前排桩倾斜对双排桩性状的影响

王祖珍, 董 阁

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司;公路交通节能与环保技术及装备交通运输行业研发中心, 安徽 合肥 230088)

0 引 言

双排桩具有侧移刚度大、施工工期短、施工简便、稳定性强、节约造价等优点，已在基坑支护工程中得到了广泛应用[1-3]。

目前，双排桩围护结构的设计计算理论尚不完善，且常用的双排桩均为竖直分布的前后排桩。在挖方工程中，也可能用到前排倾斜的双排桩。但关于倾斜桩体双排桩的研究较少[4-7]，其受力机制尚不明确。为此，本文基于有限元法，对比分析了前排桩不同倾角对土体水平位移、前后排桩内力的影响，以便深入了解该类双排桩的特性，促进其在工程实践中的应用。

1 有限元计算模型

现针对某一典型基坑工程中的双排桩进行分析。前排桩与后排桩的桩径均为900 mm，桩中心距1 200 mm。桩顶设置冠梁与横梁，横梁尺寸为800 mm×800 mm，前后排桩中心距3.0 m。该工程采用的是竖直等长双排桩，前后排抗滑桩长度均为16.5 m，基坑开挖深度8.0 m。为了分析前排桩倾斜的双排桩的基本特性，假定前排桩的倾角为β，现以该工程为依托建立计算模型，如图1所示。

图1 前排桩倾斜的双排桩示意图

根据地勘报告，从上至下各土层可依次分为①杂填土、②粉质黏土、③粉土、④强风化泥岩、⑤中风化泥岩，采用Mohr-Coulomb模型对土体进行模拟，土层的计算参数见表1。图2给出了β=6°情况下的网格剖分情况。

图2 有限元网格划分

表1 土层计算参数

数值计算按平面应变问题考虑，桩与横梁等效为板单元，等效后前后排桩的轴向刚度EA=2.055×107kN/m、抗弯刚度EI=8.04×105kN·m2/m，连系梁的轴向刚度EA=2.09×107kN/m、抗弯刚度EI=8.54×105kN·m2/m。

挖方工程的计算步骤为：原土体自重应力平衡、激活桩单元、分层开挖(冻结开挖面处的土体单元)至坑底标高-8.00 m处。

2 计算结果分析

通过对比计算，得到了前排桩倾角β分别取值0°、3°、6°、9°、12°情况下的土体变形与桩体内力情况。

2.1 土体水平位移

基坑开挖至标底后，坑壁土体水平位移最大值与前排桩倾角β之间的关系如图3所示。可见，β=0°时的最大水平位移为56.5 mm，β=12°时的最大水平位移为46.3 mm，土体水平位移最大值随着前排桩倾角的增大而减小。

图3 前排桩倾角对土体水平位移最大值的影响

图4给出了基坑开挖后土体的水平位移等值线分布情况，水平位移方向指向开挖工作面。结果表明，β=0°时水平位移最大值的位置位于双排桩顶部坑壁土体中，随着前排桩倾角β的增大，土体水平位移最大值的位置逐渐下移，β=12°时土体水平位移最大值的位置位于坑底前排桩后方的土体中。

图4 土体水平位移等值线分布图(单位:mm)

不同倾角β取值情况下前排桩与后排桩的水平位移分布如图5与图6所示。可见，同一工况中，相同深度处前排桩的水平位移大于后排桩的水平位移。β=0°时的前排桩与后排桩的水平位移最大值分别为56.7 mm、53.4 mm，β=12°时的前排桩与后排桩的水平位移最大值分别为46.3 mm、36.7 mm。随着前排桩倾角β的增大，前排桩与后排桩的水平位移均发生明显的减小，这与土体的变形是一致的。

图5 前排桩倾角变化对前排桩水平位移的影响

图6 前排桩倾角变化对后排桩水平位移的影响

2.2 桩体轴力

不同倾角β取值情况下前排桩与后排桩的轴力分布见图7与图8所示。可见，前排桩的轴力最大值基本位于坑底位置处，而后排桩轴力最大值位于桩顶。β=0°时的前排桩与后排桩的轴力绝对值最大值分别为282.3 kN/m、245.9 kN/m，β=12°时的前排桩与后排桩的轴力绝对值最大值分别为248.7 kN/m、263.7 kN/m。随着前排桩倾角β的增大，前排桩轴力最大值略有减小，后排桩轴力最大值略有增加，但变化幅度均不大。

图7 前排桩倾角变化对前排桩轴力的影响

图8 前排桩倾角变化对后排桩轴力的影响

2.3 桩体剪力

不同倾角β取值情况下前排桩与后排桩的剪力分布如图9与图10所示。可见，前排桩的剪力最大值位于坑底或桩顶位置处，而后排桩剪力最大值位于桩顶。随着前排桩倾角β的增大，坑底以上及以下前排桩的剪力均略有增大，而坑底以上后排桩的剪力略有减小、坑底以下后排桩的剪力略有增加。β=0°时的前排桩与后排桩的剪力绝对值最大值分别为151.2 kN/m、112.1 kN/m，β=12°时的前排桩与后排桩的剪力绝对值最大值分别为134.1 kN/m、80.4 kN/m。

图9 前排桩倾角变化对前排桩剪力的影响

图10 前排桩倾角变化对后排桩剪力的影响

2.4 桩体弯矩

不同倾角β取值情况下前排桩与后排桩的弯矩分布如图11与图12所示。可见，前排桩的弯矩最大值基本位于-4.5 m深度处，而后排桩的弯矩最大值位于桩顶处。β=0°时的前排桩与后排桩的弯矩绝对值最大值分别为480.4 (kN·m)/m、598.6 (kN·m)/m，β=12°时的前排桩与后排桩的弯矩绝对值最大值分别为607.0 (kN·m)/m、659.5 (kN·m)/m。随着前排桩倾角β的增大，前排桩与后排桩的弯矩最大值均呈现增大的趋势。

图11 前排桩倾角变化对前排桩弯矩的影响

图12 前排桩倾角变化对后排桩弯矩的影响

2.5 基坑稳定性

基于强度折减有限元法，对基坑开挖至底时的稳定性进行分析，得到土体滑裂面位置如图13所示，不同倾角β取值对基坑安全系数的影响如图14所示。可见，基坑安全系数随着前排桩倾角β的增大逐渐增大，但前排桩倾角β取值对滑裂面位置的影响非常小。

图13 基坑失稳破坏时的滑裂面位置

图14 前排桩倾角变化对基坑安全系数的影响

3 结 论

(1) 随着前排桩倾角的增大，基坑土体水平位移最大值逐渐减小，土体水平位移最大值的位置逐渐下移。

(2) 同一工况中，相同深度处前排桩的水平位移大于后排桩的水平位移。随着前排桩倾角的增大，前排桩与后排桩的水平位移均发生明显减小。

(3) 随着前排桩倾角的增大，前排桩轴力最大值略有减小，后排桩轴力最大值略有增加，但变化幅度均不大。

(4) 随着前排桩倾角的增大，坑底以上及以下前排桩的剪力均略有增大，而坑底以上后排桩的剪力略有减小、坑底以下后排桩的剪力略有增加。

(5) 随着前排桩倾角的增大，前排桩与后排桩的弯矩最大值均呈现增大的趋势。

(6) 基坑安全系数随着前排桩倾角的增大而逐渐增大，但前排桩倾角取值的变化对滑裂面位置的影响非常小。