双排长短桩前后排桩配比组合的支护效果

2023-10-21朱隆奇安广强杨冰颖

工程建设 2023年8期

朱隆奇，马闯，安广强，杨冰颖，杨犇

（安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232000）

在深基坑土工工程施工期间，纵向支撑防护结构与横向支撑保护结构是深基坑经常使用的支护方式［1］。但是基坑大量使用水平支撑，会导致对场地空间、造价成本、施工工期的限制，则会产生资源浪费和环境污染。然而单排桩又不能满足基坑的变形要求，故双排桩能够很大程度上提高结构刚度且减小基坑水平位移［2-3］，现其作为一种具有应用价值和经济效益的支护结构被广泛应用于工程实践中［4-5］。

针对双排深基坑的支护结构受力特点［6］，相关研究人员从支护空间效应［7］、土拱力学效应［8］、基坑周围压力分布等方面［9］进行了深入研究，并提出了双排桩支护模型［10-11］。孙涛等［12］使用PLAXIS软件分析了双排桩最优的支护距离，并分析了深基坑在挖掘期间出现的周围土壤压力与支护变形问题，指出在2D、4D排距范围内，能够获得良好的桩护效果。俞建霖等［13］使用数值分析法，对影响深埋重力-门架式围护结构的因素展开细致描述，说明该结构能够有效降低围护结构的变形与弯矩。杨光华等［14］为了改变双排桩模型存在的不足，对深基坑表面之下的压力情况进行测量，并使用弹性地基梁法进行计算，在该计算模式中，要思考被动土压力，按照弹簧的反力进行计算。在双排桩之间的土中增加了效果相同的土柱刚度，取压缩刚度的最大值，能够让计算结果成准确，对比有限元有工程测试结果，更加合理。于洋等［15］以FLAC 3D为基础进行有限差分建模，对有连梁双排抗滑桩的不同锚固定深度对内部压力、结构变形的影响。研究显示，在双排支撑防护结构中，采取连梁工程设计，可以增加双排桩的嵌入深度，对桩顶位移、弯矩、桩身压力等方面会产生影响，并且与临界值有一定关联。当位移值大于临界值时，要提升后排桩嵌入土里的深度，可以使桩顶水平位移情况得到改善。

通过对前人研究资料进行整理分析发现，在双排桩的深基坑支撑防护建设过程中，排桩长度和桩距大小会对支撑与防护结构的稳定、安全和价格等方面产生重大影响，而对于前排桩和后排桩排桩长度和桩距大小对支撑与防护结构的研究很少。本文从实际案例角度出发，采用Midas GTS/NX软件进行建模，验证工程建筑结果，并且建立不同形式的双排桩的支护结构模型，比较其桩身变形和坑外沉降之间的不同。

1 工程概况

1.1 施工项目概况

项目计划新建5栋建筑，（4栋建筑高32层，1栋建筑高27层），全部使用框架剪力墙结构，包含地下室2层。其中某支护段采用“基坑北侧（ABCD段）采用双排桩支护+搅拌桩帷幕止水”方案，如图1所示。

图1 基坑平面解析示意

桩顶低于自然地面1.8 m，桩芯直径为1.2 m，冠梁规格为高×宽（1 000mm×1 200mm），前后排均为混凝土灌注桩D1 200 mm@1 600 mm，桩间采用D550mm@400mm的搅拌桩（长度约为6.5m）形成止水帷幕。该建筑的桩芯与冠梁使用C30商品混凝土。

1.2 水文地质条件

施工建模选择Midas GTX NX软件来修正摩尔-库伦模型。根据勘察资料，同时结合当地经验，得到土层参数平面实际数据分别如表1、图2所示。使用梁单元计算连梁与桩顶的间距，设置弹性模量为30 GPa、重度为每立方米24.5 kN、泊松比为0.2。

表1 土层物理力学参数

图2 1-1基坑支护结构横面解析mm

2 数值模拟分析

为验证基坑开挖效果，模型北侧采用“双排桩支护+搅拌桩帷幕止水”支护设置，同时比较桩顶位移、基坑周边水平位移位移、周边沉降和实际测量结果之间的差异，结果如图3所示。数值计算最大基坑周边水平位移为12.40 mm，监测最大水平位移为8.8 mm；数值计算最大桩顶水平位移为9.80 mm，监测最大水平位移为7.3 mm；数值计算最大基坑周边沉降为16.90 mm，监测最大沉降量为14.20 mm，数值计算与监测位移接近。数值计算与监测结果对比表明了基坑结构的安全性和数值计算的可靠性，模型较好地反映了基坑开挖的变形特性。

3 参数影响分析

比较建模结果和监测数据，构建多种形式不同的二维双排桩支撑与防护模型，对桩身变形和土地变形的发展趋势进行研究，如图4所示。模型长度为60 m、高度为40 m，深基坑为10 m。模型土基于工程实测，参数的具体数值情况如表1所示，止水帷幕和地下室情况不作考虑。由于深基坑深度为10 m，所以支撑与防护的桩身直径为1.2 m，桩间距为1.6 m，桩长取为14 m。本文研究比较前后桩桩长（H1/H2）、不同前后桩桩间距（B1/B2），双排桩支护结构位移变化情况及坑外土体沉降情况，从而分析参数变化对支护效果的影响。几何参数分析取值如表2所示。

表2 模型几何参数取值范围

图4 监测与计算结果对比

3.1 前排桩桩长改变对双排桩支护效果的影响

当前排桩的桩长改变后，会对双排桩的支撑与防护效果产生影响，具体参数变化如表2所示。通过控制双排桩的桩间距及其后排桩桩长保持不变，单一改变前排桩桩长，建立不同前排桩桩长配比模型，并计算基坑挖掘到深基坑底部后桩身水平变形和坑外沉降，分析对应配比双排桩支护效果以及坑外沉降情况。

双排桩改变前排桩桩长的桩身水平位移与坑外水平距离沉降如图5所示，图右侧为仅改变前排桩桩长的双排桩桩身水平位移情况，横坐标为桩水平位移量，纵坐标为桩埋深量；图左侧为使用仅改变前排桩桩长配比的双排桩的基坑开挖后坑外沉降情况，横坐标为距离基坑水平距离，纵坐标为坑外沉降量。

图5 双排桩改变前排桩桩长的桩身水平位移与坑外水平距离沉降

由图5可以看出，对于桩身水平变形，当前排桩的桩长增加后，桩顶水平位移量减小且变化显著，桩底水平位移量增加但变化不显著。伴随前排桩桩长增加，后排桩的底部没有发生明显的位移，顶部位移越来越小且变化明显。双排桩的前后排桩配比16/14桩身最大水平变形值分别为21.1 mm（前排）和23.4 mm（后排），双排桩的前后排桩配比12/14桩身最大水平变形值分别为33.9 mm（前排）和36.1 mm（后排），较配比12/14分别减小37.8%（前排）和35.2%（后排）。对比以上5种配比方式，桩身变形情况基本一致，前排桩与后排桩水平变形的峰值都出现在桩顶。在这些前后排桩配比中，前排桩配比较长的桩身上半部分变形情况比前排桩配比较短的变形小。因为桩底部分能够有效制约坑内土地隆起情况，所以前排桩配比较长的双排桩变形相较前排桩配比较短的双排桩大。并且前后排桩配比大于14/14的双排桩支护的坑外沉降没有明显差别；前后排桩配比为12/14的最大坑外沉降值为12.2 mm。

3.2 后排桩桩长改变对双排桩支护效果的影响

比较后排桩桩长改变后对双排桩支撑与防护效果的影响情况，结果如表2所示。通过控制双排桩的桩间距及其前排桩桩长保持不变，单一改变后排桩桩长，建立不同后排桩桩长配比模型，并计算基坑挖掘到深基坑底部后桩身水平变形和坑外沉降，分析对应配比双排桩支护效果以及坑外沉降情况。

双排桩改变后排桩桩长的桩身水平位移与坑外水平距离沉降如图6所示，图右侧为仅改变后排桩桩长的双排桩桩身水平位移情况，横坐标为桩水平位移量，纵坐标为桩埋深量；图左侧为使用仅改变后排桩桩长配比的双排桩的基坑开挖后坑外沉降情况，横坐标为距离基坑水平距离，纵坐标为坑外沉降量。

图6 双排桩改变后排桩桩长的桩身水平位移与坑外水平距离沉降

由图6可以看出，对于桩身水平变形，随着后排桩整体长度的加长，前排桩的顶部会缩小位移变化，并且底部位移情况也不明显，后排桩的桩底水平位移呈现出逐渐增大的趋势且变化幅度不明显。双排桩的前后排桩5种配比中，配比14/12桩身最大水平变形值分别为27.5 mm（前排）和29.3 mm（后排），配比14/16桩身最大水平变形值分别为26.9 mm（前排）和29.1 mm（后排），较配比14/12分别减小2.2%（前排）和0.007%（后排）。以上5种双排桩的配比形式十分相近，前排桩水平变形的峰值都为顶部。在这些配比中，前后排桩的后排桩配比较长的桩身上部区段水平变形小于前排桩较短的双排桩，仅桩底部分区段情况与3.1节相同。同时，在此前后排桩的所有配比中，双排桩支护随着后排桩桩长的增加，坑外最大沉降值逐渐减小。前后排桩配比为14/16的最大坑外沉降值为9.7 mm，为14/12的最大坑外沉降值为10.2 mm，较配比14/12减小4.9%。

3.3 前排桩桩间距改变对双排桩支护效果的影响

比较前排桩间距发生变化后，对双排桩支撑与防护效果影响情况（表2）。通过控制双排桩的桩长及其后排桩桩间距保持不变，单一改变前排桩桩间距，建立不同前排桩桩间距配比模型，并计算基坑挖掘到深基坑底部后桩身水平变形和坑外沉降，分析对应配比双排桩支护效果以及坑外沉降情况。

双排桩改变前排桩桩间距的桩身水平位移与坑外水平距离沉降如图7所示，图右侧为仅改变前排桩桩间距的双排桩桩身水平位移情况，横坐标为桩水平位移量，纵坐标为桩埋深量；图左侧为使用仅改变前排桩桩间距配比的双排桩的基坑开挖后坑外沉降情况，横坐标为距离基坑水平距离，纵坐标为坑外沉降量。

图7 双排桩改变前排桩桩间距的桩身水平位移与坑外水平距离沉降

由图7可以看出，对于桩身水平变形，随着前排桩桩间距的逐渐增大，前排桩的水平位移都呈现逐渐增大的趋势且变化幅度极小，前排桩底部没有发生显著的位移；当前排桩间距上升后，后排桩底位移变化不显著，后排桩顶位移增加，但是没有显著变化。双排桩的前后排桩5种配比中，配比1.2/1.6桩身最大水平变形值分别为25.8 mm（前排）和19.9 mm（后排），配比2/1.6桩身最大水平变形值分别为26.7 mm（前排）和20.6 mm（后排），比2/1.6配比情况下的前排桩减小3.4%，后排桩减小3.5%。以上配比方式下，桩身的水平变形变化不明显，前排桩与后排桩的水平变形峰值都为顶部。在这些配比中，前后排桩前排桩转间距配比较小的桩身上部区段水平变形小于前排桩桩间距较大的双排桩，桩底部分区段位移基本无差别。同时，双排桩支护随着前排桩桩间距的增加，坑外最大沉降值逐渐增加，前后排桩桩间距配比为2/1.6的最大坑外沉降值为8.7 mm。

3.4 后排桩桩间距改变对双排桩支护效果的影响

比较后排桩间距发生变化后对双排桩支撑与防护效果的影响情况，结果如表2所示。通过控制双排桩的桩长及其前排桩桩间距保持不变，单一改变后排桩桩间距，建立不同后排桩桩间距配比模型，并计算基坑挖掘到深基坑底部后桩身水平变形和坑外沉降，分析对应配比双排桩支护效果以及坑外沉降情况。

双排桩改变后排桩桩间距的桩身水平位移与坑外水平距离沉降如图8所示，图右侧为仅改变后排桩桩间距的双排桩桩身水平位移情况，横坐标为桩水平位移量，纵坐标为桩埋深量；图左侧为使用仅改变后排桩桩间距配比的双排桩的基坑开挖后坑外沉降情况，横坐标为距离基坑水平距离，纵坐标为坑外沉降量。

图8 双排桩改变后排桩桩间距的桩身水平位移与坑外水平距离沉降

由图8可以看出，对于桩身水平变形，当后排桩间距加大后，前排桩水平位移发生增加趋势，变化幅度可忽略不计；前排桩底横向位移变化不显著，后排桩间距加大，后排桩顶和桩底变化不显著。5种配比支撑与方式形式下，桩身水平位移相近，前排桩与后排桩的水平变形峰值都为顶部。同时，双排桩支护随着后排桩桩间距的增加，坑外最大沉降值逐渐增加；前后排桩桩间距配比为1.6/2的最大坑外沉降值为8.9mm，前后排桩桩间距配比为1.6/1.2的最大坑外沉降值为6.8 mm，较配比1.6/2减小了23.6%。