群桩支护在泵站基坑开挖变形控制的研究

张义

（温州市水利电力勘测设计院有限公司，浙江 温州 325000）

1 引言

群桩支护被广泛应用于基坑工程中，近年来，许多专家学者针对群桩支护对基坑变形开展研究。

李楠等人开展振动台试验，研究群桩支护对边坡稳定性的影响。段旭等人开展模型试验，研究支护桩的力学性能。鲍亮亮以某基坑工程为研究对象，基于有限元软件，分析其变形与受力情况。赵歆等人对某基坑工程机械数值模拟，研究开挖对其位移及受力情况的影响。李鑫等人研究桩间距及其物理性质对支护桩受力情况的影响。

采用有限差分法和考虑实体-结构相互作用的方法对基坑支护桩进行数值模拟，研究桩长、桩排距和桩径对桩身位移的影响，开挖步数对支护桩变形和受力情况的影响。

2 数值模拟

基于有限差分法对支护桩进行数值模拟，研究各计算参数对基坑变形的影响。土体相关性质如表1。

表1 土体相关性质表

分别采用两种有限差分法和考虑实体-结构相互作用的方法对基坑支护桩进行数值模拟，分比研究可控参数与不可控参数对基坑变形的影响。

3 计算结果分析

首先采用有限差分法和考虑实体-结构相互作用的方法对基坑支护桩进行数值模拟，研究桩长、桩排距和桩径对桩身位移的影响，其计算结果如表2。

表2 桩身位移表

由表可知，当桩长为18时，其前排桩最大水平位移减小率为7.56%，后排桩最大水平位移减小率为10.12%。通过上述分析可得，随着桩长的增大，增大桩长对支护桩变形的改善效果并不明显，当桩长较小时，增大桩长对支护桩变形的改善效果显著，因此，可选取桩长为18 m为最优桩长，以改善支护桩的变形情况。增大桩排距会增大支护桩的变形，不利于结构的稳定性。在工程实际中，可通过减小桩排距控制结构的变形情况。随桩径的增大，支护桩的前排桩、后排桩的最大水平位移无明显的变化趋势，说明桩径的改变对支护桩的变形无明显的影响。

综上所述，为减小支护桩的变形，增强其稳定性，可以通过增大桩长，减小桩排距改善上述问题。

由上述分析可得，支护桩的变形情况与开挖步间存在一定的关系。采用有限差分法和考虑实体-结构相互作用的方法对基坑支护桩进行数值模拟，其水平位移-深度曲线如图1、图2所示。由图可知，采用两种方法进行计算的曲线变化趋势具有一致性，随着深度的增大，支护桩的水平位移逐渐减小。这是由于，随着深度的增大，支护桩所受摩阻力增大，从而抵消支护桩所受的部分荷载，使其受力减小，水平位移减小。当深度较小时，前排桩的水平位移均大于后排桩的水平位移，随着深度的增大，后排桩的水平位移逐渐大于前排桩的水平位移。采用有限差分法计算的支护桩水平位移大于采用考虑实体-结构相互作用法计算的支护桩水平位移。第四步开挖的水平位移均大于第二步开挖的水平位移。这主要与支护桩的构造有关，当第四步开挖时，支护桩受到相邻土体传递的地应力增大，导致支护桩所受的荷载增大，使其水平位移增大。

图1 有限差分法水平位移-深度曲线图

图2 考虑实体-结构相互作用水平位移-深度曲线图

分析开挖步数对支护桩所受弯矩的影响，以受拉为负，受压为正，分别对比前排桩和后排桩的弯矩—深度曲线可知，随深度的增大弯矩-深度曲线呈反向的“S”型。当第一步开挖时，曲线的变化趋势较为平缓，支护桩所受的弯矩较小。大部分第四步开挖时，曲线的变化趋势显著，支护桩所受的弯矩最大。当深度为-15 m时，前排桩所受的弯矩最大，其值为211 kN·m，当深度为-22 m时，前排桩所受的弯矩最小，其值为-512 kN·m。当深度为-15 m时，后排桩所受的弯矩最大，其值为253 kN·m，当深度为-24 m时，前排桩所受的弯矩最小，其值为-354 kN·m。说明前排桩和后排桩所受的弯矩整体趋势体现为内侧受压，外侧受拉。前排桩所受的负弯矩绝对值大于后排桩的负弯矩绝对值，后排桩所受的正弯矩大于前排桩的正弯矩。

分析开挖步数对支护桩所受剪力的影响，分别对比前排桩和后排桩的弯矩—深度曲线，可知，支护桩的剪力—深度曲线具有一定的差异性，主要体现在第一步开挖的剪力—深度曲线。支护桩所受的剪力随开挖步数的增大而增大，前排桩和后排桩均在深度为-17 m时存在最大剪力，其值分别为762 kN、303 kN。前排桩和后排桩所受的剪力差距较大，在工程实际中，应增大前排桩的抗剪强度，提高其抗剪性能，以维持结构的稳定性。

4 结论

采用有限差分法和考虑实体-结构相互作用的方法对基坑支护桩进行数值模拟，研究桩长、桩排距和桩径对桩身位移的影响，开挖步数对支护桩变形和受力情况的影响，得出以下结论：①为减小支护桩的变形，增强其稳定性，可以通过增大桩长，减小桩排距的方法改善上述问题。②采用有限差分法计算的支护桩水平位移大于采用考虑实体-结构相互作用法计算的支护桩水平位移。③随深度的增大，弯矩-深度曲线呈反向的“S”型。当第一步开挖时，曲线的变化趋势较为平缓，支护桩所受的弯矩较小。大部分第四步开挖时，曲线的变化趋势显著，支护桩所受的弯矩最大。④前排桩和后排桩的剪力-深度曲线具有一定的差异性，主要体现在第一步开挖的剪力-深度曲线。支护桩所受的剪力随开挖步数的增大而增大，前排桩和后排桩均在深度为-17 m时存在最大剪力，前排桩和后排桩所受的剪力差距较大，在工程实际中，应增大前排桩的抗剪强度，提高其抗剪性能，以维持结构的稳定性。