深基坑雙排樁支護結構的數值計算模型研究

康振興

1 概述

隨著我國地鐵建設的蓬勃發展，如何安全合理對基坑開挖進行有效支護是開發利用地下空間的重要保證。雙排樁門架式支護結構(簡稱雙排樁支護結構)是基坑工程中常用的一種支護形式，它由前、后兩排平行的鋼筋混凝土樁以及壓頂梁、前后排樁樁頂之間的連梁(或板)形成類似門架的空間結構。與單排樁懸臂式支護結構相比，雙排樁支護結構具有更大的側向剛度，可以明顯減小基坑的側向變形，因而支護的深度一般也更大，而且施工方便、投資少，目前在一些實際工程中已經取得了較好的效果［1，2］。但是對雙排樁工作機制方面的研究，特別是如何采用數值模擬技術更好的反映實際開挖行為還存在不足，值得深入研究。

選擇一個合適的能反映土體應力—應變—強度特性的本構模型，對于預測基坑開挖引起的地層變形至關重要［3］。土體變形性質的一個突出特征是其模量與應力水平有關。由于在基坑開挖過程中土體的正應力水平是減小的，卸載模量應大于加載模量［4］。建議基坑分析中宜采用考慮土體的塑性和應變硬化特征、能區分加荷和卸荷且剛度依賴于應力水平的硬化類彈塑性模型。

本文采用有限差分軟件FALC3D對雙排樁支護形式下基坑開挖過程進行了內力和變形計算，對連梁與排樁的連接形式進行了研究，同時對比了分別代表硬化塑性和彈—理想塑性的修正劍橋模型和摩爾—庫侖模型在基坑數值計算中的適用性。

2 工程概況和計算模型

2.1 工程概況

某地鐵車站深基坑地下一層為開挖范圍160 m×250 m、最大開挖深度約為7.2 m的地下停車場?；娱_挖區域原屬于海灣沉積地貌的濱海沼澤地，地形開闊，現為垃圾填埋場。根據勘察報告，該區域廣泛分布著第四系人工棄填土，以建筑垃圾、生活垃圾等雜填土為主;以下為海相沉積的淤泥質粘土，粉質粘土以及全風化砂巖;下伏基巖為火山多次噴發—沖積相地層白堊系下統青山組中亞強、全風化流紋巖和強風化凝灰巖。場地地下水埋深一般為0.60 m～5.40 m，地下水賦存方式主要為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水兩類。人工棄填土和海相沉積的含砂類土層為主要含水層，其他土層與風化巖層含水貧乏，透水性差。

根據設計，圍護結構采用雙排鉆孔灌注樁+樁后高壓旋噴樁止水帷幕，無內支撐懸臂樁方案。前、后排樁樁長18.3 m、樁徑1 m、樁間距1.5 m，排距為3 m。在基坑坑部被動土體區域采用水泥攪拌樁進行加固，攪拌樁采用無側限抗壓強度為1.2 MPa的水泥土。

2.2 數值計算模型

計算過程中，忽略圍護樁樁后止水帷幕對土體的加固作用以及地下水滲流對基坑穩定造成的影響，且斷面采用一次性開挖至坑底。計算模型及網格劃分如圖1所示。為消除模型邊界對計算結果的影響，模型豎向深度為2倍圍護樁樁長，坑外模型寬度取4倍～5倍左右的基坑開挖深度。同時為提高運行速度，根據對稱性，僅選取1/2區域進行分析。整個計算模型的區域為0≤x≤40 m，0≤y≤3.2 m，－40 m≤z≤0。模型底面邊界固定，左右邊界約束橫向水平位移，地表為自由邊界。

模型中圍護鉆孔灌注樁采用Pile單元模擬，連梁和冠梁采用Beam單元模擬，連/冠梁與樁頂的連接分別采用剛接形式。各圍護結構服從線彈性應力應變關系，混凝土類結構彈性模量均取為30 GPa，泊松比取為0.2。

計算中，假設基坑開挖前土體為正常固結土，各土層的應力—應變關系近似采用修正劍橋模型(MCC)。在確定劍橋模型屈服面和應力—應變關系時只需3個試驗常數：各向等壓固結系數λ、回彈系數κ和破壞常數M，其中λ和κ可以通過各向等壓試驗確定，也可以采用式(1)中前兩個式子確定。M可以采用常規三軸壓縮試驗確定，也可由式(1)中第3式確定［5］。

其中，Cc為壓縮指數;Cs為回彈指數，一般取(1/5～1/3)Cc，本文取1/4。

3 結果與討論

3.1 變形分析

圖2a)和圖2b)分別為基坑開挖完成后土體豎向位移和水平位移分布云圖。從圖2中可知，在基坑頂部土體水平位移最大，達到了21 mm，沿著開挖深度土體水平位移逐漸減少，至坑底時約為16 mm，同時基坑坑底最大隆起量約為48 mm。

圖3為基坑開挖完成后前、后排樁側向變形與實測數據對比?？梢钥闯?，實際工程中測斜管埋在前排樁外側，計算的后排樁變形曲線和實測值吻合較好，最大側向位移均發生在樁頂，約為21 mm，小于規范要求的0.4%H=28.7 mm(其中，H為開挖深度)的控制標準。在樁頂位置由于連梁將前后兩排樁緊密連接在一起，前、后排樁位移相等。隨著深度的增大，側向位移逐漸減小，在樁身中上部，前排樁的位移要稍大于后排樁的位移，樁身下部兩者位移基本一致，這與有限元分析得到的結論一致［6］。所以，可以初步認為采用修正劍橋模型得到的雙排樁支護結構計算模型是合理的。

3.2 內力分析

雙排樁支護結構作為空間結構體系，在沿著基坑邊的方向，每一榀雙排樁都分擔一定程度的土壓力?；娱_挖后樁身的彎矩分布見圖4。從圖4中可知，后排樁的內力分布與前排樁有較大不同，前排樁彎矩沿樁身存在兩個反彎點，上端反彎點出現在基坑開挖面附近，在樁頂和樁端附近彎矩較小。后排樁在基坑開挖范圍內彎矩較大，最大彎矩發現在樁頂位置。這是因為土壓力主要作用在前排樁，后排樁通過連梁，起到拉錨的作用，相當于在后排樁樁頂施加一個較大的橫向拉力。

3.3 不同結構連接形式的影響

將樁頂和連梁的連接條件由剛接變成鉸接，得到的側向位移結果如圖5所示。當排樁和樁頂連梁鉸接樁身變形明顯增大，前排樁的最大變形量從21 mm增加到了44 mm左右，遠遠超過了實際樁身變形。顯然這種鉸接條件下，降低了結構間的實際連接剛度，也低估了整個支護結構的整體性，使得后排樁的作用與拉錨比較接近，可知，支護結構間采用剛性連接能更好的反映實際開挖特性，得到合理的基坑變形結果。

3.4 本構模型的影響

圖6為采用摩爾—庫侖模型(MC模型)和修正劍橋模型(MCC模型)計算得到的前排樁側向變形圖。由圖可知，采用MC模型，圍護樁發生了較大的整體側移，樁端水平位移達到了28 mm之多，與測斜管得到的實測值相去甚遠。其原因在于，在MC模型中土體加荷和卸荷模量相同，且該本構無法考慮應力路徑的影響，這導致MC模型產生很大的坑底回彈，從而帶動圍護結構底部產生較大的側移，使計算得到的圍護結構位移失真。而修正劍橋模型以塑性體積應變作為硬化參數，考慮了固結壓力和體積應變對土體應力應變的影響，卸荷時較加荷具有更大的模量，在土體開挖卸載的分析中，較MC模型具有更高的優越性。

4 結語

1)相比單排樁支護方案，雙排樁支護結構將連梁與前后排樁組成一個超靜定結構，具有較大的側向剛度，能有效地控制基坑側向變形和減小樁身彎矩，減少基坑開挖工程對周邊環境的影響。

2)樁頂和連梁采用鉸接連接形式低估了整個支護結構的整體性，將得到與實際不符的過大側向位移，建議數值模擬中按剛接形式來考慮結構間連接。

3)采用能區分加荷和卸荷的硬化類高級分析模型如MCC模型，能得到較為合理的圍護結構變形量，反之，由于MC模型采用單一剛度往往導致得到的基坑變形失真，設計時不建議使用。

［1］ 郭永成，吳永紅.泰達當代藝術博物館、公園及公寓深基坑支護工程實例與分析［J］.天津勘察，2005(2)：34-39.

［2］ 龔曉南，高有潮.深基坑工程設計施工手冊［M］.北京：中國建筑工業出版社，1998：187-188.

［3］ Tang Yu-Geng，Kung Gordon Tung-Chin.Investigating the effect of soil models on deformations caused by braced excavations through an inverse-analysis technique［J］.Computers and Geotechnics，2010(37)：769-780.

［4］ 徐中華，王衛東.敏感環境下基坑數值分析中土體本構模型的選擇［J］.巖土力學，2010，31(1)：258-326.

［5］ Itasca.FLAC3D-User’s Manual.Itasca Consulting Group Inc.，Minneapolis，MN，2005.

［6］ 蔡袁強，阮連法，吳世明，等.軟粘土地基基坑開挖中雙排樁式圍護結構數值分析與工程應用［J］.建筑結構學報，1999，20(4)：65-71.