锚索双排桩深基坑开挖受力特性研究

王义军

(成都市勘察测绘研究院，四川 成都 610081)

随着城市的发展以及城市空间的限制，高层建筑成为现代城市建筑的主体,而高层建筑的深基坑工程也广泛的出现在城市建设之中。由于城市建筑密集，基坑变形必须控制在一定范围之内，所以各种新型的支护方法应用于基坑工程之中。由于锚索双排桩能很好的控制变形[1-2]，所以锚索双排桩如今被广泛应用于具有较高变形要求的基坑工程之中。

目前双排桩的研究主要集中于基坑变形及双排桩的设计计算，如：王鸿运等[1]结合现场实际监测成果，分析了基坑变形性状以及对周边建筑物变形的影响；周应华[2]研究了门架式双排桩桩身的内力位移分布特征及相应的设计施工技术；马郧等[3]基于Winkler 假定提出了双排桩支护结构计算方法的改进模型；吴刚等[4]考虑了滑移面和排距对作用在前后排桩上的土压力的影响，在弹性地基梁法的基础上，提出了一种新的双排桩支护结构设计计算模型。这些研究为双排桩的设计计算提供了重要参考依据。

本文通过对锚索双排桩的受力分析，分析开挖过程中基坑变形特征以及双排桩的内力变化，为双排桩在实际工程的应用提供参考。

1 基坑工程背景概况

1.1 工程概括

工程位于成都市。工程设四层地下室，南侧局部设一层地下室，主楼采用筏板基础，裙楼采用柱下独立基础，双排桩支护侧基坑周围建筑物较多，距离基坑10 m有两栋6层砖砌体结构，采用条形基础，基础埋深2.5 m左右，双排桩处基坑开挖深度为7.85 m(图1)。

1.2 工程地质概况

场地位于成都市区，场地范围内采用井点降水，场地降水深度23 m。场地主要土层为卵石土层，土层顶部为粉质黏土和杂填土，地层从上至下依次为：

1)人工填土层：灰色，主要由黏性土组成，混少量植物根系、砖瓦块等，可塑为主，场地人工填土层分布连续，厚度3.2 m。

图1 基坑支护桩平面布置图Fig.1 Foundation pit support pile plane layout

2)粉质黏土：灰、灰黄色。含铁锰质氧化物，钙质结核；可塑为主，分布基本连续，厚度3.5 m。

3)细砂：灰、灰黄色。系长石、石英、云母细片、岩屑及暗色矿物等颗粒组成，局部相变为砾砂或中砂，松散，饱和，呈透镜体状及层状分布于卵石土层顶部，大部分地段分布，厚度1.5 m。

4)卵石：灰、灰黄色，卵石成分系岩浆岩及变质岩类岩石组成。多呈圆形～亚圆形。一般粒径3～6 cm，部分粒径大于8 cm；上部卵石以弱风化为主，一般25 m以下卵石以中～强风化为主，充填物以中砂为主,混少量砾石，含量约15%～45%，饱和。可将其划分为松散卵石、稍密卵石、中密卵石和密实卵石4个亚层。卵石层顶板埋深在8.2 m。

表1 地层主要物理力学参数
Tab.1 Main physical and mechanical parameters of the stratum

层号土类名称层厚/m重度/kN·m-3黏聚力/kPa内摩擦角/(°)1杂填土3.2019.03.0010.002粉质黏土3.5019.520.0010.003细砂1.5019.00.0025.004稍密卵石5.6021.00.0035.005密实卵石5.5023.00.0040.006中密卵石1.0022.00.0038.007中砂0.6020.00.0025.008密实卵石3.7023.00.0040.009中密卵石1.9022.0——

5)中砂：灰、灰黄色，系长石、石英、云母细片、岩屑及暗色矿物等颗粒组成，松散～稍密，饱和，呈透镜体状分布于卵石土层中，部分地段中砂混15%～30%的卵石，卵石粒径2～5 cm。中砂厚度1 m。

2 双排桩计算模型

双排桩的计算模型采用的是平面钢架模型(图2)。其外荷载为土压力。前排桩主要承受被动土压力，后排桩承受主动土压力，桩间土压力可按照静止土压力计算，但误差较大;其次桩间土压力一般采用土压力分配模型进行计算[5]。双排桩由于桩间土的作用和“拱效应”影响，前后排桩的排列形式对土压力分布起关键作用。

图2 双排桩计算模型Fig.2 Double row pile calculation model

2.1 梅花形布置

由图3(a)所示，前后排桩均有主动土压力σa，但是由于桩间土对前后排桩产生土压力Δσa，则前后排桩的土压力分别为：

前排桩土压力:

paf=σa+Δσa

(1)

后排桩土压力:

pab=σa-Δσa

(2)

Δσa=βσa

(3)

式中：β为比例系数，由式(4)确定。

(4)

式中参数由图4确定。

(a)梅花形排列 (b)矩形排列图3 双排桩不同布桩形式时桩间土压力的传递Fig.3 Transmission of soil pressure between piles in different arrangement of double-row piles

图4 β计算简图Fig.4 β calculation sketch

2.2 矩形布置

由图3(b)所示主动土压力作用于后排桩上，桩间土压力为Δσa，则前后排桩的土压力分别为：

前排桩土压力：

paf=Δσa=βσa

(5)

后排桩土压力:

pab=σa-Δσa

(6)

桩体采用基于弹性地基梁m法的弹性抗力法进行分析，地基模型采用文克尔(E.Winkler)地基模型。

3 基坑开挖锚拉双排桩受力分析

3.1 梅花形布置

双排桩前后排间距2.7 m，护壁桩直径1.20 m，桩长21.85 m，嵌固段深度4.0 m，采用矩形布桩方式。前后排护壁桩桩顶均设一道1.2 m×0.8 m冠梁，连梁尺寸为1.2 m×0.8 m。双排桩桩心距2.50 m。前排设三排预应力锚索：第一排锚索设置在现场地坪下6.5 m，长20.0 m，预应力为250 kN，锚索为3S15.2钢绞线;第二排锚索设置在现场地坪下9.0 m，长20.0 m，预应力为350 kN，锚索为4S15.2钢绞线；第三排锚索设置在现场地坪下11.5 m，长20.0 m，预应力为400 kN，锚索为6S15.2钢绞线；锚索均设置在桩上。护壁桩桩芯砼强度C30,桩顶冠梁C30，连梁C30。桩间采用φ8@0.20 m×0.20 m钢筋网与植筋连接，喷砼护壁。喷射砼强度等级C20，厚度80 mm(图5)。

图5 锚拉双排桩设计方案Fig.5 Anchored double-row pile design

3.2 计算结果分析

基坑的施工顺序是影响双排桩受力的重要因素之一，合理安排施工顺序是保证工程施工安全的重要前提。此工程的施工顺序为：旋挖成孔—浇筑混凝土—浇筑冠梁—开挖基坑—桩间网喷，施工锚索—开挖基坑。

当开挖深度7 m时，土压力全部由双排桩承担。如图6 所示，前排桩(红色曲线)和后排桩(蓝色曲线)土压力相对较小；双排桩受冠梁约束，桩顶位移一致，但桩顶以下位移后排桩位移大于前排桩位移，且由于前后排桩剪力零点位置不同，最大弯矩点不同，且最大弯矩方向相反。在6.5 m处设置第一道锚索，并预加250 kN预应力(图7)，则双排桩内力仅剪应力有较大变化，弯矩和土压力无较大变化，造成此受力特征的原因为，锚索在基坑底部，所以对双排桩上部内力和土压力影响较小。

图6 基坑开挖深度7 m双排桩内力及土压力分布Fig.6 Internal force and earth pressure distribution of double-row pile with excavation depth of 7 m

图7 基坑开挖深度7m加锚索双排桩内力及土压力分布Fig.7 Internal force of anchored cable double-row pile and earth pressure distribution of foundation pit with excavation depth of 7m

当开挖深度9.5m 时，如图8所示，土压力进一步增大，但前排桩(红色曲线)在坑底以上为被动土压力，坑底以下土压力为较小的主动土压力，后排桩(蓝色曲线)坑底以上为主动土压力，坑底以下为被动土压力。此时双排桩的位移加大，但曲线形状未变，最大弯矩点和剪力零点位置下移，且最大剪力值、弯矩值和第一道锚索拉力值增大。在基坑底部9 m处设置第二道锚索，并预加350 kN预应力(图9)，双排桩内力仅剪力曲线有变化，其它曲线未有较大变化。

图8 基坑开挖深度9.5 m双排桩内力及土压力分布Fig.8 Internal force and earth pressure distribution of double-row pile with the excavation depth of 9.5 m

图9 基坑开挖深度9.5 m加锚索双排桩内力及土压力分布Fig.9 Internal force and earth pressure distribution of anchored cable double-row pile in foundation pit of excavation depth 9.5 m

当开挖深度12 m时，由图10所示，前排桩被动土压力最大值达197.8 kN/m，桩后主动土压力值达到76.05 kN/m。后排桩最大主动土压力为411.58 kN/m,最大被动土压力值为148.44 kN/m，前后排桩的土压力零点下移。由剪力图和弯矩图可知，前排桩最大弯矩点下移较多，但后排桩最大弯矩点变化较小。在11.5 m处设置第三道锚索并预加400 kN预应力，位移、弯矩和剪力最大值未有较大变化，但剪力曲线形状在新设锚索处发生变化。

图10 基坑开挖深度12 m双排桩内力及土压力分布Fig.10 Internal force and earth pressure distribution of double-row pile with excavation depth of 12 m

图11 基坑开挖深度12 m加锚索双排桩内力及土压力分布Fig.11 Internal force and earth pressure distribution of anchored cable double-row pile in foundation pit with excavation depth of 12 m plus

当开挖深度17.85 m时，由图12所示，前排桩约在14 m以上为主动土压力，在14 m到坑底为被动土压力，基坑以下为主动土压力；基坑开挖到设计深度，前排桩最大位移值为18.54 mm,后排桩最大位移为19.23 mm。最大弯矩点前后排桩位置在15 m处，但方向相反。在坑底前后排桩有方向相反的最大剪力值。

图12 基坑开挖深度17.85 m双排桩内力及土压力分布Fig.12 Internal force and earth pressure distribution of double-row pile with excavation depth of 17.85 m

4 结论

通过对实际深基坑锚索双排桩支护计算结果的分析，可以得到如下几点结论:

1)锚索只对双排桩的剪力分布有较大影响，对弯矩分布、最大弯矩位移的影响较小。

2)受冠梁的约束，前后排桩顶部位移相同，但桩顶以下前排桩的位移小于后排桩的位移。

3)前排桩基坑开挖面以上因为前排桩位移小于后排桩，土压力为被动土压力，在基坑开挖面以下土压力为主动土压力。

4)后排桩基坑开挖面以上为主动土压力，在基坑开挖面以下土压力主要为被动土压力。