深基坑拉錨式雙排樁支護結構變形與土壓力研究(建筑)

王  飛¹，劉亞文¹，梁進軍¹，蘇靜波²

（1．解放軍理工大學野戰工程學院，江蘇南京210007；2．河海大學港口海岸

與近海工程學院，江蘇南京210098）

[摘要]拉錨式雙排樁作為一種新型的深基坑支護結構，具有施工方便、側向剛度大、穩定性較好等優點。針對南京某基坑工程的拉錨式雙排樁支護結構，建立考慮尺寸效應的三維有限元模型，土體材料采用Mchr-Coulomb彈塑性模型，通過數值模擬研究這類基坑的變形和土壓力分布特征，并對拉錨式雙排樁支護結構的后排樁長度、后排樁間距、連梁剛度、內坑土體加固等因素的影響進行分析。研究表明：前排樁的側向位移與常見多道支撐支護結構的變形規律相同，但后排樁的側向變形類似于懸臂梁變形，最大側移位于樁頂。二者性狀不同，后排樁水平位移明顯小于前排樁說明后排樁對前排樁具有一定的拉錨作用，且后排樁長度和土體加固的強度對樁的變形影響較為顯著。

 [關鍵詞]深基坑；拉錨式雙排樁；有限元分析；變形；土壓力   [中圖分類號]  TU 473   

1  拉錨式雙排樁簡介

    單排樁作為一種傳統的支護結構，已廣泛運用于基坑工程，并積累了大量的施工和設計經驗，但當場地土體軟弱或基坑較深時，為了保證基坑的安全可采用拉錨式雙排樁支護結構。拉錨式雙排樁作為一種新型的空間組合類懸臂支護結構，近年來被廣泛應用于深基坑、邊坡加固等工程中。其原理是：在單排基礎上，將部分密集的懸臂樁后移，并在樁頂用冠梁和連梁連接起來，形成空間雙排支護結構體系（見圖1），在無內支撐的情況下，僅依靠自身整體剛度和空間效應，并與樁間土協同工作，抵抗因開挖引起的不平衡力，增強坑壁穩定性、限制變形、保護周圍環境安全。由于結構自身的空間效應，使前排樁主要作用是分擔土壓力，而后排樁兼起支擋和拉錨雙重作用。

    目前對于雙排樁支護結構的研究主要有彈性抗力法和有限元法。彈性抗力法方面，平揚等考慮排樁一圈梁-連梁協同作用下，提出一種雙排樁工作性態的計算方法；馬鄖等針對基坑規范中提出的雙排樁支護計算模型，開發出一款基坑雙排樁設計計算軟件，并對雙排樁前、后樁的位移、內力和穩定性進行分析。在有限元法方面，楊德建總結了雙排樁支護結構的受力特點與內力計算方法，運用有限元建立平面模型，對雙排樁支護結構進行探討和分析；初振環等基于某深基坑工程，分別采用有限元法和解析公式法分析了雙排樁支護結構變形特征和土壓力分布情況及其對臨近建筑物的安全影響，總結了此種情況下雙排樁的土壓力分布規律，這些成果對于后續研究具有重要的參考和借鑒價值。但目前對于拉錨式雙排樁支護結構的變形與土壓力研究甚少，少數有限元計算方面的研究均是基于平面模型進行分析，忽略了拉錨式雙排樁支護結構作為一種空間組合結構所具有的空間特性。本文以南京某基坑工程為背景，針對拉錨式雙排樁支護形式，采用三維有限元法，對這類基坑的變形和土壓力分布特征進行深入研究，通過計算結果與實測數據的對比驗證了模型的合理性，探討了拉錨式雙排樁支護結構的后排樁長度、后排樁間距、連梁剛度、內坑土體加固等因素對基坑性狀的影響。

2  工程實例

    南京青奧軸線地下交通系統J匝道基坑長約180m，開挖深度11. 34m～12. 58m，施工采用明挖順作法。施工現場位于長江夾江東南岸，屬長江古河道漫灘地貌區，根據勘察單位提供的地質報告，本次計算所取地質資料數據見表1?；�坑開挖采用大放坡加懸臂開挖下的形式，先放坡開挖至0m（地面標高為7. 5m），再進行直立開挖至坑底?；�坑左側采用拉錨式雙排樁支護結構，其結構示意見圖1：前排樁采用1200@ 1400鉆孔灌注樁，后樁采用1200@1500鉆孔灌注樁。冠梁和連梁截面尺寸為1.0m×1.0m，連系梁兩端與前、后排樁固結，連梁彈性模量E =58MPa。地面超載q=- 10kPa。

3  有限元模型

    拉錨式雙排樁支護結構的變形性狀在開挖過程受諸多因素的影響，現有的解析方法很難綜合考慮各種因素，得出比較準確的解，而有限元法則成為解決這類問題的有力工具。本文采用MIDAS/GTS軟件綜合考慮各種施工措施進行三維數值分析。

3.1基本假設

    1)在同一土層中，土體各向同性，將其視為理想彈塑性體，采用Mohr-Coulomb屈服準則，土體采用三維八結點實體單元表示。

    2)模型中各支撐按各向同性彈性材料考慮。

    3)排樁冠梁和連梁、鉆孔灌注樁、混凝土支撐均采用梁單元表示。

    4)不考慮地下水對土層性質的影響。

    5)冠梁與樁頂剛性連接，沒有轉動且為完全彈性體。

3.2計算區域和邊界條件

    雙排樁結構具有明顯的三維幾何特征，本文在綜合考慮支撐一圍護樁．冠梁和連梁．土之間相互作用以及拉錨式雙排樁的幾何特征和工程的影響范圍基礎上建立空間三維模型。根據計算需要及精度要求選用長75m，寬24m，高34m的長方體模型(見圖2)。運用軟件自動劃分模型網格，對基坑周圍土體的網格單元加密，遠離基坑的土體網格逐漸增大。模型支承邊界條件為：地表不設置任何方向的約束；模型側面的側向水平位移限制為零，豎向自由；模型底部無位移。

3.3工況模擬

    按照土方開挖和支撐逐層架設的原則將整個基坑開挖過程分為4個計算工況。各工況定義如下：①放坡開挖至4. 5m（地面標高為7.5m）即開挖深度為3m,②放坡開挖至外坑坑底0m處即開挖深度為7. 5m;③直立開挖至-1.5m處即開挖深度為9m，同時架設八角支撐及主支撐；④直立開挖至內坑坑底-4.5m處即開挖深度為12m。MIDAS/GTS中通過“激活”和“鈍化”單元組的形式模擬各工況。

4  拉錨式雙排樁支護結構性狀分析

4.1  拉錨式雙排樁支護結構變形性狀分析

    由圖3(a)、(b)可知，隨著開挖深度的增大，支護結構側向變形逐漸增大了土方開挖完畢后，前排樁的側向位移呈現出典型的“兩頭小、中間大”的變形曲線，最大水平位移出現在樁頂下1/4樁長附近，但后排樁的側向變形類似于懸臂梁變形，最大側移位于樁頂。由圖3(c)的線性擬合結果可得：前排樁的最大側移與開挖深度呈=0. 1336%H，而后排樁的最大側移與開挖深度呈=0.1156%H，前排樁樁頂位移較大但不是最大值，體現了連梁對前排樁具有一定的拉錨作用。前、后排樁在樁頂附近位移基本相同，但后排樁的整體水平位移卻明顯小于前排樁，可能是由于連梁的剛度較大，其拉錨作用限制了前排樁位移尤其是樁頂附近位移的發展，而樁間土體對后排樁側移的制約作用明顯增強。

    圖3(d)為基本算例坑后20m剖面處土體水平位移沿深度的分布?？梢婋x基坑距離越遠，坑后土體的水平位移越小，其沿深度的分布和前排樁側向位移曲線形狀相似。

4.2與實測數據對比

    基坑開挖過程中，支護結構的變形與周邊環境的穩定與安全息息相關，必須限制最大水平變形不超過安全容許值。施工過程中在支護結構周邊設置了測斜管，以監測支護結構和地基土體在各深度的水平位移。由圖4可知，隨著開挖深度的增大，雙排樁后側土體呈現較大的水平位移，現場實測值介于前、后排樁的水平變形之間且前樁水平變形大于后樁的變形，此外實測值較計算值略小，主要原因可能為基坑中已打設了一定量的工程樁（鉆孔樁），使坑底土體己得到了不同程度的加固，而計算中未考慮其影響。

4.3拉錨式雙排樁支護結構受力性狀分析

    基坑支護結構的設計中，土壓力能否正確估算直接關系到設計的合理性，雖然已有多種土壓力計算模式，但支護結構形式的改變使得實際土壓力分布趨于復雜。圖5為不同工況下支護結構兩側土壓力分布規律，可以看出，前、后排樁兩側所受到的土壓力與朗肯土壓力分布特征（呈三角形分布）大體一致，坑底( 12m)附近內的土壓力發生突變。此外，內外排樁主動側土壓力隨著開挖深度的增加而不斷減小其數值均小于朗肯靜止土壓力，而內外排樁的被動區土體隨著開挖的深度的增加而不斷增大且均大于靜止土壓力。

5  參數敏感性分析

    以上述參數建立的源模型為參考，現分析探討后排樁長度、后排樁間距、連梁剛度、內坑土體加固等對拉錨式雙排樁支護結構性狀的影響。下述討論中選用工況4計算結果作為比較。

5.1  后排樁長度的影響

    假設其他因素保持不變，分別考慮后排樁長度h為10m、5m和0m（單排樁）三種情況，計算結果與源模型對比如圖6。

    從圖中可看出，后排樁長度h取不同值時，前、后排樁變形曲線形狀相似，且隨著h的減小排樁的水平位移明顯增大，表明增大h對減小基坑土體位移有一定作用，這與應宏偉等的研究規律一致。隨著h的減小前排樁樁底的水平位移基本不變，說明h的變化對樁底幾乎沒有影響，同時可以發現前排樁最大水平位移發生在樁頂下1/4樁長附近。此外，前排樁的水平位移在h為0m時大幅度增加，說明相對于常規單排樁支護結構，拉錨式雙排樁形成空間格構，增強了支護結構自身穩定性和整體剛度使側向位移大大減少。由圖6(c)可看出：h≤10m時，增加后排樁的長度可有效減小樁體水平位移，但當h> 10m時其效果不明顯，因此當h≤10m時，可考慮通過增加后排樁的長度來有效減小樁體水平位移。隨著h的減小，樁身水平位移增大，作用在后排樁的主動土壓力略有減小，且均小于朗肯靜止土壓力。

5.2  后排樁樁距的影響

    排樁的樁距是工程設計人員非常關心的問題，它直接關系到拉錨式雙排樁的使用效果10。假定其他條件不變，分別選取后排樁樁距t為2d、3d、4d（d為后排樁樁徑，d= 1200mm）進行模擬計算，與源模型的對比結果如圖7。

    由圖7可知，隨著t的增大，前、后排樁的變形趨勢基本一致，拉錨式雙排樁的整體側移略有增大，以前排樁為例，t由1. 25d（源模型）增加到2d時，對應的最大側移由14. 45 mm增長到14. 94mm，增加了3. 5%，當t由2d增加到3d時，最大側移由14. 94mm增長到15. 21mm，增加了1.8%，進一步計算表明樁距的增大與最大位移的增長基本上成等差級數，增長幅度為t每增大1d，最大位移增長2.0%左右，對于實際工程為了保證支護結構的變形滿足規范要求，后排樁樁距不宜過大，建議為2d～3d，在此范圍內，根據李立軍的研究表明樁間土體也可形成較好的“土拱效應”提高支護結構的安全性。增大t作用在后排樁的主動土壓力略有減小。

5.3連梁抗彎剛度的影響

    雙排樁通過樁頂的連梁將前、后排樁連接起來，增大了支護結構的整體剛度和抗彎性，使結構的側向變形大大減小。保持其他條件不變，分別取連梁抗彎剛度為源模型的0. 85 E/、0.7El、0.5E/（源模型連梁抗彎剛度EI=4.8×10⁶kN . m²），計算結果如圖8。

    隨著連梁抗彎剛度的增加，樁體的水平位移逐漸減小，當抗彎剛度<0. 7E/時，水平位移變化較顯著。從圖8(c)可看出連梁抗彎剛度的增加，支護結構水平變形在不斷減小，但其作用效果卻在不斷降低，這與林鵬等的研究規律一致。實際工程中在確保連梁具有足夠的抗彎剛度來保證支護結構體系的協調作用時，不建議通過增大連梁抗彎剛度來限制支護結構的水平變形。連梁抗彎剛度的減小，后排樁所受土壓力基本不變。

5.4  內坑土體加固的影響

    內坑土體加固能夠改善被動區的土體性質。圖9表示內坑3. 5m深范圍內土體加固后支護結構的變形和所受土壓力變化情況。被動區加固體按彈性體考慮，彈性模量E分別取100MPa、150MPa和200MPa。

    由圖9可看出，內坑土體加固強度取不同值時前、后排樁樁的水平位移變化規律基本一致，隨著土體加固程度的逐漸提高，支護樁水平變形顯著減小。當內坑土體加固模量分別取100MPa、150MPa和200MPa時，前排樁最大位移分別為12.74mm、11.11mm和9.99mm，相對于源模型分別減少了11.8%、23. 1%和30. 9%，說明隨著內坑土體加固強度的增大，樁體變形明顯減小，實際工程中合理地選擇加固深度及程度既能保證基坑安全，也可節省造價。內坑土體加固強度的提高，后排樁的主動土壓力隨之增大且更接近朗肯靜止土壓力。

6  結論

    1)本文結合工程實例，建立考慮尺寸效應的三維有限元模型，通過數值模擬對拉錨式雙排樁支護結構上的變形和土壓力分布特征的研究表明：

    ①土方開挖完畢后，前排樁的側向位移呈現出“兩頭小、中間大”的變形規律，最大位移出現在樁頂下1/4樁長附近，但后排樁的側向變形類似于懸臂梁變形，最大側移位于樁頂。前排樁樁頂位移較大但不是最大值，體現了連梁對前排樁具有一定的拉錨作用。

    ②前、后排樁兩側所受到的土壓力大致呈三角形分布。內、外排樁主動側土壓力隨著開挖深度的增加而不斷減小其數值均小于朗肯靜止土壓力，而被動區土壓力隨著開挖深度的增加而不斷增大且均大于靜止土壓力。

    2)通過對拉錨式雙排樁的幾何尺寸和物理性質（排樁長度、后排樁間距、連梁剛度）、內坑加固等因素的分析探討表明：

    ①增加后排樁長度h對減小基坑土體位移有一定作用，對于實際工程當h≤10m時，可考慮通過增加后排樁的長度來有效減小樁體水平位移。

    ②隨著后排樁距t的增大，前、后排樁的變形趨勢基本相同，雙排樁的整體側移略有增大，實際工程中宜通過計算來確定最優后排樁樁距。增大樁距作用在后排樁的主動土壓力略有減小。

    ③連梁抗彎剛度的增加，樁體的水平位移逐漸減小，當E₁I₁/E/<0.7時（E₁，I₁為變化后剛度，El為源模型剛度），位移變化較明顯，但E₁，I₁/EI>0.7時其作用效果在不斷降低。

    ④樁的變形對內坑土加固強度十分敏感，提高土體加固的程度，支護樁水平變形顯著減小，后排樁的主動土壓力隨之增大且更接近朗肯靜止土壓力。

    ⑤總體來看，支護結構的變形對各參數的敏感程度為：內坑土體加固>后排樁長度>后排樁樁距>連梁剛度。在工程實際中，優先選擇對內坑土體進行加固，連梁剛度對雙排樁支護結構性狀的影響不明顯，不推薦使用。