郭　彪，周虎東，張弘，朱力軍

（甘肅省地礦局第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅蘭州730020）

緊鄰地鐵車站深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)變形性狀研究

郭彪*，周虎東，張弘，朱力軍

（甘肅省地礦局第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅蘭州730020）

以西安市某緊鄰地鐵車站深基坑工程為背景，運(yùn)用大型通用有限元軟件ABAQUS建立三維數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)不同支護(hù)方案下基坑施工的實(shí)際過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，分析了處在有限寬度土體范圍內(nèi)，開挖后存在地鐵車站側(cè)向約束條件下的基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形特性。結(jié)果表明，排距對(duì)懸臂式雙排樁的變形性狀及抗側(cè)移性能影響較大，樁徑次之，樁長(zhǎng)的影響相對(duì)較小，排距的改變引起前后兩排樁所承擔(dān)的土壓力的分配關(guān)系發(fā)生變化，從而改變二者的受力機(jī)理，進(jìn)而造成二者變形性狀的差異。

地鐵車站；雙排樁；變形性狀；數(shù)值模擬

1　概述

隨著地鐵、城市高層建筑以及地下空間工程等的大量興建，基坑的規(guī)模、深度都在不斷加大，且大多數(shù)基坑毗鄰其他既有建（構(gòu)）筑物，基坑的設(shè)計(jì)和施工變得越來越復(fù)雜［1］。因此，在復(fù)雜的周邊環(huán)境和有限的施工環(huán)境中，在確保既有建（構(gòu)）筑物安全的前提下，如何使得基坑自身具備足夠的安全性和穩(wěn)定性成為當(dāng)前深基坑工程設(shè)計(jì)、施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)。樁錨支護(hù)當(dāng)基坑深度較大時(shí)，由于錨桿必須具有足夠的伸出潛在破裂面之外的錨固長(zhǎng)度，故而錨桿長(zhǎng)度較大［3］，錨桿將不可避免地穿透既有建（構(gòu)）筑物基礎(chǔ)或其維護(hù)結(jié)構(gòu)，因此，此類支護(hù)方式具有一定的局限性。與拉錨式支護(hù)結(jié)構(gòu)相比，雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)具有較大的側(cè)向剛度，可以有效地限制基坑的變形，保證基坑的穩(wěn)定性，同時(shí)無需太多的場(chǎng)地，對(duì)環(huán)境的要求低，因而在建筑密集區(qū)更具優(yōu)勢(shì)［4］。當(dāng)前，雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法主要有彈性抗力法、極限平衡法、數(shù)值計(jì)算法3類。理論分析法均需對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)及作用在結(jié)構(gòu)上的土壓力進(jìn)行簡(jiǎn)化，數(shù)值計(jì)算法基于力學(xué)基本定律，在結(jié)構(gòu)離散化的基礎(chǔ)上可獲得整個(gè)基坑的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。對(duì)于緊鄰地下結(jié)構(gòu)、地鐵車站等地下構(gòu)筑物的情況，即有限寬度土體范圍內(nèi)的雙排樁支護(hù)工程，樁后破裂面將受到地下構(gòu)筑物的限制，其土壓力分布形式勢(shì)必不同于一般情況，進(jìn)而造成支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力與一般情況的差異性，但目前對(duì)此類問題的研究相對(duì)較少。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以西安市某緊鄰地鐵車站深基坑為例，應(yīng)用大型通用有限元計(jì)算軟件ABAQUS，綜合考慮場(chǎng)地地層條件、地鐵車站實(shí)際結(jié)構(gòu)以及基坑支護(hù)體系，建立三維整體有限元計(jì)算模型，對(duì)基坑施工的實(shí)際過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，探討限寬度土體范圍內(nèi)深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形性狀，以期為類似工程提供一定的參考。

2　工程概況

2.1基坑周邊環(huán)境條件

擬建建筑物場(chǎng)地位于西安市城內(nèi)大差市十字東北角，北鄰西安市第四醫(yī)院，南鄰東大街，西鄰解放路，地上8層，地下4層，基坑開挖形狀近似呈長(zhǎng)方形，東西總長(zhǎng)約53m，南北總寬約47m，基坑開挖深度為17.3m，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為1級(jí)。擬建建筑周邊環(huán)境復(fù)雜，基坑北側(cè)臨近西安市第四醫(yī)院醫(yī)療樓等，各建筑物距場(chǎng)地基坑底口線的距離為4～7m；場(chǎng)地南側(cè)緊鄰東大街，基坑底口線距東大街的人行道沿約17m；場(chǎng)地東側(cè)北段臨近6層的磚混住宅樓，該住宅與基坑底口線的距離約為14.5m，場(chǎng)地東側(cè)南段緊鄰國藥集團(tuán)西北醫(yī)藥有限公司的住宅及辦公用房，各建筑物距基坑底口線的距離為2m；場(chǎng)地西側(cè)緊鄰解放路，解放路和東大街規(guī)劃有地鐵，地鐵4#、6#線在此匯交，基坑底口線距解放路的人行道沿約19m，距地鐵車站支護(hù)樁的距離為10.5m。

2.2基坑支護(hù)方案

本工程采用順挖法施工，綜合場(chǎng)地地理位置和工程地質(zhì)條件，本工程?hào)|、南、北三段采用錨拉排樁及樁間土掛網(wǎng)噴護(hù)的方法。支護(hù)樁采用機(jī)械成孔灌注樁，

樁徑1.0m，樁間凈距0.6m，鋼筋混凝土灌注樁采用C35混凝土，鋼筋保護(hù)層厚度為50mm。基坑西側(cè)緊鄰地鐵車站，為防止錨索施工穿透地鐵車站結(jié)構(gòu)，擬采用雙排懸臂樁進(jìn)行支護(hù)，通過對(duì)樁長(zhǎng)、樁徑及前后排樁排距的不斷調(diào)整，以最先滿足設(shè)計(jì)要求的方案為推薦方案。樁長(zhǎng)、樁徑及排距的初始擬定值的如表1所示。

表1　基坑西側(cè)支護(hù)方案

3　有限元計(jì)算模型

3.1基本假定

（1）假定開挖歷時(shí)較短，按不排水條件進(jìn)行總應(yīng)力分析，且不考慮土體固結(jié)和滲流的影響；

（2）不考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)施工對(duì)地基初始應(yīng)力場(chǎng)的影響；

（3）在不超過最大抗拔力的前提下，錨索錨固段和周圍土體協(xié)調(diào)變形；

（4）考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體之間的相對(duì)位移，支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體之間設(shè)置接觸面單元。

3.2計(jì)算坐標(biāo)、范圍及邊界條件

計(jì)算中采用笛卡爾直角坐標(biāo)系，以東西向?yàn)閤軸，指向東為正，以南北向?yàn)閥軸，指向北為正，以垂直向?yàn)閦軸，垂直向上為正，坐標(biāo)原點(diǎn)取在基坑中心處?？紤]基坑開挖對(duì)臨近結(jié)構(gòu)的有效影響范圍及合理的計(jì)算規(guī)模，計(jì)算模型豎向近似取為坑深的3.5倍，約60m；東西向總長(zhǎng)約165m，南北向總寬約120m。

計(jì)算中模型地表取為自由邊界，四周約束法向位移，底部采用3個(gè)方向的全約束，有限元模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

3.3單元類型及計(jì)算參數(shù)

土體采用C3D8R單元，支護(hù)樁采用C3D8I單元，可以更好地模擬樁體的彎曲變形［6］，錨索采用T3D2桿單元進(jìn)行模擬，錨固段與土體之間的接觸通過嵌入功能實(shí)現(xiàn)，將錨固段作為嵌入?yún)^(qū)域嵌入到周圍土體所組成的主區(qū)域中，錨索自由段端點(diǎn)與樁體通過耦合約束建立連接，預(yù)應(yīng)力施加在自由段［7］。由于支護(hù)樁與土體在強(qiáng)度和剛度上存在較大差異，在外力作用下，二者的界面有可能會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)或脫離，因此，為了準(zhǔn)確模擬樁土之間的相互作用，在支護(hù)樁和土體之間設(shè)置接觸面。本文采用ABAQUS提供的面—面接觸模型來實(shí)現(xiàn)土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的接觸，采用罰函數(shù)算法、有限滑動(dòng)的庫侖摩擦模型來模擬樁與土體之間的摩擦。接觸面法向采用硬接觸，允許相互錯(cuò)動(dòng)，但不允許主面和從面節(jié)點(diǎn)之間的相互嵌入，接觸面只能傳遞壓力，不能傳遞拉力。將支護(hù)樁的接觸面設(shè)置為主面，而將與之接觸的土體的接觸面設(shè)置為從面。根據(jù)公式（1）［8］計(jì)算可得摩擦系數(shù)u=0.35，式中φ值按照與支護(hù)樁接觸的土體自上而下的厚度加權(quán)平均求得。

土體采用彈塑性本構(gòu)模型，選用莫爾—庫侖屈服準(zhǔn)則，根據(jù)假定，各土層按均質(zhì)各向同性土考慮，土性參數(shù)取自勘察報(bào)告；支護(hù)樁及錨索相對(duì)于土體而言剛度較大，假定為線彈性體。土體、支護(hù)樁、錨索的計(jì)算參數(shù)分別見表2、表3。

圖1　整體有限元計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分（顯示1/4）

4　計(jì)算結(jié)果及分析

隨著基坑工程規(guī)模和深度的不斷加大，基坑的設(shè)計(jì)和施工變得越來越復(fù)雜，基坑的變形控制逐漸取代強(qiáng)度控制而成為基坑設(shè)計(jì)施工中考慮的關(guān)鍵因素［9］，因此，本文選取幾個(gè)典型工況的計(jì)算結(jié)果，重點(diǎn)探討各因素對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)變形性狀的影響。同時(shí)，為了避免基坑拐角處的位移不均勻問題，取基坑西側(cè)中部支護(hù)樁剖面處的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，此處亦為西側(cè)支護(hù)樁最不利受力位置。

4.1排距的影響

圖2為樁長(zhǎng)31m、樁徑0.8m不同排距下雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的樁身水平位移。由圖2（a）可見，當(dāng)前后排樁排距較小時(shí)，2排樁可退化為單排樁，此時(shí)土壓力由2排樁平均分擔(dān)，前、后排樁的變形性狀基本相同，支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形性狀類似于單排懸臂支護(hù)樁，樁身水平位移隨著樁長(zhǎng)的增加逐漸減小，呈上大下小的“y”字型分布規(guī)律。但隨著排距的增大，后排樁對(duì)前排樁產(chǎn)生一定的遮擋作用，前排樁承受的土壓力有所減少，但是，當(dāng)排距繼續(xù)增大時(shí)，前排樁將承受更大的滑動(dòng)土體的作用，其分擔(dān)的土壓力又逐漸上升，樁身的變形性狀亦隨之改變，前排樁的變形逐漸呈撓曲線分布，后排樁的仍近似呈“y”型，且由于受到樁間土的制約作用，后排樁水平位移小于前排樁。同時(shí)，隨著排距的增加，開挖面以上支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移在不斷減小，但開挖面以下支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形卻有增大的趨勢(shì)，且前、后排樁體的位移差值在不斷增大，這說明排距大于一定尺寸后樁間土壓力基本全部作用在前排樁上，后排樁對(duì)前排樁的影響逐漸減弱。

表2　土體有限元計(jì)算參數(shù)

表3　護(hù)坡樁及錨索計(jì)算參數(shù)

圖2　樁長(zhǎng)31m樁徑0.8m不同排距的樁身水平位移

圖3為31m樁長(zhǎng)、0.8m樁徑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)前、后排樁樁體水平位移隨排距的變化圖。由圖3可知，前、后排樁的樁身水平位移均隨排距的增加而減小，說明前、后排樁在冠梁及樁間土的協(xié)同作用下具有良好的空間效應(yīng)，但隨著排距的增加，減小幅度卻逐漸減小，若排距繼續(xù)增大，樁頂側(cè)移將趨于穩(wěn)定，后排樁逐漸退化為拉錨樁。同時(shí)，由于冠梁的剛性約束作用，前、后樁樁頂部分位移的減小幅度基本接近，但就樁體中部而言，后排樁的減小幅度更加明顯。對(duì)比圖3（a）、（b）可見，后排樁的最大水平位移基本發(fā)生在樁頂處，而前排樁的最大位移基本位于樁體2.75～8.02m范圍內(nèi)，即位于開挖面中上部而非樁頂，二者性狀不同，進(jìn)一步說明隨著排距的增大，后排樁對(duì)前排樁的約束作用逐漸轉(zhuǎn)化為拉錨作用，同時(shí)這種作用隨著排距的增加愈發(fā)顯著。

圖3　樁長(zhǎng)31m樁徑0.8m不同排距前、后排樁樁身位移

4.2樁徑的影響

雙排樁整體的抗彎剛度主要取決于樁徑的大小，因而樁徑亦為雙排樁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。如圖4所示，為不同樁徑下31m樁長(zhǎng)、4D排距雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)前、后排樁樁身水平位移曲線。由圖4可見，隨著樁徑的增加前后排樁的樁頂水平位移及樁身最大水平位移均逐漸減小，可見通過改變樁徑能夠使雙排樁結(jié)構(gòu)發(fā)揮較好的支護(hù)效果，但減小的幅度逐漸降低，亦即通過增加樁徑來減小樁體位移的作用是有限的，而且樁徑的增加量與其工程投資量之間呈平方倍增長(zhǎng)。樁徑的增加，其實(shí)質(zhì)是增加了結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度，同時(shí)，在不改變前后排距的情況下，增加樁徑，前、后排樁之間的樁間土就會(huì)相對(duì)減少，因而增加了整個(gè)結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度，同時(shí)，隨著前、后排樁的無限接近，其支護(hù)效果逐漸接近于地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)。

圖4　樁長(zhǎng)31m排距4D各樁徑對(duì)應(yīng)的樁身水平位移

4.3樁長(zhǎng)的影響

如圖5所示為排距3D、樁徑0.8m的雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)樁身水平位移沿樁長(zhǎng)的分布曲線。隨著樁長(zhǎng)的不斷增加，前、后排樁的水平位移隨樁長(zhǎng)變化的趨勢(shì)基本一致，均逐步減小，但減小的幅度均較小。同時(shí)，樁長(zhǎng)的增加對(duì)開挖面中上部樁體位移的限制作用較為明顯，對(duì)開挖面下部樁體的限制作用較弱，在接近坑底標(biāo)高處，前、后排樁的的水平位移值基本一致。由此可見，改變排樁的樁長(zhǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)的水平位移有一定的限制作用，但這種作用相較于樁徑及排距的改變對(duì)提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)移能力的貢獻(xiàn)而言相對(duì)較小，因此，在實(shí)際工程中，在具有足夠嵌固長(zhǎng)度的情況下，通過增加樁長(zhǎng)來調(diào)整支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)移及變形，效果并不明顯。

圖5　排距3D樁徑0.8m各樁長(zhǎng)前、后排樁樁身水平位移

5　結(jié)論

對(duì)于坑后較近距離內(nèi)存在地下室、地鐵車站等地下構(gòu)筑物的基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)而言，其受力、變形與傳統(tǒng)假定坑后土體為半空間無限體下的理想模型具有明顯差異性，通過對(duì)某緊鄰地鐵車站深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)排距、樁徑及樁長(zhǎng)改變對(duì)結(jié)構(gòu)變形性狀的影響分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）在基坑周邊環(huán)境條件特別復(fù)雜的情況下，雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)具有良好的適應(yīng)性，能有效控制基坑側(cè)向變形，減小基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境的影響。

（2）雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的受力性狀受排距的影響較大，排距的變化直接影響樁體兩側(cè)土壓力的變化，在滿足結(jié)構(gòu)安全的前提下，適當(dāng)增大排距可減小結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移。排距較小時(shí)，土壓力主要由后排樁承擔(dān)，通過冠梁向前排樁傳遞，使前排樁受到后排樁的推力。隨著排距的的逐漸增大，前排樁承受的土壓力將逐步增大，從而引起前、后排樁受力機(jī)理的改變，進(jìn)而造成二者變形性狀的差異性。

（3）排距較小時(shí)，雙排樁逐漸退化為單排樁，主要表現(xiàn)為懸臂式特性，隨著排距的增大，后排樁對(duì)前排樁的限制作用主要表現(xiàn)為拉錨式，且這種特性隨著排距的增加愈發(fā)明顯。當(dāng)排距適當(dāng)時(shí)，雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出良好的支護(hù)性能。

（4）在各影響因素中，排距對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的影響最為明顯，樁徑次之，樁長(zhǎng)對(duì)限制支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移的貢獻(xiàn)較小，因此適當(dāng)增加排距及樁徑是提高懸臂式雙排樁抗側(cè)移性能的有效方法。

［1］馬鄖，魏志云，徐光黎，等.基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算軟件開發(fā)及應(yīng)用［J］.巖土力學(xué)，2014，35（3）：862-870.

［2］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.

［3］劉泉生，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.

［4］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（10）：67-71.

［5］陸培毅，楊靖，韓麗君.雙排樁尺寸效應(yīng)的有限元分析［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，38（9）：963-967.

［6］應(yīng)宏偉，李濤，王文芳.基于三維數(shù)值模擬的深基坑隔斷墻優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.巖土力學(xué)，2012，33（1）：220-226.

［7］張運(yùn)良，聶子云，李鳳翔，等.數(shù)值分析在基坑變形預(yù)測(cè)中的應(yīng)用［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2012，34（S1）：113-119.

［8］費(fèi)康，張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應(yīng)用［M］.北京：中國水利水電出版社，2010.

［9］簡(jiǎn)鵬，黨發(fā)寧，李存良，等.深基坑支護(hù)方案比選的效率系數(shù)數(shù)值模擬與評(píng)判［J］.西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015（4）：304-310，316.

·石油與鉆掘工程·

TU473.1

A

1004-5716（2016）04-0017-05

2016-02-15

2016-02-20

郭彪（1983-），男（漢族），甘肅白銀人，工程師，現(xiàn)從事巖土工程相關(guān)工作。