摘要：采用有限元软件对双排桩支护的基坑进行分析，研究连梁与前后排桩连接型式对双排桩支护效果影响。研究表明：（1）连梁与前后排桩不同的连接形式对前后排桩变形及内力均有较大影响，同时影响桩后地面的沉降量；（2）连梁与前后排桩刚接时，前后排支护桩变形均最小，弯矩均最大，地面沉降最小；（3）连梁与前后排桩铰接时，前后排桩变形均最大，弯矩较小，地面沉降最大。
关键词：双排桩、排桩变形、地面沉降
0 前言
目前，深大基坑越来越多，很多基坑由于尺寸太大或所需工作空间要求较高，无法采用桩撑体系，而锚索超出规划红线被限制得越来越严格。而双排桩支护结构具有工期短、施工占地少、支护深度大等特点，因此，在深大基坑中，双排桩支护体系的应用越来越多。但由于该结构体系受力较为复杂，设计计算理论尚不十分成熟，使得工程设计人员在设计双排桩的时候对其受力不明确。目前国标中的规范按平面刚架模型对双排桩结构进行计算，国内许多学者对双排桩支护体系的内力和变形计算进行了研究，何颐华等[1]、郑刚等[2]、杨光华等[3]、白冰等[4]均通过对土层作用做了简化而提出了相关的计算模型。
由于连梁与前后排桩的不同连接形式，使得双排桩形成的门式框架体系机动性能不同，从而影响体系的刚度。因此，其连接型式可以影响双排桩的支护效果。本文就连梁与双排桩不同的连接体系对双排桩支护效果进行分析。
对于双排桩支护结构这种受力及变形较为复杂的支护体系，数值模拟可作为一种独立的工具进行基坑开挖分析。本文采用MidasGTS NX对采用双排桩支护的基坑进行基坑开挖分析，并对前后排桩之间的连接进行参数分析，研究连梁对前后排桩不同连接型式对前后排桩变形及受力的影响程度，从而得到一般的规律，为双排桩支护设计提供一定的参考意义。
1 双排桩支护的有限元计算模型
1.1 模型概况
基坑开挖深度为12.4m，采用双排桩支护。前排桩桩径为1.2m，嵌固深度13m，后排桩桩径1.2m，桩长27m，前后排桩采用连梁连接，连梁高度0.5m。模型中工有8个土层，依次为杂填土、淤泥质细砂、淤泥质黏土、细砂、粉质黏土、全风化泥质粉砂岩、强风化泥质粉砂岩和中风化泥质粉砂岩。除强风化和中风化层采用弹性模型模拟外，其余土层均采用摩尔库伦本构模拟，土层信息及本构参数见表1，基坑分析模型为2d模型，如图1，土层采用平面应变单元，双排桩结构采用1d梁单元模拟，双排桩结构均采用弹性模型，弹性模量E=30GPa，泊松比u=2.0。
图1 有限元分析模型
表1 土体物理力学参数
1.2 分析工况
根据排桩与连杆的钢筋布置形式及钢筋数量的不同，前后排桩与连杆的连接型式可分为铰接和刚接，不同的连接型式由于刚度分配会让前后排桩的变形和受力产生较大的影响。根据不同的连接形式，建立有限元模型，分析工况见表2：
表2 分析工况汇总
2 计算结果及分析
2.1 支护桩变形分析
图2、图3分别为前排桩侧向变形随桩长变化的曲线图和后排桩侧向变形随桩长变化的曲线图，因双排桩结构缺少强有力的内撑作用，使得支护桩的变形较大，曲线图上显示，前后排桩与连杆均为铰接时，前排桩顶位移最大，为80mm；连梁与前排桩刚接、与后排桩铰接时，前排桩顶位移次之；前后排桩与连梁均为刚接时，前排桩的桩顶位移最小，为63mm。对于后排桩的桩顶位移出现同样的规律，前后排桩铰接时最大，连梁仅与后排桩铰接时次之，前后排桩与连梁均为刚接时，后排桩桩顶位移最小。此外，由于连梁的作用前后排桩顶变形协调，其侧向位移相等。后排桩侧向变形随桩深变化呈线性关系，而前排桩0~8m桩身范围内出现一定程度的桩身弯曲。
图2 前排桩侧向变形随桩深变化曲线图
图3 后排桩侧向变形随桩深变化曲线图
2.2 支护桩弯矩分析
图4、图5分别为前后排桩弯矩随桩深变化曲线图。从前排桩弯矩随桩深变化的曲线图可以看出，前排桩在深度为6m时弯矩最大，这是由于前排桩在连梁和基坑底部土体约束下表现出类似简支梁或一端简支一端固支梁的变形特性，在中部出现弯矩最大值。通过比较各工况下前排桩最大弯矩，连梁与前后排桩刚接时，桩的弯矩最大，连梁仅与后排桩铰接时，前排桩最大弯矩次之，连梁与前后排桩均为铰接时，桩的最大弯矩相比其他工况最小。此外，当连梁与前排桩刚接，而与后排桩铰接时，前排桩桩顶的弯矩最大。以上规律表明，对于前排桩而言，前排桩与连梁铰接能有效减小桩的受力。后排桩的弯矩曲线图与前排桩相比有较大差别，后排桩与连梁刚接时，其桩弯矩显著大于与连梁铰接的工况。后排桩与连梁铰接时，桩顶弯矩最大，随后弯矩随桩深增大而减小；后排桩与连梁刚接时，弯矩随桩深的变化较小，且弯矩也较小。
图4 前排桩弯矩随桩深变化曲线图
图5 后排桩弯矩随桩深变化曲线图
2.3 地面沉降分析
图6为基坑开挖后桩后地面沉降的曲线图，基坑开挖后，靠近基坑一侧地面产生沉降，随着远离基坑地面沉降变小。通过对比四条曲线，连梁与前后排桩不同的连接方式，靠近基坑地面沉降量不同，但随着地面距后排桩的距离变大，其地面沉降趋于一致。连梁与前后排桩铰接时，地面沉降最大，约为21.3mm，连梁与前后排桩刚接时，地面沉降最小，约为12.5mm。连梁与前排桩铰接以及连梁与后排桩铰接的情况地面沉降大体相同，但越靠近后排桩，连梁与后排桩铰接时的地面沉降较连梁与前排桩铰接时大。可见桩后地面沉降与后排桩的变形关系较大，后排桩的变形大时，地面沉降量也大。
图6 桩后地面沉降的曲线图
3 结论
本文选取了四个工况分析了连梁与前后排桩连接型式对双排桩支护效果的影响，得出以下结论：连梁与前后排桩刚接时，前后排支护桩变形均最小，弯矩均最大，地面沉降最小。连梁与前后排桩铰接时，前后排桩变形均最大，弯矩较小，地面沉降最大。此外，铰接的支护桩变形较大，弯矩较小。后排桩铰接时，地面沉降较大。
参考文献：
[1] 何颐华，杨斌，金宝森等.双排护坡桩试验与计算的研究[J].建筑结构学报，1996（02）：58-66.
[2] 郑刚，李欣，刘畅等.考虑桩土相互作用的双排桩分析[J].建筑结构学报，2004（01）：99-106.
[3] 杨光华，黄忠铭，姜燕等.深基坑支护双排桩计算模型的改进[J].岩土力学，2016，37（S2）：1-15.
[4] 白冰，聂庆科，吴刚等.考虑空间效应的深基坑双排桩支护结构计算模型[J].建筑结构学报，2010，31（08）：118-124.
论文作者:林伟波
论文发表刊物:《基层建设》2019年第9期
论文发表时间:2019/7/2
标签：后排论文; 弯矩论文; 前排论文; 基坑论文; 地面论文; 曲线图论文; 模型论文; 《基层建设》2019年第9期论文;