深基坑雙排樁支護結構變形特性的顆粒流模擬研究

丁小彬 施鈺 劉叔灼

基于顆粒流理論，利用二維離散元模擬軟件PFC2D進行二次開發，建立深基坑雙排樁支護結構的數值模型，研究在基坑開挖過程中雙排樁支護結構的內力及變形規律，分析前后排樁的排拒對樁身位移和彎矩的影響，驗證離散元模擬的可行性，以期為工程實際提供參考。分析結果表明，在排距大于4D 時，隨排距增大，樁頂端位移逐漸減小；當排距較大時，后排樁表現出拉錨的作用。深基坑雙排樁支護結構是指沿基坑側壁設置兩排平行樁，前后兩排樁采用矩形或梅花形布置方式，并在兩排樁樁頂用剛性冠梁連接形成雙排支護結構。雙排樁支護結構與單排樁相比，具有更大的側向剛度，可以有效控制支護結構的位移及變形，在深基坑工程中已經得到了廣泛的應用。

目前，學者們針對雙排樁支護結構的研究主要通過理論分析、數值模擬、現場實測等方法。何頤華等通過室內模型試驗和工程實測，分析研究了雙排樁的內力、變形及分布特性；平揚等建對現有理論模型進行改進，考慮了排樁-圈梁-連系梁的空間協同作用，更加符合雙排樁的實際工作性態；楊光華等人基于有限元分析軟件Midas/GTS，建立了適用于分析軟土地層條件下雙排樁的計算模型；應宏偉等數值建模中引入D-P 彈塑性本構模型，研究了后排樁長度、后排樁間距、連系梁剛度等對雙排樁結構性能的影響。近些年來，從細觀角度對巖土工程問題進行模擬研究得到了國內外學者們的廣泛關注。顆粒流分析程序（PFC）是一種通過離散單元法來模擬圓形顆粒介質的運動及相互作用的數值分析軟件，能很好地模擬土體等離散顆粒介質在外力作用下的受力及變形過程。賈敏才等利用顆粒流模擬方法，通過二次開發對重力式攪拌圍護基坑的開挖過程進行了研究，初步驗證了利用顆粒流方法模擬基坑開挖的可行性；周健等利用三維顆粒流程序分析了土釘墻支護基坑擋墻結構的受力及變形規律，與實測結果基本符合。

針對目前對雙排樁結構的數值模擬研究主要以通用有限元軟件為主，而對于從細觀層面采用顆粒流進行數值仿真的研究尚不多見。本文基于二維顆粒流程序（PFC2D）進行二次開發，對基坑開挖過程中雙排樁支護結構的受力及變形規律進行數值仿真試驗，驗證細觀數值模擬方法研究支護結構和土相互作用的可行性。

一、顆粒流模型的建立

1.模型建立

圖1 雙排樁計算模型

如圖1 所示，本文計算模型基坑深度H=8m，寬度和長度分別為40m、50m。基坑土層參數如表1 所示，雙排樁支護體系前后排樁的長度均取21m，樁截面為圓樁，D=1m，排間距取3m，上部連梁的截面邊長為1m，具體參數見表2。

表1 土層物理力學參數

表2 支護結構的力學參數

2.計算參數的選取

由于二維顆粒流軟件（PFC）使用的是顆粒和接觸的細觀力學參數，需要進行宏觀參數與顆粒流程序中內置細觀參數的標定，因此本文通過壓縮數值試驗得到給定細觀參數的宏觀力學反映。其中基坑黏性顆粒選用接觸連接模型，砂土層選用線性接觸模型，樁與連梁采用平行黏結模型，通過細觀參數的試算，得出細觀參數如表3 和表4所示。

表3 土的細觀參數

表4 支護結構的細觀參數

3.基坑開挖過程的模擬

圖2 生成初始土層

圖3 刪除樁體位置土顆粒

圖4 生成雙排樁顆粒

圖5 模擬基坑開挖

為了形成初始的應力狀態（圖2），在模型箱內按最大半徑0.1m、最小半徑0.05m 均勻分布生成74449 個顆粒，各土層土體顆粒在賦予細觀參數后，在自重作用下計算達到平衡狀態，形成初始應力場。

在基坑開挖之前，如圖3 所示，刪除排樁及連梁所在位置的土體顆粒，生成半徑為0.5m 的采用平行黏結接觸的顆粒組（圖4），并繼續在重力作用下達到平衡狀態，形成開挖前的初始狀態，然后刪除設計深度內的土體顆粒（圖5），并最終到達平衡。

二、結果分析

排距影響性分析：

基于上述模型，在保持其它條件不變的條件下，通過改變不同排距，分析雙排樁位移及內力的規律。樁徑為1m，基本算例中排距為3m，然后改變排距分別為4m、6m、8m、10m，得出前后排樁體的水平位移曲線及樁身彎矩分布曲線。

從位移分布曲線來看，前排樁樁身的水平位移分布呈現“兩頭小、中間大”的外凸的形狀，與懸臂單排樁的位移分布有所區別，說明連梁有約束前排樁樁頂位移的作用；當前后排樁的距離大于3m 時，隨著排距的增大，前排樁樁頂的位移在不斷減小，但減小的趨勢逐漸變緩，而且樁身水平位移外凸越明顯。后排樁的位移分布曲線與懸臂單排樁的位移分布形狀相似；并且隨著前后排樁排距的增大，后排樁的水平位移也在不斷減小，但減小的速度在變緩。以上位移分布規律這與文獻中分析所得結果基本一致。

從彎矩分布曲線來看，前排樁樁身分布的彎矩存在反彎點，樁體上部分布正彎矩，下部分布負彎矩；隨著排距的增大，排距分別為3m 與4m 時的樁身彎矩相差不大，而當排距繼續增大超過6m 時，前排樁上部彎矩呈現增大的趨勢；隨著排距的增大，后排樁的彎矩越來越小，這是由于隨著排距的增大，土壓力主要作用與前排樁，而后排樁通過連梁表現為拉錨的作用。

三、結語

通過上述分析，主要結論如下：

（1）通過對雙排樁支護結構內力、位移采用離散單元法（PFC2D）進行模擬分析，發現通過顆粒流分析所得的結果與實際雙排樁變形規律基本相似，初步驗證了利用離散元模擬雙排樁結構的可行性。

（2）雙排樁之間的排距對排樁的樁身位移有較大影響，規范規定雙排樁排距一般取3.5D，由數值模擬結果可知，當排距大于3.5D，樁頂位移隨排距增大而增大，但是前排樁的樁身上部彎矩也變大，排距較大時，后排樁主要起拉錨作用。