后排桩倾斜的双排桩主要作用模式研究
2019-10-20刘攀
刘攀
摘 要：双排桩是近年来新兴的一种护结构，与其他支护结构体系相比，具有支护深度大，易于土方开挖，缩短工期等多个优点，是特殊条件下进行基坑支护设计的重要可选方案。本文基于双排桩拉锚作用模式和自重作用模式，首次提出后排桩倾斜的思想，研究分析了不同后排桩倾斜角度以及不同排距等因素对后排桩倾斜的双排桩主要作用模式的影响，对完善和改进双排桩设计理论具有重要意义。
关键词：双排桩;ABAQUS;倾斜桩;稳定性
双排桩支护结构是大面积深基坑支护的重要可选方案，双排桩支护结构受力合理、侧向位移小，已经在一些工程中得到应用并取得了成功，但在基坑开挖深度很大时，双排桩也会因为其桩身位移和桩身内力过大而不再适用。尤其在繁华的市区对深基坑工程进行设计时[1]，对于支护结构的稳定、变形[2]等安全问题，是设计人员要考虑的重要因素，为了实现最优的支护效果，對支护结构的选型和构造处理的深化与改进极为重要。
本文基于双排桩的两种作用模式创新性的提出后排桩倾斜的设想，事实上，就目前而言，打设具有一定倾斜角度的预制桩已不难实现，提出用适当角度的倾斜排桩代替原双排桩支护结构的后排桩，期望可以在相同的条件下充分发挥双排桩的支护效果，改善支护结构的受力特性，充分利用桩体材料的性能，减小双排桩的桩身变形和内力。
一、工程背景
拟建项目地下两层，站房负1层配套停车服务设施建筑面积约21760m2， 站房负2层配套服务设施建筑面积约为21760m2。基坑呈不规则状，大小约280m×130m，基坑开挖深度10.45～11.95m，属于深基坑。因此，本工程基坑开挖面积大，条件复杂，支护要求高，围护结构基坑安全等级为一级。
二、计算模型
（一）基本计算方案
基坑开挖深度为10m，桩的嵌固深度为10m，将模型中前排桩桩长设置为20m，后排桩桩长设置为
本文对后排桩倾斜的双排桩支护结构提出以下两个研究方案。
1、后排桩倾斜角度对双排桩主要作用模式的影响分析。本文在保持其他参数不变的情况下，仅仅通过主动设置不同的后排桩倾斜角度，探究双排桩结构是否可以有效的抵抗水平荷载的作用，减小桩身位移和桩身弯矩，以及抗倾覆稳定性是否可以得到提高。在这里，分别选取后排桩倾斜角度为0°、10°、20°等3种工况，建立不同的ABAQUS有限元计算模型。
2、排距不同对后排桩倾斜的双排桩主要作用模式的影响分析。在最优倾斜角的情况下，改变排距，在这里分别选取2D，4D，6D，8D等4种工况，建立不同的ABAQUS有限元计算模型。
（二）基本假设和桩土材料参数
木文选用的Mohr-Coulomb模型是一种理想弹塑性模型，它综合了胡克定律和Coulomb破坏准则。有5个参数，即控制弹性行为的2个参数—弹性模量和泊松比，以及控制塑性行为的3个参数一有效黏聚力、有效内摩擦角和剪胀角，适用于稳定性分析。
1、排桩、梁及土体均采用8节点六面体三维单元（C3D8）;
2、双排桩在工作过程中，当土体进入极限状态时，桩仍处于线弹性变形阶段，也就是说土体比桩提前进入塑性状态，因此，双排被建立为线弹性模型;
3、假定地下水埋深高度为0.000，初始地应力平衡时均采用浮密度计算;
4、模型底部土体采用对称约束，假定转角和位移均为零，模型侧面土体假定水平方向位移为零。
三、后排桩倾斜的双排桩主要作用模式影响因素分析
（一）倾斜角对后排桩倾斜的双排桩主要作用模式影响分析
1、桩的位移分析
后排桩倾斜的双排桩支护结构相当于一个插入土体的刚架，与常规双排桩的工作机理类似，但用后排桩倾斜一定角度的双排桩作基坑支护结构，能有效减少桩顶位移和桩身受力，提高双排桩抗倾覆能力，这是因为后排斜桩后的主动土压力比后排竖桩桩后土压力更小，桩后具有滑动趋势的楔形体要更小。由此可知：
（1）桩底侧移最小，前排竖直桩桩的最大桩身侧移不是在桩顶，而是出现在桩顶以下大约4m处，这是因为连梁的作用，极大约束桩顶的侧移，充分体现了后排桩拉锚作用。（2）后排桩倾斜的双排桩的桩身位移变化规律与常规双排桩大致相似，且随着后排桩倾角的增加，双排桩桩顶的位移明显减小，甚至整个桩身的位移都有了极大地减小。对于前排桩而言，当后排桩倾角从0°增大到10°时，桩顶位移值由60.4mm减小到49.6mm，减小幅度达到18%;而后排桩倾角从10°增大到20°时，减小幅度很小。对于后排倾斜桩而言， 整个桩身的位移与前排垂直桩相当，变化趋势也大致相同。
2、桩的弯矩分析
基坑开挖至10m，并在基坑周边加载10kPa时，前、后排桩桩身弯矩随后排桩倾斜角不同的变形曲线。由此可知：
（1）不同倾角下双排桩桩身弯矩图形状大体相似，最大正负弯矩产生的位置基本保持不变，均是相当于一个插入土体的刚架，能够靠基坑以下桩前土的被动土压力和刚架插入土中部分的前桩抗压、后桩抗拔所形成的力偶来共同抵抗倾覆力矩。
（2）随着倾斜角度的增大，前后排桩的桩身最大弯矩值均有所减小，说明增大倾斜角度可以减小桩身内力，这主要是因为倾斜后排桩代替垂直后排桩进行基坑支护时，后排桩后具有滑动趋势的楔形体要比桩垂直时的楔形体要小。
（3）桩身最大弯矩值的位置都有所上移，笔者认为是倾角的增大导致基坑开挖面以下前后排桩间的排距增大，后排桩桩身大部分位于潜在滑裂面以外，从而加强了后排桩对前排桩的锚拉作用，即通过桩顶连梁拉住前排桩，这时双排桩的工作机理可能会部分转为锚拉桩。
四、结语
本文在总结前人研究结果的基础上，基于双排桩主要作用特点提出后排桩拉锚作用首次提出后排桩倾斜的概念，利用ABAQUS软件建立了后排桩倾斜的双排桩支护结构模型，得出了一些比较有价值的结论：
（1）后排桩倾斜角越大，双排桩抗倾覆稳定性逐步得到加强，桩身内力和位移也逐渐减小，可以体现自重稳定性的特征，但增大到一定程度后，对桩身位移和内力的减小也是有限的，这主要是倾角的增加增强了双排桩的锚拉作用，此时，双排桩的工作机理可能部分转化为锚拉桩，建议合理的后排桩倾斜角为10°。
（2）在实际工程中，如果采用后排桩为倾斜的双排桩，可以充分发挥桩体材料的承载能力，不仅在节省材料和降低造价方面很有优势，而且可以极大的提高双排桩的支护效果。
参考文献：
[1]程知言， 裘慰伦， 张可能，等. 双排桩支护结构设计计算方法探讨[J]. 地质与勘探， 2001， 37（2）：88.
[2]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.
