1.中船第九设计研究院工程有限公司 上海 200063；
2.上海海洋工程和船厂水工特种工程技术研究中心 上海 200063
摘要：对双排桩围护结构中的排距、桩身刚度对桩身变形和受力特性进行了深入研究。以修改剑桥模型为基础，釆用大型有限差分程序FLAC软件建立数值模型，探讨双排桩支护结构合理设计参数的取值问题。结论表明：随着排距的增大，双排桩的水平位移呈减小的趋势，但趋势逐渐减缓。桩身刚度对双排桩结构的变形控制有一定作用，但效果相对于改变排距较小，桩身刚度并非越大越好。
关键词：双排桩，基坑围护，数值模拟，受力及变形特征
前言
双排桩是近年来逐渐在基坑工程中应用的新型围护结构，由于其特殊的几何构造，不仅可以作为自立式围护结构使用，且能够较好地限制基坑变形，因此主要应用于无内支撑体系的基坑工程中，并可以被设计为竖向承载结构以作为永久结构使用。
目前在数值模拟方面，Duncan & Chang等[1]首次应用有限元数值分析方法，采用双曲线非线弹性土体本构模型，对边坡开挖的性状进行了研究。应宏伟等[2]利用弹塑性本构模型通过有限元数值模拟方法研究深基坑的变形和土压力分布规律。张耀东[3]利用有限元软件对深埋重力门架式围护结构支护的基坑开挖进行模拟，分析其结构内力变形的影响。
本文主要针对双排桩支护结构要素中的排距和桩身刚度两个因素展开研究，釆用大型有限差分程序FLAC软件建立数值分析模型，探讨双排桩支护结构合理设计参数的取值问题。
1 工程概况
1.1 地质情况
本文所涉及工程位于武汉市东湖高新区。建筑结构为一大型深水试验水池，池内设有深、浅水池各一个。其中，浅水池采用双排桩作为基坑围护结构，基坑开挖深度约9m。
建设场区工程地质条件复杂，地层分布不均匀，基岩埋深起伏大，且局部地段分布有膨胀性岩土。具体土层参数统计情况如表1所示。
1.2 围护结构形式
前排桩选用Φ800mm@950mm钻孔灌注桩，排桩后设置Φ850@600的三轴搅拌桩，后排桩选用Φ800mm@2500mm的钻孔灌注桩，桩长均为18m；排桩间距为6.3m，约8倍桩径。桩顶采用800mm厚的承台板将前后排桩连成一个整体，构成双排桩围护结构。
2 数值模型的建立
双排桩支护结构的要素设计主要包括排距、桩距、直径、桩长、连梁截面等参数的确定。本文主要针对双排桩支护结构要素中的排距和桩身刚度两个因素的设计展开研究，以修改剑桥模型为基础，釆用大型有限差分程序FLAC软件建立数值分析模型，探讨双排桩支护结构合理设计参数的取值问题。
2.1 本构模型选取与参数设定
（1）本构模型
修正剑桥模型可以很好地模拟出土体在剪切破坏下的力学机理，根据工程建设场地的土质特性及工程实际情况，选用修正剑桥模型作为计算模型，并釆用相关流动法则。
（2）模型结构单元
承台板采用梁（Beam）单元，在计算中需要输入梁截面积、弹性模量等参数。
支护桩采用桩（Pile）单元，主要模拟桩体的受力特征，在计算中需要输入桩的截面积、弹性模量、热膨胀系数等参数。
具体数值模拟计算中，运用空（Null）单元来表示土体的开挖，计算被激活后，应力自动置为0。
（3） 模型计算参数
土层设计参数的取值见表2所示。
2.2 计算模型与基本假设
（1）计算模型
本模型截取水池的典型横断面进行二维有限元计算。坐标轴规定水平方向为X轴，铅垂方向为Y轴，原点在模型的左下角，如下所示。
边界约束条件为：底面假设静止不动；顶部为自由边界；模型两边布置可动铰支座约束，无剪应力，仅能产生竖向位移。
（2）基本假设
①假设土层为均质；②假定双排桩支护结构满足平面应变问题的基本要求；③假定承台板与桩顶刚性连接，承台板为完全弹性体；④不考虑地下水对土层性质的影响；⑤假设土体是弹塑性材料，其弹性模量及泊松比不受施工条件变化的影响。
（3）施工过程模拟
分析模型生成初始地应力场后，对各施工过程进行定义，主要是基坑土体的分层开挖过程。本次模拟中基坑最大开挖深度为9m，分3层开挖，每层厚度3m，利用移除对应位置处的土体单元和接触面单元来模拟开挖。
3 双排桩结构特性影响分析
3.1 双排桩的排距对变形及内力的影响
双排桩围护结构的排距D分别取2d，4d，6d，8d（d为桩径）计算，开挖深度为9m的计算结果如图2所示。
由图2可知，随着排距的增加，前后排桩的水平位移都逐渐减小，势渐趋缓慢。当D=2d时，前后排桩的变形是相似的，且水平位移较大，排桩距离过近，桩间土并没有起到有效作用，相当于悬臂叠合桩受力。当排距逐渐增加时，前排桩的最大水平位移的位置开始从桩顶向下移动。
其次，前后排桩的水平位移差值随着排距的增加而逐渐增加，这是由于桩间土越多，对后排桩的抵挡作用越强，限制其变形，对前排桩的挤压作用越强，助长其变形。
分析桩身弯矩得，前排桩弯矩在开挖面处出现反弯点，开挖面以下位置弯矩值基本不受排距变化影响，而开挖面以上的弯矩会随排距增大逐渐减小，并且最大弯矩的位置一直在深度约4.5m处。后排桩的最大正弯矩发生在桩顶，且随排距的增加而增大。
综上所述，当排距小于等于3d时，类似叠合的单排悬臂桩，前后排桩距离过近，不能有效利用桩间土的协同作用造成水平位移大于其他排距情况。随着排距增加，桩水平位移逐渐减小，但减小趋势逐渐减缓。
3.2 桩身刚度对变形及内力的影响
排桩的刚度分别取0.5EI，EI，2 EI，3 EI，4 EI计算，EI =5.024×105kN∙m2，结果如图4。
由图3可知，当桩身刚度逐渐增大的过程中，位移逐渐减小，但减少的幅度是越来越弱的。因此，通过增加排桩本身刚度来减小结构变形的程度是有限的。
弯矩方面，桩身刚度从EI~3EI变化，前排桩开挖面以上的弯矩明显增大，最大弯矩的位置不会改变；开挖面以下变化较小。对于后排桩，开挖面以上的弯矩只有微小变化，开挖面以下的弯矩基本无变化。
总体来说，当桩身刚度较小时，可以考虑通过提高桩身刚度的方式来控制变形，但相比于其他增强围护结构刚度的方式，增加桩身刚度的效果是有限的，且一般来说，增加桩身刚度相对于增加排桩间距导致工程造价提高更为明显。
由此可知，选择合适的刚度大小，使排桩既能有效控制变形又不至于使造价过高。经比较，本工程中，当开挖深度为9m左右，桩身刚度为EI=5.024×105kN∙m2，桩径为0.8m时，围护结构的水平位移和弯矩较为理想，能够较好发挥结构作用。
4 结论
（1）基坑开挖过程中，前后排桩的桩身范围内都有一个反弯点，桩顶受正弯矩作用，桩底弯矩几乎为零。随着开挖深度的增加，反弯点位置逐渐下移，最大正负弯矩值均逐渐增大，且正弯矩大于负弯矩绝对值。
（2）当双排桩排距小于等于3d时，类似叠合的单排悬臂桩，排桩间距过近，不能有效利用桩间土的协同作用。随着排距增加，桩水平位移逐渐减小，但减小趋势逐渐减缓。
（3）桩身刚度对双排桩结构的变形控制有一定作用，但作用效果相对于改变排距较小，桩身刚度并非越大越好。
参考文献：
[1]Duncan JM, Chang CY. Nonlinear analysis of stress and strain in soils[J]. Journal of the soil mechanics and foundations division, ASCE. 1970.
[2]应宏伟, 初振环. 深基坑带撑双排桩支护结构有限元分析[J]. 岩石力学与工程学报,2007, 193: 4325-4331.
[3]张耀东, 俞建霖. 深埋重力门架式围护结构性状研宄与应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2004, 9: 1578-1584.
论文作者:吴昊,符晓赟,王鑫
论文发表刊物:《基层建设》2017年1期
论文发表时间:2017/4/12
标签：弯矩论文; 刚度论文; 结构论文; 模型论文; 基坑论文; 位移论文; 后排论文; 《基层建设》2017年1期论文;