緊鄰地鐵車站深基坑雙排樁支護結構變形性狀研究

郭　彪，周虎東，張弘，朱力軍

（甘肅省地礦局第二地質礦產勘查院，甘肅蘭州730020）

緊鄰地鐵車站深基坑雙排樁支護結構變形性狀研究

郭彪*，周虎東，張弘，朱力軍

（甘肅省地礦局第二地質礦產勘查院，甘肅蘭州730020）

以西安市某緊鄰地鐵車站深基坑工程為背景，運用大型通用有限元軟件ABAQUS建立三維數值計算模型，對不同支護方案下基坑施工的實際過程進行動態模擬，分析了處在有限寬度土體范圍內，開挖后存在地鐵車站側向約束條件下的基坑雙排樁支護結構的變形特性。結果表明，排距對懸臂式雙排樁的變形性狀及抗側移性能影響較大，樁徑次之，樁長的影響相對較小，排距的改變引起前后兩排樁所承擔的土壓力的分配關系發生變化，從而改變二者的受力機理，進而造成二者變形性狀的差異。

地鐵車站；雙排樁；變形性狀；數值模擬

1　概述

隨著地鐵、城市高層建筑以及地下空間工程等的大量興建，基坑的規模、深度都在不斷加大，且大多數基坑毗鄰其他既有建（構）筑物，基坑的設計和施工變得越來越復雜［1］。因此，在復雜的周邊環境和有限的施工環境中，在確保既有建（構）筑物安全的前提下，如何使得基坑自身具備足夠的安全性和穩定性成為當前深基坑工程設計、施工的重點和難點。樁錨支護當基坑深度較大時，由于錨桿必須具有足夠的伸出潛在破裂面之外的錨固長度，故而錨桿長度較大［3］，錨桿將不可避免地穿透既有建（構）筑物基礎或其維護結構，因此，此類支護方式具有一定的局限性。與拉錨式支護結構相比，雙排樁支護結構具有較大的側向剛度，可以有效地限制基坑的變形，保證基坑的穩定性，同時無需太多的場地，對環境的要求低，因而在建筑密集區更具優勢［4］。當前，雙排樁支護結構的設計計算方法主要有彈性抗力法、極限平衡法、數值計算法3類。理論分析法均需對支護結構及作用在結構上的土壓力進行簡化，數值計算法基于力學基本定律，在結構離散化的基礎上可獲得整個基坑的位移場和應力場。對于緊鄰地下結構、地鐵車站等地下構筑物的情況，即有限寬度土體范圍內的雙排樁支護工程，樁后破裂面將受到地下構筑物的限制，其土壓力分布形式勢必不同于一般情況，進而造成支護結構變形和內力與一般情況的差異性，但目前對此類問題的研究相對較少。

本文在前人研究的基礎上，以西安市某緊鄰地鐵車站深基坑為例，應用大型通用有限元計算軟件ABAQUS，綜合考慮場地地層條件、地鐵車站實際結構以及基坑支護體系，建立三維整體有限元計算模型，對基坑施工的實際過程進行動態模擬，探討限寬度土體范圍內深基坑雙排樁支護結構的變形性狀，以期為類似工程提供一定的參考。

2　工程概況

2.1基坑周邊環境條件

擬建建筑物場地位于西安市城內大差市十字東北角，北鄰西安市第四醫院，南鄰東大街，西鄰解放路，地上8層，地下4層，基坑開挖形狀近似呈長方形，東西總長約53m，南北總寬約47m，基坑開挖深度為17.3m，基坑支護結構安全等級為1級。擬建建筑周邊環境復雜，基坑北側臨近西安市第四醫院醫療樓等，各建筑物距場地基坑底口線的距離為4～7m；場地南側緊鄰東大街，基坑底口線距東大街的人行道沿約17m；場地東側北段臨近6層的磚混住宅樓，該住宅與基坑底口線的距離約為14.5m，場地東側南段緊鄰國藥集團西北醫藥有限公司的住宅及辦公用房，各建筑物距基坑底口線的距離為2m；場地西側緊鄰解放路，解放路和東大街規劃有地鐵，地鐵4#、6#線在此匯交，基坑底口線距解放路的人行道沿約19m，距地鐵車站支護樁的距離為10.5m。

2.2基坑支護方案

本工程采用順挖法施工，綜合場地地理位置和工程地質條件，本工程東、南、北三段采用錨拉排樁及樁間土掛網噴護的方法。支護樁采用機械成孔灌注樁，

樁徑1.0m，樁間凈距0.6m，鋼筋混凝土灌注樁采用C35混凝土，鋼筋保護層厚度為50mm。基坑西側緊鄰地鐵車站，為防止錨索施工穿透地鐵車站結構，擬采用雙排懸臂樁進行支護，通過對樁長、樁徑及前后排樁排距的不斷調整，以最先滿足設計要求的方案為推薦方案。樁長、樁徑及排距的初始擬定值的如表1所示。

表1　基坑西側支護方案

3　有限元計算模型

3.1基本假定

（1）假定開挖歷時較短，按不排水條件進行總應力分析，且不考慮土體固結和滲流的影響；

（2）不考慮支護結構施工對地基初始應力場的影響；

（3）在不超過最大抗拔力的前提下，錨索錨固段和周圍土體協調變形；

（4）考慮支護結構與土體之間的相對位移，支護結構與土體之間設置接觸面單元。

3.2計算坐標、范圍及邊界條件

計算中采用笛卡爾直角坐標系，以東西向為x軸，指向東為正，以南北向為y軸，指向北為正，以垂直向為z軸，垂直向上為正，坐標原點取在基坑中心處。考慮基坑開挖對臨近結構的有效影響范圍及合理的計算規模，計算模型豎向近似取為坑深的3.5倍，約60m；東西向總長約165m，南北向總寬約120m。

計算中模型地表取為自由邊界，四周約束法向位移，底部采用3個方向的全約束，有限元模型及網格劃分如圖1所示。

3.3單元類型及計算參數

土體采用C3D8R單元，支護樁采用C3D8I單元，可以更好地模擬樁體的彎曲變形［6］，錨索采用T3D2桿單元進行模擬，錨固段與土體之間的接觸通過嵌入功能實現，將錨固段作為嵌入區域嵌入到周圍土體所組成的主區域中，錨索自由段端點與樁體通過耦合約束建立連接，預應力施加在自由段［7］。由于支護樁與土體在強度和剛度上存在較大差異，在外力作用下，二者的界面有可能會產生相對滑動或脫離，因此，為了準確模擬樁土之間的相互作用，在支護樁和土體之間設置接觸面。本文采用ABAQUS提供的面—面接觸模型來實現土體與支護結構之間的接觸，采用罰函數算法、有限滑動的庫侖摩擦模型來模擬樁與土體之間的摩擦。接觸面法向采用硬接觸，允許相互錯動，但不允許主面和從面節點之間的相互嵌入，接觸面只能傳遞壓力，不能傳遞拉力。將支護樁的接觸面設置為主面，而將與之接觸的土體的接觸面設置為從面。根據公式（1）［8］計算可得摩擦系數u=0.35，式中φ值按照與支護樁接觸的土體自上而下的厚度加權平均求得。

土體采用彈塑性本構模型，選用莫爾—庫侖屈服準則，根據假定，各土層按均質各向同性土考慮，土性參數取自勘察報告；支護樁及錨索相對于土體而言剛度較大，假定為線彈性體。土體、支護樁、錨索的計算參數分別見表2、表3。

圖1　整體有限元計算模型及網格劃分（顯示1/4）

4　計算結果及分析

隨著基坑工程規模和深度的不斷加大，基坑的設計和施工變得越來越復雜，基坑的變形控制逐漸取代強度控制而成為基坑設計施工中考慮的關鍵因素［9］，因此，本文選取幾個典型工況的計算結果，重點探討各因素對雙排樁支護結構變形性狀的影響。同時，為了避免基坑拐角處的位移不均勻問題，取基坑西側中部支護樁剖面處的計算結果進行分析，此處亦為西側支護樁最不利受力位置。

4.1排距的影響

圖2為樁長31m、樁徑0.8m不同排距下雙排樁支護結構對應的樁身水平位移。由圖2（a）可見，當前后排樁排距較小時，2排樁可退化為單排樁，此時土壓力由2排樁平均分擔，前、后排樁的變形性狀基本相同，支護結構的變形性狀類似于單排懸臂支護樁，樁身水平位移隨著樁長的增加逐漸減小，呈上大下小的“y”字型分布規律。但隨著排距的增大，后排樁對前排樁產生一定的遮擋作用，前排樁承受的土壓力有所減少，但是，當排距繼續增大時，前排樁將承受更大的滑動土體的作用，其分擔的土壓力又逐漸上升，樁身的變形性狀亦隨之改變，前排樁的變形逐漸呈撓曲線分布，后排樁的仍近似呈“y”型，且由于受到樁間土的制約作用，后排樁水平位移小于前排樁。同時，隨著排距的增加，開挖面以上支護結構最大水平位移在不斷減小，但開挖面以下支護結構的變形卻有增大的趨勢，且前、后排樁體的位移差值在不斷增大，這說明排距大于一定尺寸后樁間土壓力基本全部作用在前排樁上，后排樁對前排樁的影響逐漸減弱。

表2　土體有限元計算參數

表3　護坡樁及錨索計算參數

圖2　樁長31m樁徑0.8m不同排距的樁身水平位移

圖3為31m樁長、0.8m樁徑雙排樁支護結構前、后排樁樁體水平位移隨排距的變化圖。由圖3可知，前、后排樁的樁身水平位移均隨排距的增加而減小，說明前、后排樁在冠梁及樁間土的協同作用下具有良好的空間效應，但隨著排距的增加，減小幅度卻逐漸減小，若排距繼續增大，樁頂側移將趨于穩定，后排樁逐漸退化為拉錨樁。同時，由于冠梁的剛性約束作用，前、后樁樁頂部分位移的減小幅度基本接近，但就樁體中部而言，后排樁的減小幅度更加明顯。對比圖3（a）、（b）可見，后排樁的最大水平位移基本發生在樁頂處，而前排樁的最大位移基本位于樁體2.75～8.02m范圍內，即位于開挖面中上部而非樁頂，二者性狀不同，進一步說明隨著排距的增大，后排樁對前排樁的約束作用逐漸轉化為拉錨作用，同時這種作用隨著排距的增加愈發顯著。

圖3　樁長31m樁徑0.8m不同排距前、后排樁樁身位移

4.2樁徑的影響

雙排樁整體的抗彎剛度主要取決于樁徑的大小，因而樁徑亦為雙排樁設計的關鍵參數。如圖4所示，為不同樁徑下31m樁長、4D排距雙排樁支護結構前、后排樁樁身水平位移曲線。由圖4可見，隨著樁徑的增加前后排樁的樁頂水平位移及樁身最大水平位移均逐漸減小，可見通過改變樁徑能夠使雙排樁結構發揮較好的支護效果，但減小的幅度逐漸降低，亦即通過增加樁徑來減小樁體位移的作用是有限的，而且樁徑的增加量與其工程投資量之間呈平方倍增長。樁徑的增加，其實質是增加了結構的側移剛度，同時，在不改變前后排距的情況下，增加樁徑，前、后排樁之間的樁間土就會相對減少，因而增加了整個結構的側移剛度，同時，隨著前、后排樁的無限接近，其支護效果逐漸接近于地下連續墻結構。

圖4　樁長31m排距4D各樁徑對應的樁身水平位移

4.3樁長的影響

如圖5所示為排距3D、樁徑0.8m的雙排樁支護結構樁身水平位移沿樁長的分布曲線。隨著樁長的不斷增加，前、后排樁的水平位移隨樁長變化的趨勢基本一致，均逐步減小，但減小的幅度均較小。同時，樁長的增加對開挖面中上部樁體位移的限制作用較為明顯，對開挖面下部樁體的限制作用較弱，在接近坑底標高處，前、后排樁的的水平位移值基本一致。由此可見，改變排樁的樁長對結構的水平位移有一定的限制作用，但這種作用相較于樁徑及排距的改變對提高結構抗側移能力的貢獻而言相對較小，因此，在實際工程中，在具有足夠嵌固長度的情況下，通過增加樁長來調整支護結構的側移及變形，效果并不明顯。

圖5　排距3D樁徑0.8m各樁長前、后排樁樁身水平位移

5　結論

對于坑后較近距離內存在地下室、地鐵車站等地下構筑物的基坑雙排樁支護結構而言，其受力、變形與傳統假定坑后土體為半空間無限體下的理想模型具有明顯差異性，通過對某緊鄰地鐵車站深基坑雙排樁支護結構排距、樁徑及樁長改變對結構變形性狀的影響分析，得出以下幾點結論：

（1）在基坑周邊環境條件特別復雜的情況下，雙排樁支護結構具有良好的適應性，能有效控制基坑側向變形，減小基坑開挖對周邊環境的影響。

（2）雙排樁支護結構體系的受力性狀受排距的影響較大，排距的變化直接影響樁體兩側土壓力的變化，在滿足結構安全的前提下，適當增大排距可減小結構的側向位移。排距較小時，土壓力主要由后排樁承擔，通過冠梁向前排樁傳遞，使前排樁受到后排樁的推力。隨著排距的的逐漸增大，前排樁承受的土壓力將逐步增大，從而引起前、后排樁受力機理的改變，進而造成二者變形性狀的差異性。

（3）排距較小時，雙排樁逐漸退化為單排樁，主要表現為懸臂式特性，隨著排距的增大，后排樁對前排樁的限制作用主要表現為拉錨式，且這種特性隨著排距的增加愈發明顯。當排距適當時，雙排樁支護結構表現出良好的支護性能。

（4）在各影響因素中，排距對雙排樁支護結構側向位移的影響最為明顯，樁徑次之，樁長對限制支護結構側移的貢獻較小，因此適當增加排距及樁徑是提高懸臂式雙排樁抗側移性能的有效方法。

［1］馬鄖，魏志云，徐光黎，等.基坑雙排樁支護結構設計計算軟件開發及應用［J］.巖土力學，2014，35（3）：862-870.

［2］應宏偉，初振環，李冰河，等.雙排樁支護結構的計算方法研究及工程應用［J］.巖土力學，2007，28（6）：1145-1150.

［3］劉泉生，付建軍.考慮樁土效應的雙排樁模型及參數研究［J］.巖土力學，2011，32（2）：481-486.

［4］史海瑩，龔曉南.深基坑懸臂雙排樁支護的受力性狀研究［J］.工業建筑，2009（10）：67-71.

［5］陸培毅，楊靖，韓麗君.雙排樁尺寸效應的有限元分析［J］.天津大學學報，2006，38（9）：963-967.

［6］應宏偉，李濤，王文芳.基于三維數值模擬的深基坑隔斷墻優化設計［J］.巖土力學，2012，33（1）：220-226.

［7］張運良，聶子云，李鳳翔，等.數值分析在基坑變形預測中的應用［J］.巖土工程學報，2012，34（S1）：113-119.

［8］費康，張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應用［M］.北京：中國水利水電出版社，2010.

［9］簡鵬，黨發寧，李存良，等.深基坑支護方案比選的效率系數數值模擬與評判［J］.西安工業大學學報，2015（4）：304-310，316.

·石油與鉆掘工程·

TU473.1

A

1004-5716（2016）04-0017-05

2016-02-15

2016-02-20

郭彪（1983-），男（漢族），甘肅白銀人，工程師，現從事巖土工程相關工作。