双排桩支护在软土地区基坑中的应用与分析

宣锋

(1.上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司 200092;2.上海水业设计工程有限公司 200092)

引言

双排桩支护是一种应用较为广泛的悬臂式围护结构，一些学者在设计理论方面做了大量研究。目前对双排桩基坑的作用机理研究很多，《基坑工程手册》[1]对土压力比例分配法和弹性支点法进行了阐述。现行《建筑基坑设计规程》[2]采用的是弹性支点法，考虑双排桩和桩间土相互作用，将桩间土简化为一维的弹簧，是目前较常采用的设计方法。

近年来，该支护形式在土质较好地区应用较为成熟，但在土质较差地区应用相对较少。目前，双排桩支护在深厚软土地区进行了一些案例应用[3,4]，但在个别案例中由于墙体刚度太小造成了变形过大[5]，也有堆载过大引起结构失稳的现象[6]，因此有必要对软土地区的双排桩基坑支护设计做进一步研究。

本文结合上海市某原水泵站基坑案例，通过弹性支点法和有限元方法，对深厚软土地区的双排桩支护的内力、变形、稳定性和环境影响进行研究，并结合现场实测结果进行分析，为后续设计和施工提供参考。

1 基坑概况

图1 基坑平面布置Fig.1 Layout of excavation

编号土层名称厚度/mγ/(kN/m3)φ/(°)c/kPaEs/MPam/(MPa/mm2)①填土1.118101021.33②1粉质粘土1.418.318183.144.32③1淤泥质粉质粘土5.41820146.564.93③3粘土3.717.7141410.332.61⑥1-1粉质粘土3.219.619.5394.366.37⑥2-1砂质粉土5.618.533.556.7313.06⑥3粉质粘土118.120165.085.06⑥4-1粉质粘土319.53444.813.41⑥4-2粉质粘土518.4191944.81

表中：γ为重度；φ为直剪固快试验内摩擦角；c为直剪固快试验粘聚力；Es为压缩模量；m为水平向基床系数沿深度增大的比例系数。

2 弹性支点法设计与分析

2.1 支护结构选型分析

对于市政给排水工程中的大型泵房，其内部结构较为复杂，没有明确的水平受力体系，不适合采用设置内支撑的围护结构，而且厂站内地下管道密布、空间狭小，拉锚支护会影响后期管道和构筑物施工。从施工工期、施工难度和经济造价综合考虑，较为合理的基坑形式为悬臂式围护结构。除西侧基坑开挖深度较浅采用重力式挡墙外，其余侧均采用双排灌注桩支护。常规深度处的基坑剖面见图2。

图2 基坑剖面Fig.2 Profile of excavation

2.2 双排桩计算及参数分析

由于上海市基坑规范[7]没有提供双排桩围护的计算方法，设计采用《建筑基坑设计规程》[6]中的弹性支点法，计算采用启明星软件中的双排桩计算模块。考虑到位于软土地区，根据上海地区经验，各土层水土压力采用水土分算，相关参数见表1。周边堆载取20kPa。

前后排桩径、前后排桩距、桩间土压缩模量、连板厚度是影响支护桩变形和内力的重要因素[1]。为了进一步了解软土地区影响双排桩支护变形和内力的主要因素，以下就上述影响因素进行参数分析。

1. 桩径的影响

图3、图4分别显示了前后桩排距3m、桩径600mm～1200mm时，计算所得的最大变形和最大弯矩。从图中可知，随着桩径的增大，桩体最大位移明显减小，前排桩弯矩随之增大，而后排桩弯矩影响不大。

图3 不同桩径下桩的最大变形Fig.3 Pipes maximum deformations with different diameters图4 不同桩径下桩的最大弯矩Fig.4 Pipes maximum bending moments with different diameters

2.前后桩排距的影响

图5、图6分别显示了桩径D=1000mm、前后桩排距2m～5m时，计算所得的最大变形和最大弯矩。从图中可知，随着排距的增大，桩体最大位移和前排桩弯矩影响不大，而后排桩弯矩随之增加。

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图5 不同排距下桩的最大变形Fig.5 Pipes maximum deformations with different spaces between double-row-piles图6 不同排距下桩的最大弯矩Fig.6 Pipes maximum bending moments with different spaces between double-row-piles

3.桩间土压缩模量的影响

图7、图8分别显示了桩径D=1000mm、桩间土压缩模量Es=2MPa～9MPa时，计算所得的最大变形和最大弯矩。从图中可知，随着压缩模量的增大，桩体最大位移减小并不明显，前排桩弯矩影响不大，而后排桩弯矩随之增加。

图7 不同桩间土压缩模量下桩的最大变形Fig.7 Pipes maximum deformations with different compression modulus of soil between pipes图8 不同桩间土压缩模量下桩的最大弯矩Fig.8 Pipes maximum bending moments with different compression modulus of soil between pipes

4. 连板厚度的影响

图9、图10分别显示了桩径D=1000mm、连板厚度取0.5m～0.9m时，计算所得的最大变形和最大弯矩。从图中可知，随着连板厚度的增大，桩体最大位移减小并不明显，前排桩弯矩在连板厚度由0.5m增加至0.6m时增加较快，但随后影响不大，而后排桩弯矩随之减小。

图9 不同连板厚度下桩的最大变形Fig.9 Pipes maximum deformations with different thicknesses of connecting plate图10 不同连板厚度下桩的最大弯矩Fig.10 Pipes maximum bending moments with different thicknesses of connecting plate

2.3 双排桩支护设计

通过上述分析可知，桩径是影响桩体位移的主要因素，本次设计前后排桩径D=1000mm，前排桩距为1150mm，后排桩距为1725mm。计算分析认为前后桩排距对位移影响不大，而相关分析显示较优的排距为3D～5D[1]，结合现场条件，前后桩排距取3m。桩顶连板厚度取0.7m，桩间土压缩模量Es=5MPa，地面活载取20kPa。双排桩支护设计如图11所示。弹性支点法计算的计算结果见图12，桩顶最大位移为42.4mm，前排桩桩身最大弯矩为1005kN·m，最大剪力为411kN，后排桩桩身最大弯矩为439kN·m，最大剪力为71kN。

图11 双排桩设计布置Fig.11 Layout of double-row-piles

双排桩的稳定性验算主要包括：整体稳定性验算、抗倾覆验算以及墙底抗隆起验算。本工程基坑安全等级为二级。通过计算，当前排桩嵌固深度为11.5m时，整体稳定性系数Ke=1.64(≥1.3)，抗倾覆稳定系数Ks=1.23(≥1.2)，抗隆起安全系数Kb=4.15(≥1.6)，上述指标均满足二级基坑要求。

图12 双排桩的桩体位移及内力Fig.12 Deformations and internal force of double-row-piles

3 有限元分析

为了进一步研究双排桩的受力、变形和稳定性情况，本文采用PLAXIS 2D有限元软件作进一步分析。有限元模型土层厚度取40m，土体总宽度取100m，其中坑内土体宽度约为30m，坑外土体宽度为70m。土体本构模型采用硬化土体模型(Hardening strain模型)，软土参数根据上海地区反分析计算的相关经验值选取[8]。地面活载取20kPa。灌注桩、连板采用线弹性模型的梁单元。

图13 前后排桩位移曲线Fig.13 Deformations of double-row-piles

通过计算，前后排桩水平位移如图13所示。图中可知，前、后排桩变形形态基本相近，最大位移约为48mm。基坑外侧土体竖向沉降曲线见图14，曲线呈凹槽型，坑边处的沉降值约为12mm；最大沉降值约为34mm，沉降最大点发生在围护桩外11m；围护桩外侧25m以外变形逐渐减小，外侧40m以外的影响很小。由上述分析可知，双排桩支护虽然为悬臂式支护，但在软土地区桩后地表沉降曲线并不是呈现桩后处最大的三角形曲线，这与土体性质关系较大，更接近于软土地区的板式支护体系墙后地表沉降曲线[7]。本案例中，坑边处的沉降值约为0.25倍桩体最大位移，最大沉降值约为0.7倍桩体最大位移，沉降最大点发生在约1倍开挖深度处，约2.5倍开挖深度以外变形逐渐减小，约4倍开挖深度以外的影响很小。

图14 地表沉降曲线Fig.14 Ground surface settlement

此外，有限元计算还采用强度折减法对其整体稳定性进行评价，得到整体稳定性系数Ke=1.69(≥1.3)，与弹性支点法计算结果相近。在弹性支点法计算中，前后排桩距对基坑变形和内力影响不明显，为了进一步分析桩间距的影响，对其进行参数分析。

图15 不同排距下桩的最大变形Fig.15 Pipes maximum deformations with different spaces between double-row-piles图16 不同排距下桩的最大弯矩Fig.16 Pipes maximum bending moments with different spaces between double-row-piles

图15、图16分别显示了不同排距下桩最大变形和最大弯矩，随着桩排距增大，桩最大变形逐渐减小，桩间距为3D～5D时，变化也并不明显；前排桩弯矩基本不变，其计算结果约为弹性支点法计算值的1/2～1/3，后排桩弯矩随桩间距增大而增大。造成该现象的主要原因可从两方面分析：1)有限元计算的桩体底部位移较弹性支点法略偏大，整个桩体变形曲线较缓和，桩体弯矩偏小；2)有限元法前后桩最大弯矩的比值约为1.1，弹性支点法比值约为2.3，可知弹性支点法前后桩弯矩差异较大，主要由前排桩承担荷载，而有限元法中前后桩体共同受力特点明显，该情况与图13反应的结果一致，因此有限元法前排桩弯矩偏小。

4 工程实测及分析

双排桩支护作为悬臂式围护形式，土方开挖速度快，不影响主体结构施工，极大地加快了施工工期，从基坑开挖至主体池体结构施工完成仅6个月，较常规带内支撑的围护结构节约2个月工期。为了确保基坑安全，本工程进行了土体水平位移监测和坑外土体沉降监测，沉降观测点由于施工场地硬化等原因未能测得数据。

图17 基坑各监测点最大位移分布Fig.17 Maximum deformations of monitoring points

图17显示了基坑各监测点的前排桩最大位移。图中可知，由于基坑整体空间效应，且桩顶连板刚度较大，东侧基坑变形较小，为24mm；基坑北侧没有堆载和车辆荷载，最大变形约为28mm；基坑南侧由于有施工车辆荷载，以及坡顶设置钢筋堆场等因素，最大变形约为42mm。由于双排桩支护未形成封闭结构，其南、北两侧基坑敞口部位变形特性呈现平面应变条件下的变形，而南侧敞口部位(发生42mm位移处)在车辆荷载条件下，其受力情况更接近弹性支点法和二维有限元计算模式。从上述实测变形结果分析，对于四边未封闭的基坑，建议在开口处端部设置多排灌注桩，以加强端部刚度，减少基坑位移最大处的变形。

墙顶变形最大处的位移曲线如图18所示。图中可知，弹性支点法计算结果更接近实测变形形态，有限元计算结果与实测结果数值上相近，但变形形态稍有不同，下部土层实际约束桩体变形较有限元模拟更好。

图18 前排桩体变形Fig.18 Comparison of maximum deformations of the front row pipe

5 结语

1．通过本文工程案例分析，双排桩支护按基于水土分算的弹性支点法进行计算，所得的桩体变形与实测结果吻合。

2．本文案例分析表明，桩径是控制桩体位移的主要因素；当排距超过3D时，对桩体变形和内力影响不明显。

3．本文案例有限元分析显示，坑外地表沉降曲线更接近于凹槽型分布，最大沉降值约0.7倍桩体最大位移，沉降最大点发生在约1倍开挖深度处。

4．实测结果显示，双排桩基坑在两端约束时具有较为明显的空间效应。在软土地区，对于未封闭基坑的端部薄弱部位，建议采取设置多排桩等措施加强刚度。

5．本工程为典型软土地区市政工程基坑，鉴于基坑工程工况和参数复杂，上述结论有待更多的工程案例进行论证。