深基坑中雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響因素分析

龐建國，楊 明，馬昌龍

(江蘇省南京市公路建設(shè)處，江蘇南京210000)

基坑工程設(shè)計(jì)和施工的重點(diǎn)是要控制基坑變形和保證基坑的穩(wěn)定性［1-3］。雙排樁是一種類似門形的懸臂支擋結(jié)構(gòu)，頂部用連梁將前后排樁組成一個超靜定結(jié)構(gòu)，增大了整體剛度，使雙排樁具有明顯的抵抗變形的能力，位移明顯減少，在一些實(shí)際工程中已經(jīng)取得了較好的效果［4］。

目前，在雙排樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論方面和影響因素方面［5-8］，不少學(xué)者已經(jīng)做了一些研究，并取得了一些進(jìn)展。但由于雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)是懸臂結(jié)構(gòu)，在變形要求高的復(fù)雜條件下，較難滿足基坑工程的要求，只有充分了解雙排樁支護(hù)的影響因素，采取合理的施工方案，才能最大限度發(fā)揮雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。

本文以小紅山客運(yùn)站基坑為例，綜合分析工程情況，結(jié)合具體施工方案，采用大型有限元軟件ABAQUS建立雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的有限元模型，對影響雙排樁支護(hù)的主要因素進(jìn)行分析，得到了雙排樁式支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工的一些有益結(jié)論，為工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 有限元分析模型

按平面應(yīng)變考慮，利用對稱性，幾何形狀及邊界條件如圖1所示。不考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)開挖和降水對土體性質(zhì)的影響，同時將雙排樁按等效豎向剛度的原則簡化成地下連續(xù)墻，連系梁按體積等效折算為連續(xù)的薄板。

建立長70 m，深40 m的模型，右邊20 m為開挖范圍，開挖深度為8 m，分四級開挖，距離左邊界50 m處為前排樁的位置。土體采用實(shí)體單元模擬，有限元網(wǎng)格采用四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變減縮積分單元CPE4R四邊形單元，將連梁和樁模擬成二維的線，用B21梁單元模擬地下連續(xù)墻。樁和土之間及連梁和土之間設(shè)置為接觸面，采用庫倫摩擦模型，連梁與樁設(shè)置綁定，約束條件為模型左右兩側(cè)水平約束，限制底面水平和豎向位移。巖土體采用理想彈塑性模型，采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，樁和連梁采用線彈性模型。

圖1 模型示意圖Fig.1 A sketch map of the model

2 雙排樁支護(hù)的數(shù)值分析

2.1 計(jì)算參數(shù)

結(jié)合小紅山客運(yùn)站基坑場地實(shí)際地質(zhì)條件，選取有代表性的地層:粘土、砂土、粉質(zhì)粘土、強(qiáng)風(fēng)化閃長玢巖及中風(fēng)化閃長玢巖。根據(jù)研究的需要，進(jìn)行相應(yīng)地層的組合。各巖土層、樁及連梁的計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 有限元模型計(jì)算參數(shù)Tab.1 The parameter of the FEM model

2.2 排距的影響

建立地層為均質(zhì)的粘土-強(qiáng)風(fēng)化閃長玢巖的兩層地層條件下不同排距所對應(yīng)的模型。模型中前、后排樁等長，均為20m，樁徑D=800mm，連梁寬度b=800mm，連梁高度 ha=0.5m，樁距為 l=2D，選取不同的排間距即2D、4D、5D、6D、8D、10D建立相應(yīng)的模型進(jìn)行分析研究。結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 排距的影響Fig.2 Effects of distance between the two rows of piles

由圖2可見，排距為2D時，前、后排樁水平位移最大，約為78mm，比排距為4D時明顯偏大，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移曲線類似于單排樁懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)情況。前、后排樁的水平位移隨著排距的增加而逐漸減小，但減小的幅度越來越小，趨勢越來越不明顯。從彎矩圖可以看出，前排樁彎矩隨排距的變化不大，但后排樁彎矩減小較明顯。這是因?yàn)橥翂毫χ饕饔迷谇芭艠?，后排樁通過連梁，起到拉錨作用。從中可以看出:當(dāng)雙排樁排距較小時，雙排樁結(jié)構(gòu)與懸臂式單排樁特性類似;當(dāng)排距過大時，后排樁主要起拉錨樁的作用;當(dāng)排距為4D左右時，樁和土體能夠共同作用，使雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)揮最好的效果。

2.3 樁距的影響

樁間距影響到雙排樁與樁間土的共同作用，當(dāng)樁間距在一定范圍時，排樁之間存在土拱效應(yīng)，使得樁間土壓力向樁身轉(zhuǎn)移，起到有效的遮攔作用。二維的模型對于樁距的變化不能進(jìn)行比較直觀的模擬和反映，因此，建立三維模型對樁距變化的影響進(jìn)行分析。模型長度100m，高40m，模型中樁徑D=800mm，連梁寬度b=800mm，連梁高度ha=0.5m，排距為5D。分別選取樁距為1.25D、2D、2.5D、3D、4D等5種工況，根據(jù)樁距確定模型的寬度，建立相應(yīng)的模型，模型采取的地質(zhì)條件為對于上覆地層為15m厚粘土，下臥地層為強(qiáng)風(fēng)化閃長玢巖的地層。模型示意圖如下:

圖3 3D模型示意圖Fig.3 The sketch map of the 3D model

圖4 樁距的影響Fig.4 Effects of the space of piles

由圖的計(jì)算結(jié)果可以看出，樁距為1.25D時， 前、后排樁水平位移最大，但當(dāng)樁距大于2D后，隨著樁距的增加，前、后排樁整體側(cè)移變化不明顯，有些增大而有些減小。最大水平位移比最小水平位移增加9mm，說明樁距對樁身側(cè)移影響較小。而從彎矩圖可以看出前、后排樁均隨著樁距的增加，彎矩有所增大，但是增幅較小。

從上述結(jié)果看，樁間距對樁身側(cè)移和彎矩的影響并不大，但是應(yīng)該注意，即使側(cè)向位移能滿足工程要求，樁距也不能隨意選取。因?yàn)殡p排樁要求保證樁間土體不被破壞，因此，在選擇樁距時首先要滿足位移條件，同時考慮經(jīng)濟(jì)因素。滿足位移要求時，樁中心距一般選取為2D～2.5D。

2.4 連梁剛度的影響

影響連梁剛度的因素包括截面尺寸和材料彈性模量，改變其中一個因素，可達(dá)到相同的效果。對于連梁剛度的變化，通過改變連梁截面尺寸來實(shí)現(xiàn)連梁剛度的變化。選取上覆地層為15m厚粘土下臥地層為強(qiáng)風(fēng)化閃長玢巖的地質(zhì)條件，在排距為5D，樁距為2D的條件下，連梁厚度變化值選取為0.1m、0.5m、1m、1.5m、2m和3m。

圖5 連梁剛度的影響Fig.5 Effects of binding beam stiffness

從圖5計(jì)算結(jié)果可以看出，連梁厚度由0.1～1 m時，樁身水平位移減小較快，位移得到很好控制。梁厚從1～3 m時，樁身水平位移有一定減小，幅度減緩且很小。從彎矩圖可以看出，隨著連梁剛度的增大，前后排樁的樁身彎矩也會增大。尤其是后排樁，梁厚為3 m時樁頂彎矩約為140 kN·m，而梁厚為0.1 m時幾乎為零。

連梁剛度的增大，可以顯著減小樁體水平位移，但即使連梁剛度很大，對樁身水平位移的控制也不明顯。并且連梁厚度越大，樁體上部受力愈大，特別是后排樁彎矩也會越大。在設(shè)計(jì)時，不應(yīng)使連梁剛度過大，同時需要考慮經(jīng)濟(jì)因素。

2.5 被動區(qū)土體加固的影響

基坑圍護(hù)工程中，為改善圍護(hù)效果，常用水泥攪拌法、高壓旋噴樁等技術(shù)加固被動區(qū)土體。選取地層為粉質(zhì)粘土均質(zhì)地層。假定經(jīng)過加固處理，被動區(qū)土體參數(shù)有所提高，重度γ=20 kN/m3，c=60 kPa， =35°，E=100 MPa，υ=0.29，加固區(qū)與樁體接觸面的摩擦系數(shù)μ=0.5。加固區(qū)寬度為5 m，加固區(qū)深度分別選取基坑底以下3 m、5 m、7 m建立相應(yīng)的模型。

圖6 被動區(qū)土體加固的影響Fig.6 Effects of reinforcing soil between double-row piles

由圖6可見，對被動區(qū)土體進(jìn)行加固，可以顯著減小樁頂變形，前排樁的最大位移從141.4 mm減小到64 mm;但加固深度從3m到7m，樁頂水平位移減幅很小。同時由彎矩圖可以看出，被動土體加固后，前后排樁彎矩也有一定程度減小，但至一定程度后，減小幅值趨向緩和。

由此可見，被動區(qū)的加固能有效減小樁身水平位移和彎矩，能有效抵抗樁體的側(cè)移，改善樁體的受力狀況，提高支護(hù)的穩(wěn)定性和抗隆起能力，但是在加固達(dá)到一定深度后，加固深度的加深并不能發(fā)揮很好的作用。

3 結(jié)束語

通過平面應(yīng)變方法和三維空間分析研究了雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響因素，主要結(jié)論如下:

(1)平面有限元方法可以較好地分析雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，研究結(jié)果表明，雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)能有效地控制基坑側(cè)向變形和減小樁身彎矩。

(2)在排距較小時，雙排樁結(jié)構(gòu)與懸臂式單排樁特性類似，而排距過大，后排樁主要起拉錨作用。隨著排距的增加，樁體內(nèi)力逐漸減小，前排樁彎矩增大，后排樁彎矩減小，可以起到減小樁身內(nèi)力和位移的作用，但同時工程造價略有增加。只有采取適當(dāng)排距時，雙排樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)才能達(dá)到最好的效果?？紤]場地限制及經(jīng)濟(jì)等因素，建議雙排樁排距應(yīng)在4D和8D之間。

(3)樁距對雙排樁樁體側(cè)移及樁身內(nèi)力影響有限。但樁距過小、過大均不利于樁土空間效應(yīng)的形成，比較合理的樁距建議為2D～2.5D。

(4)在一定范圍內(nèi)，增加連梁剛度，可以顯著減小樁體水平位移，但超過一定值時，對樁身水平位移的限制并不明顯。并且連梁厚度越大，樁體上部受力愈大，特別是后排樁彎矩也會越大。在設(shè)計(jì)時，不應(yīng)使連梁剛度過大，實(shí)際工程中可權(quán)衡考慮控制造價。

(5)被動區(qū)坑邊存在應(yīng)力集中區(qū)，對該區(qū)土體的加固能使雙排樁在巖土層中形成有效的支點(diǎn)約束，可以顯著改善雙排樁支護(hù)性能和樁身受力，能有效地減小側(cè)向變形，尤其能提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及抗隆起能力。但是，加固范圍過小、過大，均是不合理的。

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