陳東海 許春虎

(浙江省錢塘江管理局勘測設(shè)計院，浙江杭州 310016)

1 概述

近年來，雙排樁結(jié)構(gòu)作為一種新型的基坑支護形式受到了人們的廣泛關(guān)注，它是由前后兩排樁及樁頂冠梁連接而成的一個整體結(jié)構(gòu)體系。與單排懸臂支護樁相比，雙排樁懸臂支護是一空間超靜定結(jié)構(gòu)，具有較大的整體側(cè)向剛度，能有效的減小基坑的側(cè)向變形，其圍護深度遠比一般支護結(jié)構(gòu)的圍護深度要深[1]，同時由于結(jié)構(gòu)前、后排樁與側(cè)壓力反向作用力偶的存在使樁頂位移也明顯減小。

盡管懸臂式雙排樁支護形式在圍護效果、經(jīng)濟效益等方面具有一定的優(yōu)點，然而目前針對懸臂式雙排樁的設(shè)計計算方法尚不成熟、計算模型較難真實的反映結(jié)構(gòu)的實際受力情況。鑒于此，國內(nèi)外學(xué)者做了大量有價值的研究工作，如日本學(xué)者沢口[2]針對早期排距較大連續(xù)梁會產(chǎn)生拉壓與轉(zhuǎn)角，不能再看作絕對的剛體的情況把基坑地面以上的板樁和樁間砂作為彈性復(fù)合體，基底部分作為彈性水平地基彈簧模型，提出了雙層板樁的理論解;大堀晃一[3]對沢口的方法做了改進，考慮了基底以上樁間砂的剪應(yīng)力在地基中的傳播及支護內(nèi)側(cè)板樁打入部分擠土作用，認為兩者的合力為三角形分布，在地表最大，與墻體寬相等的深度處為零，對板樁的應(yīng)力—應(yīng)變進行了非線性處理。國內(nèi)學(xué)者張弘(1993)[4]、何頤華等(1996)[5]、劉釗等(1992)[6]假定排樁和連梁為底端嵌固的剛架結(jié)構(gòu)，考慮樁—土的相互作用通過室內(nèi)模型試驗和工程實測，對雙排樁的內(nèi)力、變形和土壓力分布特性進行了分析，并對采用雙排支護樁的基坑周邊的建筑物因降水引起的沉降做了系統(tǒng)的預(yù)測研究。蔡袁強(1997)[7]、熊巨華等(1999)[8]基于樁—接觸面—土的非線性理論，采用有限元法對雙排樁支護形式的內(nèi)力和變形特性進行了研究，并提出了簡單的樁頂水平位移預(yù)測方法。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，依托青島某基坑開挖工程，運用有限元程序ANSYS建立三維模型對雙排樁支護結(jié)構(gòu)體系受力特性的分析，為工程實踐提供了參考。

2 工程概況和地質(zhì)條件

1)工程概況。某基坑開挖工程位于青島市市南區(qū)南京路南端東側(cè)，凱旋大廈與時代廣場之間，擬建工程為站場及綜合樓工程，擬采用框支剪力墻結(jié)構(gòu)，高度99.90 m，基礎(chǔ)形式為筏板基礎(chǔ)，擬建物設(shè)計地坪標(biāo)高±0.00=4.50 m，自然地坪絕對標(biāo)高約為4.00 m(相對標(biāo)高－0.50 m)，圖1為基坑支護平面布置圖。

2)工程地質(zhì)條件。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，工程場地地形相對平坦地貌形態(tài)單一，均為第四系全新統(tǒng)形成的海岸階地，表層受人工改造，主要土層由上而下依次為:①-1素填土層;②-1細砂;③-1碎石;④-1強風(fēng)化花崗巖;⑤-1中風(fēng)化花崗巖;⑥-1微風(fēng)化花崗巖。表1為各土層物理力學(xué)指標(biāo)。

表1 各土層物理力學(xué)指標(biāo)

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 數(shù)值計算模型

有限元計算模型區(qū)域的確定對數(shù)值計算結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，經(jīng)筆者對相關(guān)工程實例進行查閱分析，目前采用雙排樁進行基坑支護的工程中，開挖深度大都在6 m～12 m范圍內(nèi)，樁長在10 m～20 m之間，土體深度方向取3倍左右的開挖深度。綜合以上資料，本文模型計算區(qū)域的確定做如下設(shè)置:基坑深度方向確定為28 m;擋墻后基坑邊界確定為距前排樁墻25 m?；訛檎叫?，邊長40 m，開挖深度為9 m，雙排樁為樁徑為1 m的鉆孔灌注樁。本文采用有限元軟件ANSYS，建立三維有限元模型，采用彈性板模型模擬雙排支護樁樁體，墻體和地基土層及連梁均采用八節(jié)點實體單元模擬，前排樁前和后排樁后均設(shè)置接觸單元。由于正方形基坑屬于對稱圖形，故本文建立的基坑模型只取其1/4部分，既避免了不必要的工作量，又能滿足分析內(nèi)容的要求。有限元模型計算簡圖如圖2所示。

圖1 基坑支護平面布置圖

圖2 有限元模型簡圖

3.2 計算過程

本文基坑開挖模擬計算通過分步開挖來實現(xiàn)施工過程，共分為3步開挖，每步均為3 m，總共開挖深度為9 m。

計算步驟為:建立地基土體及支護結(jié)構(gòu)三維有限元模型;初始地應(yīng)力的平衡，將地基土體的初始應(yīng)力作為應(yīng)力初始條件，同時將支護結(jié)構(gòu)“殺死”，即支護結(jié)構(gòu)單元失去活性。對地基的初始位移進行清零計算(地應(yīng)力平衡過程)[9];模擬基坑開挖過程，激活支護結(jié)構(gòu)單元活性，施加重力荷載，分步挖去基坑土層，通過“殺死”結(jié)構(gòu)單元來實現(xiàn)。

3.3 本構(gòu)模型及計算參數(shù)

有限元計算中，雙排樁樁體采用線彈性模型，地基土體和墻體本構(gòu)模型選用Drucker-Prager模型，Drucker-Prager屈服條件為:

其中，I1(σij)為應(yīng)力張量第一不變量;I2(Sij)為應(yīng)力偏量第二不變量。

表2為有限元計算中地基土體及板樁墻計算參數(shù)。

表2 土體計算參數(shù)

4 計算結(jié)果與分析

4.1 基坑豎向位移計算結(jié)果

圖3為排距為2 m時雙排樁支護在不同開挖階段基坑豎向應(yīng)力云圖，可以看出在未開挖之前，基底中心位置在自重應(yīng)力下的豎向位移大約為4.5 cm，當(dāng)?shù)谝淮伍_挖結(jié)束時，基底中心位置的豎向位移為3.9 cm，也就是說由于基坑的開挖使地基土上浮了0.6 cm。而當(dāng)開挖完畢時，基坑底部最大隆起量達到了2.1 cm。由此可見隨著基坑開挖深度的加大，應(yīng)力的釋放，基坑內(nèi)地基土隆起越明顯。

圖3 排距2 m實體單元不同開挖深度豎向位移云圖

4.2 單、雙排樁樁身位移和彎矩對比分析

圖4給出了單、雙排樁前排樁身位移和彎矩對比圖。如圖4a)所示，單排樁的樁頂位移為15.6 cm，是雙排樁頂位移6.6 cm的兩倍多，這是因為單排樁是依靠懸臂樁嵌入土內(nèi)的部分來承受樁后的土壓力從而維持穩(wěn)定。而雙排樁由于存在剛性連梁將前、后排樁構(gòu)成了一個超靜定結(jié)構(gòu)，整體剛度明顯增大。同時，前后排樁與樁側(cè)土的摩擦力作用形成了一個反向作用力偶，使雙排樁的樁身位移明顯減小。單排樁隨著入土深度的增加樁體位移在一定程度上有所減小，但效果逐漸減弱。所以單純增加支護結(jié)構(gòu)長度，并不能有效減小位移，反而會增加工程造價。雙排樁支護結(jié)構(gòu)在軟土地區(qū)或?qū)ψ冃我筝^高的工程中具有較強的優(yōu)勢。如圖4b)所示，雙排樁樁身變形出現(xiàn)了明顯的樁頂受錨固的現(xiàn)象，樁身彎矩由原來的只有正彎矩變成了正負彎矩交替出現(xiàn)的情況。

圖4 單、雙排樁位移、彎矩對比圖

5 結(jié)語

本文應(yīng)用有限元軟件ANSYS建立了雙排樁的模型算例，對雙排樁支護結(jié)構(gòu)的影響因素進行了分析，得出如下結(jié)論:1)隨著基坑開挖深度的加大，應(yīng)力的釋放，基坑內(nèi)地基土隆起現(xiàn)象越明顯。2)從單、雙排樁的樁身位移和彎矩對比分析可知:雙排樁支護結(jié)構(gòu)屬于超靜定結(jié)構(gòu)，其受力機理復(fù)雜;前、后排樁構(gòu)成了一個力偶抵抗了樁側(cè)的土壓力，抗水平位移的能力大大增強，不到單排樁位移的1/2。因此，當(dāng)基坑開挖深度在5 m～10 m范圍內(nèi)，不便錨索施工，并對水平位移要求較高時，可以優(yōu)先考慮雙排樁支護形式。

[1] 劉建航，侯學(xué)淵.基坑工程手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1997.

[2] Masatoshi Sawaguchi.Lateral Behavior of A Double Sheet Pole Wall Structure[J].Soils and Foundations，1974，14(1):45-59.

[3] 大堀晃一.二重矢板式構(gòu)造の力學(xué)的特性に関する研究[R].港灣技術(shù)研究報告，1984:71-74.

[4] 張 弘.深基坑開挖中雙排樁支護結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與分析[J].華北石油設(shè)計，1993(1):19-24.

[5] 何頤華，楊 斌，金寶森，等.雙排護坡樁試驗與計算的研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，1996，17(2):58-66.

[6] 劉 釗.雙排支護樁結(jié)構(gòu)的分析及試驗研究[J].巖土工程學(xué)報，1992，14(5):76-80.

[7] 蔡袁強，趙永倩，吳世明，等.軟土地基深基坑中雙排樁式圍護結(jié)構(gòu)有限元分析[J].浙江大學(xué)學(xué)報，1997，31(4):442-448.

[8] 熊巨華.一類雙排樁支護結(jié)構(gòu)的簡化計算方法[J].勘察科學(xué)技術(shù)，1999(2):32-34.

[9] 張方瑞.ANSYS 8.0應(yīng)用基礎(chǔ)與實例教程[M].北京:電子工業(yè)出版社，2006.