丁洪元,昌 鈺,陳 斌

(中冶集團(tuán)武漢勘察研究院有限公司,武漢 430080)

軟土深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響因素分析

丁洪元,昌 鈺,陳 斌

(中冶集團(tuán)武漢勘察研究院有限公司,武漢 430080)

基于軟土地區(qū)的某深基坑雙排樁支護(hù)工程，采用有限單元法建立了三維仿真計(jì)算模型對雙排樁的受力和位移特性進(jìn)行計(jì)算，系統(tǒng)分析了雙排樁排間距、樁徑以及前后排樁長等影響因素對雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)受力和位移的影響，得到該軟土基坑工程雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的最佳排間距、樁徑和樁長。結(jié)果表明：當(dāng)雙排樁樁徑取0.8～1.0 m、排間距取樁徑的3～4倍時(shí)，排樁的彎矩分布和樁身的位移比較合理，可以最大化地發(fā)揮雙排樁的支護(hù)作用；相比于后排樁樁長，增加前排樁的樁長對提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性更有效。

深基坑；雙排樁；支護(hù)結(jié)構(gòu)；數(shù)值模擬；影響因素

1 研究背景

雙排樁作為一種新型的深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，其支護(hù)體系的側(cè)向剛度較大，能更加有效地限制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，保證基坑工程施工的安全性，目前已被運(yùn)用于軟土地區(qū)深基坑支護(hù)加固工程[1]和邊坡治理工程[2]。

由于利用傳統(tǒng)土壓力計(jì)算方法估算雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力存在較大偏差[3]，雙排樁尚無簡單有效的設(shè)計(jì)方法[4]，眾多學(xué)者對雙排樁支護(hù)體系的受力變形特征進(jìn)行了大量研究。何頤華等[5]根據(jù)雙排樁結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)，認(rèn)為連梁可以看成沒有變形的剛體，只能產(chǎn)生平移而不產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，因而推出前后排樁頂?shù)乃轿灰葡嗟?；杜秀忠等[6]利用不同程序和計(jì)算方法對支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移進(jìn)行對比，分析了某水閘基坑的雙排樁結(jié)構(gòu)；孫濤等[7]運(yùn)用有限元對某雙排樁支護(hù)基坑進(jìn)行了排距的優(yōu)化方案研究；王軍等[8]同樣運(yùn)用有限元軟件具體分析了排距對樁身內(nèi)力和變形的影響；錢同輝等[9]采用有限元方法對框架式雙排抗滑樁的樁土相互作用影響進(jìn)行了計(jì)算分析；楊保全等[10]利用有限元對基坑開挖過程中雙排樁的樁體位移進(jìn)行了計(jì)算分析。史?，摰萚11]研究了地基土模量隨深度增加的情況下雙排樁的受力特性；應(yīng)宏偉等[12]基于彈性抗力法計(jì)算模型，利用有限差分方法的相關(guān)理論編制了新的計(jì)算程序，經(jīng)過與實(shí)測數(shù)據(jù)的對比分析提出了較為合理的計(jì)算模型；聶慶科等[3，13]考慮到空間效應(yīng)對深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算的影響，提出了一種新的計(jì)算模型，并在此基礎(chǔ)上分析了冠梁對雙排樁支護(hù)體系的影響。這些研究從不同方面為雙排樁的設(shè)計(jì)方案優(yōu)化提供了必要的論證。

由于雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響因素眾多，目前關(guān)于雙排樁的研究大都采用數(shù)值仿真模擬方法，本文針對軟土地區(qū)某基坑雙排樁支護(hù)工程，利用有限元方法系統(tǒng)地分析雙排樁的排距、樁徑及前后排樁的樁長對雙排樁結(jié)構(gòu)的受力和變形影響，旨在為軟土地區(qū)基坑雙排樁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供一定的參考和借鑒。

2 基坑雙排樁工程概化模型

該深基坑工程位于濱海軟土地區(qū)，基坑平面為矩形，面積約為80 m×30 m，開挖深度為6 m。基坑豎向支護(hù)方案采用雙排鉆孔灌注樁作為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，采用矩形布置，雙排樁縱向間距為6 m。

利用有限元方法對該雙排樁進(jìn)行受力分析時(shí)，考慮到基坑工程對稱性，建模時(shí)基坑內(nèi)側(cè)取一半寬度(即15 m)為研究對象；考慮到基坑雙排樁模型的影響范圍[14]，基坑雙排樁外側(cè)的影響寬度一般為基坑開挖深度的2～3倍；深度方向的影響范圍一般為開挖深度的2～4倍。因此，本文取雙排樁外側(cè)的巖土體寬度為18 m，深度取基坑底部往下24 m，樁縱向計(jì)算范圍取雙排樁縱向間距的一半，即3 m；模型四周均按固定支座設(shè)置邊界條件。基坑開挖深度為6 m，模擬過程分2步進(jìn)行開挖，每步開挖深度為3 m。本文采用控制變量法分析雙排樁的排距、樁徑及前后排樁的樁長對雙排樁結(jié)構(gòu)的受力和變形影響，每次僅取1個(gè)變量作為影響因素，其余參數(shù)設(shè)為常量，計(jì)算工況見表1。

表1 基坑雙排樁支護(hù)模擬工況

基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的剖面見圖1。由于雙排樁樁體、樁頂?shù)穆?lián)系梁均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，剛度較大，因此選用線彈性本構(gòu)模型進(jìn)行模擬，其中混凝土中的鋼筋采用剛度等效原理，等效為混凝土，雙排樁樁身等混凝土材料的重度γ=25 kN/m3，彈性模量E=3.00×104MPa，泊松比ν=0.167。

圖1 基坑雙排樁支護(hù)工程剖面示意

巖土體材料在受力過程中應(yīng)考慮其彈塑性變形特性，為簡化計(jì)算，巖土體材料選用理想彈塑性的本構(gòu)模型，其屈服強(qiáng)度采用Drucker-Prager準(zhǔn)則。根據(jù)工程場區(qū)地質(zhì)鉆探資料的巖土試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選取模型巖土層的計(jì)算參數(shù)如表2。

表2 巖土體材料參數(shù)

3 排間距對雙排樁的受力影響分析

為討論前后排樁排距對雙排樁受力的影響，本文采用控制變量法，即樁長、樁徑均取為常數(shù)，僅考慮排距的變化，分別建立有限元模型進(jìn)行受力分析。

本次分析過程，前后排樁長均取L=15 m，樁徑d=1 m，前后排樁距R分別為2d，3d，4d，5d，基坑開挖后前后排樁所受的彎矩和產(chǎn)生的位移分別如圖2和圖3所示。

圖2 不同排距下雙排樁彎矩

圖3 不同排距下雙排樁水平位移

由圖2可以看出，當(dāng)排距由2d增大到3d時(shí)，前排樁的彎矩值相差較明顯，后排樁的彎矩值則變化較??；當(dāng)排距由3d增加到4d時(shí)前后排樁的彎矩變化都比較大；當(dāng)排距由4d增加到5d時(shí)，不論是前排彎矩值還是后排彎矩值差異都很小。

由圖3可以看出，隨著樁排距的增大，前后排樁的水平位移均逐漸減小。當(dāng)排距由2d變?yōu)?d時(shí)，前后排樁位移的減少量比較大，前后排樁樁頂?shù)奈灰贫紲p少了1.5 mm左右；當(dāng)排距由4d增大到5d時(shí)，前后排樁的位移變化量很小，可以認(rèn)為超過4d時(shí)，增大排距對減少樁身的位移影響不大。

綜合分析上述結(jié)論，當(dāng)排距取為樁徑的3～4倍時(shí)，排樁的彎矩分布和樁身的位移比較合理，可以最大化地發(fā)揮排樁的支護(hù)作用。

4 樁徑對雙排樁的受力影響分析

為研究樁徑對雙排樁體系的受力及位移影響，同樣采用控制變量法，取前后排樁距為R=3 m，前后排樁長均取L=15 m，并假設(shè)前后排樁徑d相同，分別取為0.6，0.8，1.0，1.2 m，建立有限元模型進(jìn)行受力分析，基坑開挖后不同樁徑下前后排樁所受的彎矩和產(chǎn)生的位移分別如圖4和圖5所示。

圖4 不同樁徑下雙排樁彎矩

圖5 不同樁徑下雙排樁水平位移

由圖4(a)可以看出：在深度-8 m以上的樁身段，樁徑越大，前排樁的正彎矩越小，最大正彎矩由d=0.6 m時(shí)的273 kN·m減小為d=1.2 m時(shí)的140 kN·m；而在深度-8 m以下的樁身段，樁徑越大，前排樁身負(fù)彎矩絕對值越大，當(dāng)樁徑為0.6，0.8，1.0 m時(shí)，負(fù)彎矩變化并不大，但當(dāng)樁徑由1.0 m變?yōu)?.2 m時(shí)負(fù)彎矩絕對值有明顯的增大。由圖4(b)可以看出：樁徑越大，后排樁樁身全長的正負(fù)彎矩絕對值均減小，說明樁徑變大有利于后排樁樁身的整體受力，但也僅在一定范圍內(nèi)有明顯效果，當(dāng)樁徑為1.2 m時(shí)，較樁徑為1.0 m時(shí)的樁身彎矩變化并不明顯。

由圖5可以看出，隨著樁徑的增加，前后排樁樁體位移都在逐漸減小，說明增加樁徑對提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有一定的作用，但隨著樁徑的逐漸增大，位移的減少量逐漸減小，表明當(dāng)樁徑增大到一定程度后，樁徑對樁土體系穩(wěn)定性的影響已不再是主要因素。當(dāng)樁徑由0.6 m增大到0.8 m時(shí)，位移的減小量最大，前后排樁樁頂?shù)奈灰贫紲p少了1.4 mm左右；隨著樁徑的增加，前排樁的樁端位移逐漸趨于穩(wěn)定，而后排樁的樁端位移仍稍有減少。

因此，本文建議該類軟土地區(qū)雙排樁的樁徑取為0.8～1.0 m較為合理。

5 樁長對雙排樁的受力影響分析

進(jìn)行雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到工程實(shí)際的需要，經(jīng)常會(huì)根據(jù)前后排樁實(shí)際受力和位移分布特點(diǎn)，來確定前后排樁的樁長，這就會(huì)導(dǎo)致在工程中出現(xiàn)前后排樁長不相等的情況。為了探究樁長對軟土地區(qū)深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況的影響，本節(jié)分別對前后排樁取不同的樁長建立有限元模型進(jìn)行受力特性分析。

5.1 前排樁樁長對雙排樁的受力影響

按照控制變量的方法，取前后排樁距R為3 m，前后排樁的樁徑d均取1 m，后排樁的樁長L2為15 m，分別取前排樁的樁長L1為15，14，13，12 m進(jìn)行計(jì)算。不同前排樁樁長情況下基坑開挖時(shí)，雙排樁彎矩和位移計(jì)算結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 前排樁樁長變化的雙排樁彎矩

圖7 前排樁樁長變化的雙排樁水平位移

由圖6可以看出，前后排樁的樁身正負(fù)彎矩的交接點(diǎn)為-8 m左右，-8 m以上的正彎矩，前后排樁的變化比較一致，前排樁樁長越長，前后排樁正彎矩都越小；-8 m以下的負(fù)彎矩，前后排樁變化趨勢剛好相反，前排樁的樁長越長，其負(fù)彎矩絕對值越大，而后排樁的負(fù)彎矩絕對值越小。

由圖7可以看出，隨著前排樁樁長的變化，前后排樁的樁身位移都表現(xiàn)出了相同的變化趨勢。前排樁的樁長越大，樁頂?shù)奈灰圃叫。鴺抖说奈灰圃酱?，樁頂和樁端的位移差值越小，使樁身不容易因?yàn)樯舷聝啥说奈灰葡嗖钐蠖鴮?dǎo)致失穩(wěn)，越有利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。位移變化的交接點(diǎn)都在-10 m左右，在-10 m以下，前排樁的樁端位移變化較大，而后排樁的樁端位移逐漸趨于穩(wěn)定。

5.2 后排樁樁長對雙排樁的受力影響

同樣按照控制變量的方法，前后排樁距R取為3 m，前后排樁的樁徑d均取1 m，前排樁的樁長L1為15 m，分別取后排樁的樁長L2為15，14，13，12 m進(jìn)行計(jì)算。不同后排樁樁長情況下基坑開挖時(shí)，雙排樁彎矩和位移計(jì)算結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 后排樁樁長變化的雙排樁彎矩

圖9 后排樁樁長變化的雙排樁水平位移

由圖8可以看出，前排樁的樁身正負(fù)彎矩交接點(diǎn)為-8 m左右，后排樁樁長越長，正負(fù)彎矩絕對值越?。缓笈艠稑渡淼恼?fù)彎矩則表現(xiàn)出了一些不同，后排樁樁長越長，后排樁的正彎矩越小，而負(fù)彎矩絕對值越大。

由圖9可以看出，隨著后排樁樁長的變化，前后排樁的樁身位移都表現(xiàn)出了相同的變化趨勢。與前排樁樁長影響規(guī)律一樣，后排樁樁長越大，前后排樁的樁頂位移越小，樁端位移越大，使樁身不容易因?yàn)樯舷聝啥说奈灰葡嗖钸^大而失穩(wěn)，有利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。前排樁位移變化的交接點(diǎn)都在-13 m左右，而后排樁位移變化的交接點(diǎn)與前樁樁長變化時(shí)表現(xiàn)一致，都在-10 m左右。

綜合考慮前后排樁樁長對整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩和位移的影響，由于基坑開挖的作用，增加前后排樁的樁長都可以減少支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體位移，提高其穩(wěn)定性；增加前排樁的樁長能更大程度地減少樁身的位移，比增加后排樁的樁長對提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性效果更好。因此，針對本工程建議前排樁樁長選擇15 m，后排樁樁長為12 m。

6 結(jié) 論

本文針對軟土地區(qū)某基坑雙排樁支護(hù)工程，運(yùn)用有限元方法，分析了雙排樁的排距、樁徑以及前后排樁的樁長等因素對雙排樁受力變形的影響，主要得出了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)中，前后排樁的間距宜控制在(3～4)d的范圍內(nèi)，可有效的發(fā)揮前后排樁的抗滑能力以及控制前后排樁的變形，且排樁彎矩的分布較為合理。

(2) 隨著樁徑的增大，前排樁的正彎矩在深度-8 m以上的樁身階段都有明顯的減小，而在深度-8 m以下的樁身階段，彎矩變化并不大；而后排樁樁身全長的正負(fù)彎矩均隨樁徑增大而減小，說明樁徑變大有利于后排樁樁身的整體受力。

(3) 增加前后排樁的樁長都可以減少支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體位移，提高其穩(wěn)定性；增加前排樁的樁長比增加后排樁的樁長對提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性效果更好。

[1] 付文光, 楊志銀. 深圳地區(qū)基坑工程30年發(fā)展綜述[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2010, 32(增2): 562-565. (FU Wen-guang, YANG Zhi-yin. Summaries of Excavation Pit Engineering in Shenzhen in Recent 30 Years[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2010, 32(Sup.2): 562-565. (in Chinese))

[2] 董必昌, 邱紅勝. 雙排樁對邊坡穩(wěn)定影響分析的仿真研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版)，2007, 31(3): 502-505. (DONG Bi-chang, QIU Hong-sheng. Simulation Study on Stability of Slope with Double-row Piles[J]. Journal of Wuhan University of Technology (Transportation Science & Engineering)，2007, 31(3): 502-505.(in Chinese))

[3] 聶慶科, 胡建敏, 吳 剛. 深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)上的變形和土壓力研究[J]. 巖土力學(xué), 2008, 29(11): 3089-3094. (NIE Qing-ke, HU Jian-min, WU Gang. Deformation and Earth Pressure of a Double-row Piles Retaining Structure for Deep Excavation[J]. Rock and Soil Mechanics, 2008, 29(11): 3089-3094. (in Chinese))

[4] 劉泉聲, 付建軍. 考慮樁土效應(yīng)的雙排樁模型及參數(shù)研究[J]. 巖土力學(xué), 2011, 32(2): 481-486. (LIU Quan-sheng, FU Jian-jun. Research on Model and Parameters of Double-row Piles Based on Effect of Pile-soil Contact[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 32(2): 481-486. (in Chinese))

[5] 何頤華, 楊 斌, 金寶森, 等. 雙排護(hù)坡樁試驗(yàn)與計(jì)算的研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 1996, 17(2): 58-66. (HE Yi-hua, YANG Bin, JIN Bao-sen,etal. A Study of the Test and Calculation of Double-row Fender Piles[J]. Journal of Building Structures, 1996, 17(2): 58-66. (in Chinese))

[6] 杜秀忠, 楊光華, 孫昌利, 等. 雙排樁支護(hù)在某水利基坑中的應(yīng)用[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2012, 34(增1): 490-494. (DU Xiu-zhong, YANG Guang-hua, SUN Chang-li,etal. Application of Retaining Structure with Double-row Piles in a Hydraulic Excavation[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2012, 34(Sup.1): 490-494.(in Chinese))

[7] 孫 濤, 劉俊巖, 劉 燕. 雙排樁支護(hù)排距的優(yōu)化研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2012, 34 (增1): 616-620. (SUN Tao, LIU Jun-yan, LIU Yan. Optimal Row Distance of Retaining Structure with Double-row Piles[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2012, 34(Sup.1): 616-620. (in Chinese))

[8] 王 軍, 王 磊, 肖昭然. 雙排樁支護(hù)排距的有限元分析與研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào), 2005, 1(6): 1096-1099. (WANG Jun, WANG Lei, XIAO Zhao-ran. Analysis of the Interval between Double-row Piles by Finite Element Method[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2005, 1(6): 1096-1099. (in Chinese))

[9] 錢同輝, 陳 芳, 程周炳, 等. 框架式雙排抗滑樁結(jié)構(gòu)性能研究[J]. 長江科學(xué)院院報(bào), 2011, 28(11): 91-95. (QIAN Tong-hui, CHEN Fang, CHENG Zhou-bing,etal. Analysis on the Performance of Double-row Anti-Slide Frame-Piles[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2011, 28(11): 91-95.(in Chinese))

[10]楊保全, 丘 濱, 陳先威. 雙排樁結(jié)構(gòu)特性及樁體位移有限元計(jì)算分析[J]. 長江科學(xué)院院報(bào), 2009, 26(7): 52-55. (YANG Bao-quan, QIU Bin, CHEN Xian-wei. Deformation Analysis of Double Row Piles by Finite Element Method [J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2009, 26(7): 52-55.(in Chinese))

[11]史?，? 龔曉南. 深基坑懸臂雙排樁支護(hù)的受力性狀研究[J]. 工業(yè)建筑, 2009, 46(10): 67-71.(SHI Hai-ying, GONG Xiao-nan. Study on the Behavior of Cantilever Double-row Plies Supporting Deep Excavation[J]. Industrial Construction, 2009, 46(10): 67-71. (in Chinese))

[12]應(yīng)宏偉, 初振環(huán), 李冰河, 等. 雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法研究及工程應(yīng)用[J]. 巖土力學(xué), 2007, 28(6): 1145-1150. (YING Hong-wei, CHU Zhen-huan, LI Bing-he,etal. Study on Calculation Method of Retaining Structure with Double-row Piles and Its Application[J]. Rock and Soil Mechanics, 2007, 28(6): 1145-1150. (in Chinese))

[13]白 冰, 聶慶科, 吳 剛, 等. 考慮空間效應(yīng)的深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 2010, 31(8): 118-124. (BAI Bing, NIE Qing-ke, WU Gang,etal. A Calculation Model for Double-row-pile Retaining Structures in Deep Foundation Pit Considering 3D Effects[J]. Journal of Building Structures, 2010, 31(8): 118-124. (in Chinese))

[14]秦四清, 萬林海, 湯天鵬, 等. 深基坑工程優(yōu)化設(shè)計(jì)[M]. 北京:地震出版社, 1998. (QIN Si-qing, WAN Lin-hai, TANG Tian-peng,etal. Optimizing Design on Deep Excavation[M]. Beijing: Seismological Press， 1998. (in Chinese))

(編輯：黃 玲)

Factors Affecting Double-row Piles in Deep Soft Soil Foundation

DING Hong-yuan, CHANG Yu, CHEN Bin

(Wuhan Surveying-Geotechnical Research Institute Co., Ltd. of MCC, Wuhan 430080, China)

A 3D finite element model was established to calculate the forces and displacements of the double-row pile retaining structure of a foundation pit in soft soil area. The influences of row distance, pile diameter and pile length on the force and displacement of the structure are analysed in order to get the optimal pile row spacing, pile diameter and pile length. Results show that the distribution of bending moment and the displacement of pile are reasonable when the pile diameter is 0.8m-1.0m and the row distance is 3 to 4 times the pile diameter. Increasing the length of front pile is more effective to improving the stability of the retaining structure than increasing the length of back pile.

deep foundation pit; double-row pile; retaining structure; numerical simulation; influencing factor

2014-03-12；

2014-04-19

丁洪元(1969-)，男，四川廣安人，高級(jí)工程師，主要從事巖土工程設(shè)計(jì)、施工、勘察等方面工作，(電話)13419604598(電子信箱)dinghongyuan69@163.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.05.020

2015,32(05):105-109

TU473

A

1001-5485(2015)05-0105-05