高 樂

（中國鐵路設計集團有限公司 天津300251）

0 引言

近年來，位于丘陵地區(qū)的城市軌道交通建設工程迅速發(fā)展，其帶來的邊坡高度和范圍越來越大，加上城市建筑密集、周圍管線縱橫交錯以及地下結(jié)構(gòu)工程毗鄰，使得邊坡工程越來越復雜，且伴隨著建筑紅線要求更為嚴格，施工場地更緊張以及需?？紤]環(huán)境效應等問題［1-4］。

門架式雙排樁支護結(jié)構(gòu)因能較好地克服上述邊坡工程問題，同時具有整體剛度大、減少設置或無需錨索、施工方便、克服建筑紅線限制和施工場地緊張問題等優(yōu)點，在越來越多的工程中得以推廣使用［5-10］。本文依托深圳市軌道交通10 號線工程某車輛段邊坡工程，通過數(shù)值模擬方法，分析了門架式雙排樁的結(jié)構(gòu)受力情況及影響因素，研究成果可供同類工程參考借鑒。

1 工程概況

1.1 場地條件

擬建深圳市軌道交通10 號線工程某車輛段邊坡原始地貌為丘陵，車輛段因場地平整需要，在場地西端形成高塹坡，同時場地西側(cè)緊鄰二級水源保護區(qū)，距離車輛段邊界很近，高塹坡工程處理空間極其有限。

1.2 不良地質(zhì)

西側(cè)邊坡由大量填土堆填而成，回填土成份復雜，土質(zhì)不均，由黏性土、碎石、和建筑垃圾組成。填土的分布區(qū)域和厚度有很大的不均勻性，局部區(qū)域回填厚度大。

1.3 設計方案

方案上部采用放坡處理，對填土土體進行加固，坡腳采用門架式雙排樁收坡的設計思路。

邊坡分級開挖，每級開挖高度8 m，坡率1∶1.5～1∶2.0。邊坡填土采用注漿錨管+框架梁進行加固，錨管采用鉆機成孔，采用鋼管壓力注漿，注漿材料采用水泥為主劑的漿液加固，采用多次注漿，注漿深度為10～25 m，鋼管留在土體中作為加筋體，鋼管布置在框架格梁的節(jié)點位置，與邊坡表面的框架梁形成整體。

第一級支擋均采用門架式雙排樁支擋結(jié)構(gòu)收坡，排樁采用1.5 m 樁徑，間隔1.7 m 布置，樁頂設置冠梁及聯(lián)系梁，連接排樁頂部。冠梁及聯(lián)系梁寬2.0 m，高1.0 m，澆注成整體。同時用直徑0.6 m 的旋噴樁對樁前嵌固點以下土體進行加固，改善土體性質(zhì)，提高水平抗力。

2 有限元模型建立

采用MIDAS-NX 軟件研究門架式雙排樁的結(jié)構(gòu)受力及影響因素，建立模型進行分析。

2.1 模型參數(shù)

本文選擇各向同性的線性彈性材料模擬鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用修正的Mohr-Coulomb 彈塑性材料模擬土體（見圖1、圖2、表1）。樁身及連系梁為各向同性均質(zhì)線彈性體，采用梁單元模擬（見表2）。

圖1 車輛段典型斷面Fig.1 Typical Section of Depot

圖2 有限元模型幾何尺寸示意圖Fig.2 Finite Element Model Geometry Size Diagram（m）

表1 巖土材料參數(shù)Tab.1 Parameter of Geo-technical Material

表2 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)Tab.2 Parameter of Structure

2.2 分析時步

本算例共分六個分析步：

第一步，激活所有土體單元、邊界條件及荷載，并進行位移清零，使激活單元具有初始自重應力，初始應變近似為0。

第二步，激活雙排樁及聯(lián)系梁單元，模擬雙排樁施工。

第三步～第六步，分四步進行開挖，每次挖深2 m，通過鈍化使開挖單元失效。

3 計算結(jié)果分析

3.1 剪力分析

圖3 為雙排樁剪力云圖，從中可以發(fā)現(xiàn)前后樁剪力值較大區(qū)域均集中在嵌固點高度附近。

圖3 雙排樁剪力云圖Fig.3 Shear Nephogram of Double-row Piles

圖4為前、后排樁樁身剪力沿深度變化曲線。圖4中，樁身剪力隨著開挖深度的增加變化規(guī)律相似。在嵌固點位置高度，前排樁樁身剪力最大值764.06 kN，后排樁樁身剪力最大值199.41 kN。前排樁樁身最大值大于后排樁。

圖4 樁身剪力Fig.4 Shear of Pile

3.2 彎矩分析

支擋結(jié)構(gòu)受力分析過程中，支護結(jié)構(gòu)抗彎能力也是一個十分重要的指標，因此在本次數(shù)值模擬中對支護樁的彎矩進行了計算分析。

圖5 為雙排樁彎矩云圖，前、后排樁樁身彎矩呈S型分布，前樁彎矩變化幅度較大。

圖5 雙排樁彎矩云圖Fig.5 Bending Moment Nephogram of Double-row Piles

圖6 為前、后排樁樁身彎矩與深度關(guān)系曲線。前排樁樁身正彎矩最大值出現(xiàn)在嵌固點以下1～2 m 處，為1 269.34 kN·m。最大負彎矩為發(fā)生在樁頂以下3～4 m 處，其絕對值為1 652.78 kN·m，負彎矩絕對值要大于正彎矩；后排樁正彎矩最大值出現(xiàn)在樁頂，為1 286.98 kN·m，最大負彎矩則出現(xiàn)在嵌固點以下5～6 m處，其絕對值為596.42 kN·m。

圖6 樁身彎矩Fig.6 Bending Moment of Pile

前排樁樁身彎矩曲線變化幅度較大，這是由于前排樁懸臂端臨空，針對嵌固點以下土體采用了咬合旋噴樁加固提高樁前土體抗力，外部約束條件突然改變造成；后排樁整體位于土體中，樁身彎矩曲線變化相對比較圓潤。

經(jīng)過對內(nèi)力及彎矩的對比分析，可以發(fā)現(xiàn)前樁承擔了更大的剪力與彎矩，在設計過程中應對前樁進行針對性加強。

4 雙排樁設計參數(shù)對內(nèi)力影響的分析

影響雙排樁支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的因素有很多，主要有雙排樁的排距、單樁樁徑、樁間距、樁長、連梁尺寸、土體的性質(zhì)等。采用控制變量法，通過改變單一的影響因素來分析雙排樁樁徑、排距、樁長對支護結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力的影響。

4.1 樁徑變化的影響

雙排樁支護結(jié)構(gòu)的樁徑也是影響到工程成本與工程安全的重要因素之一，在保證安全的前提下，樁徑越小越經(jīng)濟。其他設計參數(shù)保持不變，樁徑選擇0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.5 m進行分析。

圖7a為樁徑對前樁內(nèi)力的影響，分析了前樁樁徑分別為d=0.8 m、d=1.0 m、d=1.2 m、d=1.5 m 時，彎矩值的變化情況。從變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，前樁彎矩隨著樁徑加大而變大。從圖中還可以看出，最大正彎矩位置隨著樁徑增大而變深。

圖7b則模擬了后樁樁徑分別為d=0.8 m、d=1.0 m、d=1.2 m、d=1.5 m時，彎矩值的變化情況。后樁最大正彎矩位置均發(fā)生在樁頂位置，隨著樁徑加大，彎矩變大。樁徑變化對樁身彎矩有較大影響，樁徑越大，整個門架式雙排樁結(jié)構(gòu)體系剛度越大，從而樁身彎矩越大。

圖7 樁徑變化對樁身彎矩的影響Fig.7 The Influence of Pile Diameter Change on Bending Moment of Pile

4.2 排距變化的影響

雙排樁支護結(jié)構(gòu)設計中排距是一項的重要的設計內(nèi)容，排距的選擇直接影響著樁體和樁間土是否共同作用。排距過小或過大時，雙排樁不能很好的發(fā)揮空間效應。目前普遍認為排樁間距為3d～5d比較合理。這里選取排距B=5 m、B=6 m、B=7 m進行分析。

從圖8可以看出，隨著排距的不斷增大，前排樁上部的最大負彎矩絕對值和下部正彎矩不斷減小。故適當增大排距可以減小樁身內(nèi)力。邊界條件不受限的時候，建議適當增大排樁間距。

圖8 排距變化對前樁樁身彎矩的影響Fig.8 The Influence of Row Spacing Change on Bending Moment of Front Pile

4.3 樁長變化的影響

在其他條件不變的前提下，分析雙排樁樁長變化對支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，樁長L取值分別為16 m、20 m、24 m。

圖9 樁長變化對前樁樁身彎矩的影響Fig.9 The Influence of Pile Length Change on Bending Moment of Pile

由圖9 可知，增加排樁的長度，前后排樁的最大正彎矩及最大負彎矩絕對值均略有增加，幅度很小。故排樁嵌固比大于1∶1 時，通過增加樁長來調(diào)整支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力時，效果不明顯。

5 結(jié)論

通過有限元MIDAS∕NX 軟件建立了雙排樁支護結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，對開挖過程中雙排樁支護結(jié)構(gòu)的受力情況進行了分析，同時還研究了雙排樁設計參數(shù)對支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，獲得以下主要結(jié)論：

⑴前后排樁樁身彎矩呈左右鏡像的S 型分布，在前排樁樁頂以下3～4 m 處負彎矩達到最大，在嵌固點以下1～2 m 處出現(xiàn)正彎矩最大值；后排樁正彎矩最大值出現(xiàn)在樁頂，最大負彎矩則出現(xiàn)在嵌固點以下5～6 m處。

⑵由于前排樁懸臂端臨空，樁前土體抗力通過咬合旋噴樁加固得到了提高，外部約束條件的突然改變，使得整個門架式雙排樁支擋結(jié)構(gòu)受力體系中，前排樁承擔了更大的剪力與彎矩，結(jié)構(gòu)設計過程應對予以加強。

⑶樁徑與樁身彎矩呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，隨著樁徑增大，樁身彎矩也增大。

⑷隨著排距的不斷增大，前排樁上部的最大負彎矩絕對值和下部正彎矩不斷減小。適當增大排距可以減小樁身承受的彎矩。

⑸排樁嵌固比大于1∶1 后，改變排樁樁長對樁體內(nèi)力影響較小。

支擋結(jié)構(gòu)形式的選取需結(jié)合場地邊界條件、地質(zhì)情況，及邊坡加固方案綜合考慮選取，門架式雙排樁支擋形式體現(xiàn)高結(jié)構(gòu)剛度的優(yōu)勢，同時還可以根據(jù)改變排距、樁距來適應不同場地要求，符合城市軌道交通建設過程中對于支擋結(jié)構(gòu)在“小空間范圍內(nèi)解決大高差”的要求。