深基坑拉锚式双排桩支护结构变形与土压力研究(建筑)

王  飞¹，刘亚文¹，梁进军¹，苏静波²

（1．解放军理工大学野战工程学院，江苏南京210007；2．河海大学港口海岸

与近海工程学院，江苏南京210098）

[摘要]拉锚式双排桩作为一种新型的深基坑支护结构，具有施工方便、侧向刚度大、稳定性较好等优点。针对南京某基坑工程的拉锚式双排桩支护结构，建立考虑尺寸效应的三维有限元模型，土体材料采用Mchr-Coulomb弹塑性模型，通过数值模拟研究这类基坑的变形和土压力分布特征，并对拉锚式双排桩支护结构的后排桩长度、后排桩间距、连梁刚度、内坑土体加固等因素的影响进行分析。研究表明：前排桩的侧向位移与常见多道支撑支护结构的变形规律相同，但后排桩的侧向变形类似于悬臂梁变形，最大侧移位于桩顶。二者性状不同，后排桩水平位移明显小于前排桩说明后排桩对前排桩具有一定的拉锚作用，且后排桩长度和土体加固的强度对桩的变形影响较为显著。

 [关键词]深基坑；拉锚式双排桩；有限元分析；变形；土压力   [中图分类号]  TU 473   

1  拉锚式双排桩简介

    单排桩作为一种传统的支护结构，已广泛运用于基坑工程，并积累了大量的施工和设计经验，但当场地土体软弱或基坑较深时，为了保证基坑的安全可采用拉锚式双排桩支护结构。拉锚式双排桩作为一种新型的空间组合类悬臂支护结构，近年来被广泛应用于深基坑、边坡加固等工程中。其原理是：在单排基础上，将部分密集的悬臂桩后移，并在桩顶用冠梁和连梁连接起来，形成空间双排支护结构体系（见图1），在无内支撑的情况下，仅依靠自身整体刚度和空间效应，并与桩间土协同工作，抵抗因开挖引起的不平衡力，增强坑壁稳定性、限制变形、保护周围环境安全。由于结构自身的空间效应，使前排桩主要作用是分担土压力，而后排桩兼起支挡和拉锚双重作用。

    目前对于双排桩支护结构的研究主要有弹性抗力法和有限元法。弹性抗力法方面，平扬等考虑排桩一圈梁-连梁协同作用下，提出一种双排桩工作性态的计算方法；马郧等针对基坑规范中提出的双排桩支护计算模型，开发出一款基坑双排桩设计计算软件，并对双排桩前、后桩的位移、内力和稳定性进行分析。在有限元法方面，杨德建总结了双排桩支护结构的受力特点与内力计算方法，运用有限元建立平面模型，对双排桩支护结构进行探讨和分析；初振环等基于某深基坑工程，分别采用有限元法和解析公式法分析了双排桩支护结构变形特征和土压力分布情况及其对临近建筑物的安全影响，总结了此种情况下双排桩的土压力分布规律，这些成果对于后续研究具有重要的参考和借鉴价值。但目前对于拉锚式双排桩支护结构的变形与土压力研究甚少，少数有限元计算方面的研究均是基于平面模型进行分析，忽略了拉锚式双排桩支护结构作为一种空间组合结构所具有的空间特性。本文以南京某基坑工程为背景，针对拉锚式双排桩支护形式，采用三维有限元法，对这类基坑的变形和土压力分布特征进行深入研究，通过计算结果与实测数据的对比验证了模型的合理性，探讨了拉锚式双排桩支护结构的后排桩长度、后排桩间距、连梁刚度、内坑土体加固等因素对基坑性状的影响。

2  工程实例

    南京青奥轴线地下交通系统J匝道基坑长约180m，开挖深度11. 34m～12. 58m，施工采用明挖顺作法。施工现场位于长江夹江东南岸，属长江古河道漫滩地貌区，根据勘察单位提供的地质报告，本次计算所取地质资料数据见表1。基坑开挖采用大放坡加悬臂开挖下的形式，先放坡开挖至0m（地面标高为7. 5m），再进行直立开挖至坑底。基坑左侧采用拉锚式双排桩支护结构，其结构示意见图1：前排桩采用1200@ 1400钻孔灌注桩，后桩采用1200@1500钻孔灌注桩。冠梁和连梁截面尺寸为1.0m×1.0m，连系梁两端与前、后排桩固结，连梁弹性模量E =58MPa。地面超载q=- 10kPa。

3  有限元模型

    拉锚式双排桩支护结构的变形性状在开挖过程受诸多因素的影响，现有的解析方法很难综合考虑各种因素，得出比较准确的解，而有限元法则成为解决这类问题的有力工具。本文采用MIDAS/GTS软件综合考虑各种施工措施进行三维数值分析。

3.1基本假设

    1)在同一土层中，土体各向同性，将其视为理想弹塑性体，采用Mohr-Coulomb屈服准则，土体采用三维八结点实体单元表示。

    2)模型中各支撑按各向同性弹性材料考虑。

    3)排桩冠梁和连梁、钻孔灌注桩、混凝土支撑均采用梁单元表示。

    4)不考虑地下水对土层性质的影响。

    5)冠梁与桩顶刚性连接，没有转动且为完全弹性体。

3.2计算区域和边界条件

    双排桩结构具有明显的三维几何特征，本文在综合考虑支撑一围护桩．冠梁和连梁．土之间相互作用以及拉锚式双排桩的几何特征和工程的影响范围基础上建立空间三维模型。根据计算需要及精度要求选用长75m，宽24m，高34m的长方体模型(见图2)。运用软件自动划分模型网格，对基坑周围土体的网格单元加密，远离基坑的土体网格逐渐增大。模型支承边界条件为：地表不设置任何方向的约束；模型侧面的侧向水平位移限制为零，竖向自由；模型底部无位移。

3.3工况模拟

    按照土方开挖和支撑逐层架设的原则将整个基坑开挖过程分为4个计算工况。各工况定义如下：①放坡开挖至4. 5m（地面标高为7.5m）即开挖深度为3m,②放坡开挖至外坑坑底0m处即开挖深度为7. 5m;③直立开挖至-1.5m处即开挖深度为9m，同时架设八角支撑及主支撑；④直立开挖至内坑坑底-4.5m处即开挖深度为12m。MIDAS/GTS中通过“激活”和“钝化”单元组的形式模拟各工况。

4  拉锚式双排桩支护结构性状分析

4.1  拉锚式双排桩支护结构变形性状分析

    由图3(a)、(b)可知，随着开挖深度的增大，支护结构侧向变形逐渐增大了土方开挖完毕后，前排桩的侧向位移呈现出典型的“两头小、中间大”的变形曲线，最大水平位移出现在桩顶下1/4桩长附近，但后排桩的侧向变形类似于悬臂梁变形，最大侧移位于桩顶。由图3(c)的线性拟合结果可得：前排桩的最大侧移与开挖深度呈=0. 1336%H，而后排桩的最大侧移与开挖深度呈=0.1156%H，前排桩桩顶位移较大但不是最大值，体现了连梁对前排桩具有一定的拉锚作用。前、后排桩在桩顶附近位移基本相同，但后排桩的整体水平位移却明显小于前排桩，可能是由于连梁的刚度较大，其拉锚作用限制了前排桩位移尤其是桩顶附近位移的发展，而桩间土体对后排桩侧移的制约作用明显增强。

    图3(d)为基本算例坑后20m剖面处土体水平位移沿深度的分布。可见离基坑距离越远，坑后土体的水平位移越小，其沿深度的分布和前排桩侧向位移曲线形状相似。

4.2与实测数据对比

    基坑开挖过程中，支护结构的变形与周边环境的稳定与安全息息相关，必须限制最大水平变形不超过安全容许值。施工过程中在支护结构周边设置了测斜管，以监测支护结构和地基土体在各深度的水平位移。由图4可知，随着开挖深度的增大，双排桩后侧土体呈现较大的水平位移，现场实测值介于前、后排桩的水平变形之间且前桩水平变形大于后桩的变形，此外实测值较计算值略小，主要原因可能为基坑中已打设了一定量的工程桩（钻孔桩），使坑底土体己得到了不同程度的加固，而计算中未考虑其影响。

4.3拉锚式双排桩支护结构受力性状分析

    基坑支护结构的设计中，土压力能否正确估算直接关系到设计的合理性，虽然已有多种土压力计算模式，但支护结构形式的改变使得实际土压力分布趋于复杂。图5为不同工况下支护结构两侧土压力分布规律，可以看出，前、后排桩两侧所受到的土压力与朗肯土压力分布特征（呈三角形分布）大体一致，坑底( 12m)附近内的土压力发生突变。此外，内外排桩主动侧土压力随着开挖深度的增加而不断减小其数值均小于朗肯静止土压力，而内外排桩的被动区土体随着开挖的深度的增加而不断增大且均大于静止土压力。

5  参数敏感性分析

    以上述参数建立的源模型为参考，现分析探讨后排桩长度、后排桩间距、连梁刚度、内坑土体加固等对拉锚式双排桩支护结构性状的影响。下述讨论中选用工况4计算结果作为比较。

5.1  后排桩长度的影响

    假设其他因素保持不变，分别考虑后排桩长度h为10m、5m和0m（单排桩）三种情况，计算结果与源模型对比如图6。

    从图中可看出，后排桩长度h取不同值时，前、后排桩变形曲线形状相似，且随着h的减小排桩的水平位移明显增大，表明增大h对减小基坑土体位移有一定作用，这与应宏伟等的研究规律一致。随着h的减小前排桩桩底的水平位移基本不变，说明h的变化对桩底几乎没有影响，同时可以发现前排桩最大水平位移发生在桩顶下1/4桩长附近。此外，前排桩的水平位移在h为0m时大幅度增加，说明相对于常规单排桩支护结构，拉锚式双排桩形成空间格构，增强了支护结构自身稳定性和整体刚度使侧向位移大大减少。由图6(c)可看出：h≤10m时，增加后排桩的长度可有效减小桩体水平位移，但当h> 10m时其效果不明显，因此当h≤10m时，可考虑通过增加后排桩的长度来有效减小桩体水平位移。随着h的减小，桩身水平位移增大，作用在后排桩的主动土压力略有减小，且均小于朗肯静止土压力。

5.2  后排桩桩距的影响

    排桩的桩距是工程设计人员非常关心的问题，它直接关系到拉锚式双排桩的使用效果10。假定其他条件不变，分别选取后排桩桩距t为2d、3d、4d（d为后排桩桩径，d= 1200mm）进行模拟计算，与源模型的对比结果如图7。

    由图7可知，随着t的增大，前、后排桩的变形趋势基本一致，拉锚式双排桩的整体侧移略有增大，以前排桩为例，t由1. 25d（源模型）增加到2d时，对应的最大侧移由14. 45 mm增长到14. 94mm，增加了3. 5%，当t由2d增加到3d时，最大侧移由14. 94mm增长到15. 21mm，增加了1.8%，进一步计算表明桩距的增大与最大位移的增长基本上成等差级数，增长幅度为t每增大1d，最大位移增长2.0%左右，对于实际工程为了保证支护结构的变形满足规范要求，后排桩桩距不宜过大，建议为2d～3d，在此范围内，根据李立军的研究表明桩间土体也可形成较好的“土拱效应”提高支护结构的安全性。增大t作用在后排桩的主动土压力略有减小。

5.3连梁抗弯刚度的影响

    双排桩通过桩顶的连梁将前、后排桩连接起来，增大了支护结构的整体刚度和抗弯性，使结构的侧向变形大大减小。保持其他条件不变，分别取连梁抗弯刚度为源模型的0. 85 E/、0.7El、0.5E/（源模型连梁抗弯刚度EI=4.8×10⁶kN . m²），计算结果如图8。

    随着连梁抗弯刚度的增加，桩体的水平位移逐渐减小，当抗弯刚度<0. 7E/时，水平位移变化较显著。从图8(c)可看出连梁抗弯刚度的增加，支护结构水平变形在不断减小，但其作用效果却在不断降低，这与林鹏等的研究规律一致。实际工程中在确保连梁具有足够的抗弯刚度来保证支护结构体系的协调作用时，不建议通过增大连梁抗弯刚度来限制支护结构的水平变形。连梁抗弯刚度的减小，后排桩所受土压力基本不变。

5.4  内坑土体加固的影响

    内坑土体加固能够改善被动区的土体性质。图9表示内坑3. 5m深范围内土体加固后支护结构的变形和所受土压力变化情况。被动区加固体按弹性体考虑，弹性模量E分别取100MPa、150MPa和200MPa。

    由图9可看出，内坑土体加固强度取不同值时前、后排桩桩的水平位移变化规律基本一致，随着土体加固程度的逐渐提高，支护桩水平变形显著减小。当内坑土体加固模量分别取100MPa、150MPa和200MPa时，前排桩最大位移分别为12.74mm、11.11mm和9.99mm，相对于源模型分别减少了11.8%、23. 1%和30. 9%，说明随着内坑土体加固强度的增大，桩体变形明显减小，实际工程中合理地选择加固深度及程度既能保证基坑安全，也可节省造价。内坑土体加固强度的提高，后排桩的主动土压力随之增大且更接近朗肯静止土压力。

6  结论

    1)本文结合工程实例，建立考虑尺寸效应的三维有限元模型，通过数值模拟对拉锚式双排桩支护结构上的变形和土压力分布特征的研究表明：

    ①土方开挖完毕后，前排桩的侧向位移呈现出“两头小、中间大”的变形规律，最大位移出现在桩顶下1/4桩长附近，但后排桩的侧向变形类似于悬臂梁变形，最大侧移位于桩顶。前排桩桩顶位移较大但不是最大值，体现了连梁对前排桩具有一定的拉锚作用。

    ②前、后排桩两侧所受到的土压力大致呈三角形分布。内、外排桩主动侧土压力随着开挖深度的增加而不断减小其数值均小于朗肯静止土压力，而被动区土压力随着开挖深度的增加而不断增大且均大于静止土压力。

    2)通过对拉锚式双排桩的几何尺寸和物理性质（排桩长度、后排桩间距、连梁刚度）、内坑加固等因素的分析探讨表明：

    ①增加后排桩长度h对减小基坑土体位移有一定作用，对于实际工程当h≤10m时，可考虑通过增加后排桩的长度来有效减小桩体水平位移。

    ②随着后排桩距t的增大，前、后排桩的变形趋势基本相同，双排桩的整体侧移略有增大，实际工程中宜通过计算来确定最优后排桩桩距。增大桩距作用在后排桩的主动土压力略有减小。

    ③连梁抗弯刚度的增加，桩体的水平位移逐渐减小，当E₁I₁/E/<0.7时（E₁，I₁为变化后刚度，El为源模型刚度），位移变化较明显，但E₁，I₁/EI>0.7时其作用效果在不断降低。

    ④桩的变形对内坑土加固强度十分敏感，提高土体加固的程度，支护桩水平变形显著减小，后排桩的主动土压力随之增大且更接近朗肯静止土压力。

    ⑤总体来看，支护结构的变形对各参数的敏感程度为：内坑土体加固>后排桩长度>后排桩桩距>连梁刚度。在工程实际中，优先选择对内坑土体进行加固，连梁刚度对双排桩支护结构性状的影响不明显，不推荐使用。