双排桩支护结构的计算模型对比分析

2020-09-28蔡建华卢艺伟

工程技术研究 2020年12期

蔡建华，仇明，卢艺伟

（中国有色金属长沙勘察设计研究院有限公司，湖南长沙 410117）

1 工程概况及场地地质条件

1.1 工程概况

某基坑支护工程，基坑顶周边为已建的市政道路和小区，场地原始地貌单元为内河阶地，场地较平整，交通较方便，基坑顶高程为32.5m，基坑底高程约23.8m，基坑高约8.7m，长度约385m，基坑的安全等级为一级。该基坑支护为临时性支护结构，设计使用年限不应超过2年。基坑东侧距东二环15m，南侧基坑顶距某小区多层住宅楼约11.5m。住宅楼采用管桩基础，西侧基坑顶距晚报西街约3.0m，北侧基坑顶距火炬西路约5.5m，基坑周边埋设有各类管网，如给水、电力、燃气和军用等。

1.2 场地地质条件

根据勘察报告描述，场地内地层自上而下可以分为杂填土、粉质黏土、圆砾、强风化砾岩。（1）杂填土①：杂色，稍湿，松散～稍密，成分主要为粉质黏土和砖块砼块，回填不均匀，欠固结，堆填时间大于10年。（2）粉质黏土③：褐黄色，硬塑状，为冲积成因，局部砂质含量较多，主要为细砂。（3）圆砾④：黄褐色，饱和，中密，主要成分为石英、长石等，磨圆度较好，多呈圆状、少量次圆状，为冲积成因。（4）强风化砾岩：褐红色，局部可见砾状结构，中厚层状构造，节理裂隙发育，泥质胶结，胶结较差，砾石主要为石英、砂岩、板岩、硅质岩等，亚圆状，风化裂隙发育，多呈砾石颗粒状、碎块状，岩体基本质量等级为Ⅴ级。岩土体与支护材料计算参数表如表1所示。

表1 岩土体与支护材料计算参数表

2 基坑治理方案

该基坑采用双排桩进行支护，前、后排桩采用C30混凝土，断面形式为圆形，直径D=1.2m，桩长为15.8m，嵌入强风化砾岩不小于4m，桩间距为1.8m，桩排距为2.4m，喷射混凝土面层采用C20混凝土，厚度100mm，如图1所示。

图1 双排桩支护设计图（单位：mm）

3 支护结构设计与分析

3.1 双排桩计算模型选择

双排桩的计算模型复杂，特别是桩间土对前后排桩的影响难以确定。现行规范采用荷载结构模型，认为桩后土体的主动土压力直接作用在支护结构上，坑底以下土体视为弹性地基，在桩上设置一系列连续但是不相关的土弹簧模拟被动土压力，桩间土通过土弹簧连接前后排桩形成整体，被动土压力区和桩间土的土弹簧通过各地层的地基土水平抗力系数的比例系数确定，计算模型如图2所示。地层结构法认为支护结构和地层是共同受力的统一整体，在满足变形协调条件的前提下分别计算支护结构和地层的内力，用以评价支护结构和地层的稳定性，计算模型如图3所示。

图2 荷载结构模型（规范法）

图3 地层结构模型

文章利用有限元分析软件MIDAS进行了荷载结构法、地层结构法的建模分析，同时采用理正深基坑进行了规范推荐方法的计算，通过不同计算方法对水平位移和支护结构内力的对比分析，评价双排桩支护体系的安全性及其对周边土体的影响。

3.2 水平位移对比分析

基坑顶水平位移能反映基坑的稳定性和对周边市政管网的影响，通过不同计算模型的对比，探讨各模型计算结果的差异，如图4～图6所示。水平位移与位移差异幅度如表2所示。

图4 荷载结构法水平位移（单位：mm）

图5 规范法水平位移（单位：mm）

图6 地层结构法水平位移（单位：mm）

表2 水平位移与位移差异幅度表

由图4～图6和表2可以看出，支护结构的最大位移出现在支护桩的桩顶，各模型的计算值均满足位移规范的要求，且对周边市政管网的影响较小；地层结构法较规范法（荷载结构法）水平位移小的原因在于其考虑了桩土协调作用，同时规范偏安全考虑，进一步确保了基坑支护结构的安全性。

3.3 支护结构内力对比分析

通过对支护结构弯矩进行分析，合理确定双排桩的截面尺寸、关键节点设计和配筋方式，如图7～图9所示。弯矩与弯矩差异幅度如表3所示。

由图7～图9和表3可以看出，由于荷载结构法和地层结构法计算模型的差异，双排桩悬臂端最大弯矩的出现位置略有差异，但大致来看弯矩峰值出现在桩顶位置，设计时应加强桩顶与连系梁连接处的节点设计，满足锚固长度的要求。由于受到坑底被动土区的约束，双排支护桩出现反弯点，基坑底以下2m位置处出现反向的弯矩峰值，同时地层结构模型产生的弯矩较规范法略小的原因也是其考虑了桩土协调作用。