小的特点。前后排灌注桩的内力峰值出现在桩顶、土层分界以及开挖到渠底－10 m深度。

(2)静力分析时，前排桩轴力、剪力与位移最大值比后排桩大，弯矩最大值比后排桩小。在地震作用下，后排桩动剪力峰值、动弯矩峰值的最大值一般比前排桩大，但两排桩的动位移峰值最大值接近，满足允许的变形要求。

(3)在地震作用下，连梁剪力和弯矩峰值的最大值一般都发生在靠近后排桩的截面上。

(4)高压旋喷桩在地震作用下，其内力峰值出现在桩顶、桩底和土层分界处。加速度和位移峰值出现在桩顶。

(5)土体在静力和地震作用下，渠道土体塑性区没有形成滑动面，因此土体处于稳定状态，也表明灌注桩、连梁、冠梁所构成的体系有效地加固了土体。

(6)根据以上计算结果分析，在设防地震和罕遇地震条件下，灌注桩在桩顶区域内剪力和弯矩大于设计值，连梁在后排桩区域内剪力和弯矩超过设计值，需要考虑在此区域采取局部增强措施，适当增加后排冠梁高度，以保证结构满足抗震要求。高压旋喷桩在静力和多遇地震作用下不会出现塑性区，但在设防地震或罕遇地震作用下桩顶区域会产生塑性区，较易损坏，应考虑局部进行适当加强。

4 小结

利用动力弹塑性时程分析方法对深基坑双排桩支护结构进行地震作用模拟计算，直观地反映各个时刻地震作用引起的结构响应，包括变形、应力、塑性变形等，通过对结构进行弹塑性时程分析，可以得到在地震作用下结构的非线性全过程反应及破坏机制，从而找到其中可能存在的薄弱部位，为及时加固和合理选择加固方案提供理论依据，以采取切实有效的抗震措施。本文用工程实例，通过模拟计算给出了深基坑双排桩支护结构地震作用模拟计算的结果，计算结果表明高烈度地震区域采用双排桩结构技术方案合理可靠，结构抗震安全，为同类工程结构设计提供借鉴。