雙排樁支護結構的特點及其主要數值計算方法

龍　騰

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雙排樁支護結構的特點及其主要數值計算方法

龍騰

（湖南工業大學，湖南 株洲 412008）

在現有支護結構形式中，雙排樁支護結構因其具有擋土結構受力條件好，工程造價低，施工工期短等優點，目前已在國內外工程建設中得到廣泛的應用。通過剖析雙排樁的特點和常見的布置型式，并總結了眾多學者在雙排樁支護結構關于數值計算方法與解析計算方法方面的研究成果。

雙排樁；計算方法；數值分析

1　引　言

雙排樁支擋結構是上世紀研究提出的新型支擋型式，該結構由頂部的冠梁連接前后兩排平行布置的鋼筋混凝土樁構成。在許多實際工程中，在一些特殊情況下錨桿、土釘等支護方式常常受到條件的限制而無法實施，而使用單排樁支護方案又無法達到設計要求的承載力和位移限制，此時雙排樁支擋型式因其抵抗側向位移的能力更強，可以明顯減小基坑的變形，支護深度更大等優點得到了許多設計人員的青睞，近年來在我國基坑工程中得到了廣泛應用[1]。

文章通過剖析雙排樁支擋結構的特點從而解析主要的數值計算方法。

2　雙排樁主要計算方法

2.1雙排樁結構特點與型式

雙排樁支擋結構作為一種使用時間較晚的新型支擋型式，其常見的平面布置型式有：梅花式、丁字式、矩形格構式等等諸多布置型式。與其他支擋方式對比，采用這種新型支擋型式有以下幾方面優點：

（1）雙排樁支擋體系主要由前、后兩排樁以及樁頂的冠梁連結而成，整體具有較大剛度，能極大減小基坑的位移，而單排樁支擋結構通過插入地基土足夠的長度來承擔樁后側的土壓力并保持穩定，頂部的位移和變形較大。

（2）雙排樁支擋結構為超靜定結構，其內力能根據下部支持狀況的改變而做出調節，能在各種條件復雜的環境下發揮功效，而單排樁支擋結構為靜定結構，不具備這種作用。

（3）雙排樁支擋結構與樁錨或樁撐支護型式相比，有對施工時的場所與附近環境要求不高，投資成本相對便宜，易于施工作業等優點。

2.2解析計算方法

在進行雙排樁支擋結構進行計算時，主要有以下幾種方式:一種是以經典土力學為基礎的解析方法，第二種是依據Winkle假定的彈性地基梁法，最后一種是根據土抗力法和土拱理論來進行分析研究的方式。這三種方法具有各自的特點，同時根據結合工程實例來看，后兩種方法的計算結果精確度更高。

（1）以經典土壓力理論為基礎的計算方法主要是從分配于前排、后排樁上的被動和主動土壓力出發，通過經典土壓力公式計算前后排樁土壓力的大小，最后由靜力平衡法計算出樁身所受最大彎矩以及彎矩在結構上的分布情況。此方法重點在于如何計算得出雙排樁上的土壓力分布情況。為此科研工作者們做出了長久的探究與努力，其中申永江等[2]對雙排樁支擋結構的工作機理進行了分析，并依據極限平衡法與土拱理論提出了一種新的解決懸臂式雙排樁上滑坡推力問題的解析方法，提出關于滑坡推力的分配方式，為以后此類支擋結構體系的設計研究打下了基礎。程知言等[3]在原有雙排樁設計基礎上，假定雙排樁整體為剛架，頂部連梁為剛體，不發生轉動和壓縮變形只能平移，并以此提出了一種新改進的設計計算方式。根據經典土壓力理論針對雙排樁上的土壓力分布做出了分析研究，發現后排樁樁后土壓力在整個土壓力作用中起主導作用。雙排樁支擋結構由于設置有后排樁使得土體破裂面發生了改變。雙排樁鋼架作用效應與排間距有關，并且在1到1.5倍樁間距時其作用效應最好。熊巨華[4]對排間距低于4倍樁徑的雙排樁結構提出使用等效抗彎剛度原理的彈性支點法，將前后排樁視為連續梁，推導出了等效抗彎剛度的解析方法，使得其能利用彈性支點法進行分析研究，并且通過實例驗證，證明了該方法行之有效。

同時極限平衡法沒有將樁與連梁之間的變形協調作用納入計算范疇，只適用于土體結構即將失穩的情況，無法對雙排樁支擋結構的變形進行相應的分析等劣勢。

（2）基于Winkle假定的彈性地基梁法是目前運用較為廣泛的一種計算方法，這類模型采用Winkle的假定進行計算分析，考慮了樁和土的相互作用，確定出雙排樁結構的土壓力分布和地基土的基床系數，通過結構力學的相關理論即可求得結構的內力和變形。范秋雁等[5]針對前后排樁沒有土體的雙排樁類型，根據彈性地基梁和冪級數法建立力法方程求解出錢后排樁各截面的內力，得出了此種情況下雙排樁結構內力的計算方法。鄭剛等[6]將樁間土視為一層薄壓縮層，前后兩排樁之間土的相互作用以彈簧模擬，而整個支護結構則視為剛架，依此原理提出的雙排樁計算模型避免了以往計算模型在樁底假設條件上的缺陷，能較為合理的反饋土體對樁身的約束、土層的變化等關于樁土相互作用方便的問題。此外還對帶水平支撐的雙排樁工作性狀進行了分析，總結了一些具有指導性的結論。并設計出一種由實踐檢驗可行的雙排樁節點剛度的增強方法。吳剛等[7]對冠梁在整個支擋體系中效果的研究成果表明，在雙排樁支擋結構里，樁頂連系梁的空間效應對整個體系有著重要作用，冠梁的存在可以很好控制支護結構的位移，因此在設計計算時應該要把對結構有利的作用考慮在內。同時根據彈性地基梁法，探究了樁土相互作用和滑移面等諸多因素對雙排樁上的土壓力的影響，提出了一種具有工程實際價值的計算模型。

雖然基于Winkle假定的彈性地基梁法具有計算模式明確，計算結構簡單等優點，但彈簧剛度取值仍值得進一步研究。

（3）最后一種方法通過土拱理論來計算。土拱效應在巖土工程中非常常見，它首次由太沙基通過實驗得到系統論證。因為土層中的拱作用，將會導致支擋體系的應力進行重分布。所以合理利用土層中的拱作用能使雙排樁支擋結構更為穩定。劉金龍等[8]研究發現在雙排樁支護結構中前排樁的樁間土拱效應最為明顯，整體所受荷載主要由前排樁承擔，而且前后排樁的布設方式也會使土拱效應和土壓力分布有較大改變，通過研究計算梅花型雙排樁和按平行布置的雙排樁兩種不同形式下的土拱作用的區別，發現以梅花型布設的支擋結構能更好地促進前、后排樁聯合形成土拱作用。通過深入研究發現，兩排樁樁所承受的應力比值不相等，因此在對雙排樁支擋結構進行設計計算時，可根據每一排樁的受力情況匹配對應的要求，從而達到降低工程造價的目的。吳昌將等[9]研究了土拱效應的機理，利用有限元軟件建立模型，模擬了雙排樁的土拱效應，證明樁間土的拱作用是一種普遍現象，發現不同布置型式下雖然前后排樁荷載分配情況不同，但整體的土拱效應所產生效果基本類似。同時發現隨著樁與樁之間遠近的變化土拱效應也將會隨之改變，隨后深入研究了在雙排樁列間距固定的假定下，不同行間距對土的拱作用的改變，發現在列間距與行間距分別在3至8倍樁徑和2至8倍樁徑范圍內改變時才會使得土拱效應作用造成較大變化，并且這種變化規律十分復雜。吳昌將等認為在實際工程中，要綜合考慮各方面的因素合理布置雙排樁的型式與規格，從而達到經濟高效的目的。劉泉聲等[10]分析了雙排樁支護結構的受力機理，根據溫克爾假定的彈性地基梁理論，建立了一種新型的有限元模型，該有限元模型考慮了樁土效應對雙排樁支護結構的影響，并且針對彈性抗力系數和土壓力分布這兩項重要參數進行了深入的研究，通過位移反分析優化法與滑動比例系數法來確定彈性抗力系數與土壓力分布規律，最后編制了相應的程序并進行了一些工程實例計算，論證了該計算模型具有適用價值。

2.3數值計算方法

目前，主流的有限元軟件有ABAQUS、ANASYS、MARC、PLAXIS、FLAC等，他們在各個行業中均已得到較為廣泛的運用，其中FLAC因其出眾的非線性能力、眾多的本構關系和方便的用戶結構等優點而得到廣泛的使用。

崔宏環等[11]選擇ABAQUS軟件對某一深基坑施工實例做出了推算，并對雙排樁支擋結構的工作機理進行分析與探討。結果表明：雙排樁樁頂位移最大，而結構本身的剛度對樁身位移有較大作用，同時前后排樁距離的變化會使得的受力發生較大變化，合理設計的排間距能使前后排樁性能得到充分發揮，冠梁使前后排樁連接為一個整體，合理的提高冠梁的剛度可以顯著的降低樁身的位移。史?，揫12]基于ABAQUS軟件對地基土的模量、土壓力分布形式、樁長等因素對樁頂變形的影響進行了深入研究，研究結果表明：排間距是影響雙排樁樁頂位移重要因素，排間距在2至4倍樁徑范圍內時雙排樁空間效應最強并且，當增大到某一臨界值后后排樁將只發揮拉錨作用，臨界排間距值與基坑開挖深度有關；在樁身嵌固深度、被動加固區、樁身剛度等眾多影響樁側位移因素中，被動加固區對減小樁側位移的效果最為明顯。

ANASYS因其性能高效、便于使用等特性，已成為全球范圍內最使用率最高的有限元軟件，在諸多領域都有著廣泛的運用。應宏偉等[13]在針對國內外對深基坑帶撐雙排樁研究較淺的背景下，利用該軟件，在假定樁土的接觸類型為面面接觸、土體選擇D-P彈塑性本構模型等條件下對深基坑帶撐雙排樁支擋體系實行了數值模擬。發現該類雙排樁中部側向位移較大，端部及樁頂則與中部相反整體位移曲線為“中間大、兩頭小”形式，并且前排樁的最大位移量相對較大。同時還研討了雙排樁剛度、排間距、后排樁樁長及前后樁距離遠近對此類支擋結構支護效果的變化，此中后排樁樁與樁之間的距離變化對該支擋體系支護效果起很大作用，而聯系梁對此類支擋結構為非主要影響因素。申永江等[14]選擇ABASYS分析軟件，構思了錨索式雙排樁與剛架雙排樁的計算模型，并上述支擋結構的受力性能進行研究，期望找出抗滑移效果更好的結構形式，通過軟件模擬分析這兩種結構剪力分布情況與工程實例相結合可知，預應力錨索雙排樁前后兩排樁之間的彎矩及剪力分布區別很大，錨索對整個結構的支擋作用無較大影響，證明剛架雙排樁支護中能更好的起到抗滑作用。

PLAXIS有限元軟件因其具有專業、高效、能夠模擬復雜的地質條件、穩定等特點從而在全世界范圍內得到廣泛運用。林鵬等[15]運用PLAXIS軟件通過汕頭某工程雙排樁支擋體系對其應力分布及支護效果繼續深入研究，認為連梁剛度、前后樁排距等對支護結構影響教大的因素應與施工方案實際情況相結合，才能發揮雙排樁支護結構的性能優勢。錢名[16]使用大型有限元軟件PLAXIS對雙排樁在基坑支護的整個過程進行了模擬，與實際工程環境中所測的水平位移變化規律進行比較，與此同時還與相同條件下使用單排樁支護結構進行支護情況做出詳細對比，證明了雙排樁支護對于限制水平位移能力的優越性。同時指出了在進行有限元模擬時如何選擇土體模型和確定合適的參數是整個分析與模擬計算過程中十分關鍵的一步，這將直接影響到數值分析的最終成果是否準確可靠。孫濤等[17]從某一使用雙排樁支擋結構進行基坑支護的工程實例出發，選擇PLAXIS軟件對雙排樁支擋結構中排間距對整體支擋效果的影響進行了分析研究。發現對于不同的排距將對整體結構所受內力與位移產生較大影響，當排間距選擇在2到4倍樁徑范圍內時，能使得前后排樁的變性協調能力得到最大化的發揮，從而使整體結構的內力分配處于較為良好的狀態，最終達到在降低雙排樁配筋率、減少施工成本的同時，還能保證整體結構具有良好的支護效果。這也驗證了吳昌將等對于排間距對整體結構影響的理論研究。除此之外孫濤等通過與實際工程數據比較分析發現，設計時合理的利用雙排樁支擋結構的空間效應和根據實際條件選擇合理的雙排樁支護型式同樣也是減小整體結構變形，降低工程造價的重要手段。

由于土體自身本構關系復雜以及巖土工程邊界條件確定困難、土體具有不均勻性等諸多問題，導致了數值模擬無法做到精確定量，但通過有效的數值模擬能對施工方案的選取和邊坡的穩定性分析提供行之有效的幫助作用。

3　結束語

雙排樁支擋結構是一類空間組合類支擋體系，具有在外力作用錯綜復雜的情況中調節自身結構的內力，使之能應對各種工程條件下的支護需求，從而降低整個體系的位移。目前在越來越多的邊坡工程中得到應用足以說明雙排樁支擋結構性能的優越性和實用性。

雙排樁支擋結構在上世紀90年代開始在我國應用，相對于傳統的支擋結構屬于一種新型的支護形式，還存在著許多的理論及實際問題需要解決。因為樁土共同作用十分復雜，目前的理論分析與實際應用之間還存在著不小的差距，主要有以下幾個方面：

雙排樁支擋結構的研究解析所得結論很大程度上取決于對模型和土體參數的選取，往后的研究過程應與工程實際情況緊密聯合起來，通過這樣的方式對雙排樁支擋結構各方面研究得出的成果將更為貼切實際，應引起廣大學者足夠的重視。

現在的數值模擬研究方法基本上將雙排樁支擋結構作為一種二維的平面問題來進行處理，雙排樁支擋結構具有很強空間效應的考慮，而目前的研究方向對雙排樁支擋結構的三維模擬研究較少，是一大缺陷，同時在雙排樁樁土界面的荷載傳遞規律上同樣缺乏研究。

目前，在雙排樁支擋結構的研究領域主要匯集在樁身的受力分析和樁身側移上，對雙排樁周圍土體的凸起凹陷的現象形成機理缺乏重視，而這些被忽略的問題常常會對周邊建筑及設施造成影響與破壞，這些尚未解決的問題的存在也時刻提醒著我們對雙排樁支擋結構體系的研究需要不斷地發展前進。

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（責任編校：何俊華）

2017－05－16

龍騰（1994－），男，湖南省衡陽人，湖南工業大學土木建筑學院碩士研究生，研究方向為巖土工程。

TU31

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1673-2219（2017）10-0068-03