不同布樁方式對(duì)h型雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)影響的數(shù)值模擬

詹智麒，徐光黎,2

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)調(diào)查研究院，湖北 武漢 430074；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

如今城鎮(zhèn)化建設(shè)快速發(fā)展，基坑工程在地下空間開(kāi)發(fā)中發(fā)揮著重要作用。基坑工程是一種綜合性、臨時(shí)性工程，在工程建設(shè)中，首先要確保工程的安全性，同時(shí)也要考慮經(jīng)濟(jì)合理性。雙排樁支護(hù)由于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、施工面積小、污染少，可以滿足不同復(fù)雜工程施工的要求，已在實(shí)際基坑工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于雙排樁在基坑工程、滑坡治理工程中的應(yīng)用已有了較為深入的研究，主要研究方法有數(shù)值模擬、室內(nèi)及原位試驗(yàn)、理論分析等。如：《抗滑樁設(shè)計(jì)與計(jì)算》[1]一書(shū)中提出當(dāng)滑坡下滑力特別大時(shí)，可考慮布置為梅花型雙排樁，必要時(shí)可使用連梁來(lái)增加抗滑力；《深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)原理與工程實(shí)踐》[2]一書(shū)中使用有限元計(jì)算方法就雙排樁排距、留土高度、嵌固深度等對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了探討；Ginzburg等[3]通過(guò)模型試驗(yàn)，研究了多排抗滑樁防治混合黏性土滑坡，獲取了抗滑樁樁側(cè)滑坡推力的分布規(guī)律；熊治文等[4]通過(guò)全埋式雙排樁大型室內(nèi)模型試驗(yàn)，探討了不同布置形式(正對(duì)形布置或梅花型布置)時(shí)滑坡推力在多排樁(兩排及其以上抗滑樁)不同樁排的分配、樁身受力分布形式以及樁排的相互作用等問(wèn)題；劉金龍等[5]采用非線性有限元方法研究了不同布置形式對(duì)雙排抗滑樁土拱效應(yīng)的影響，結(jié)果表明當(dāng)懸臂式雙排抗滑樁采用梅花型布置時(shí)，其樁間土拱效應(yīng)要明顯大于采用平行布置；王忠凱等[6]利用有限元軟件研究了連梁剛度和排距對(duì)于雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響；李鑫等[7]利用有限元軟件FLAC 3D探討了不同布置形式和樁間距下各類型微型樁體系的受力特性；歐孝奪等[8]對(duì)h型抗滑樁進(jìn)行了室內(nèi)模型試驗(yàn)，并利用數(shù)值模擬方法對(duì)模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)雙排樁樁土作用機(jī)理以及雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響因素等進(jìn)行了較為深入的研究。而h型雙排樁作為一種“異形”抗滑樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，對(duì)其理論研究已無(wú)法滿足為工程實(shí)踐提供指導(dǎo)的需求。h型雙排抗滑樁是傳統(tǒng)門架式雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的一種優(yōu)化工程方案，相較于傳統(tǒng)的雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，其樁徑增大、樁長(zhǎng)減小，減少了對(duì)于周圍土體的擾動(dòng)，后排樁豎起的懸臂段可以起到收坡作用，而樁身內(nèi)力減小，大幅降低了施工成本和難度，且具有結(jié)構(gòu)整體剛度大、受力性能良好等優(yōu)點(diǎn)[8-9]，已在基坑工程、滑坡治理工程中得到了廣泛的應(yīng)用。基于此，本文以湖北省某多級(jí)開(kāi)挖基坑工程為例，采用有限元軟件PLAXIS 3D建立了采用h型雙排抗滑樁作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的多級(jí)開(kāi)挖的基坑工程三維數(shù)值模型，并探討不同布樁方式對(duì)h型雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，為實(shí)際基坑工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 基坑工程概況

本基坑工程項(xiàng)目主要包括1棟高層住宅樓和裙樓(商鋪)，高層建筑地上47層，高度約140 m，地下2層，地下擬建建筑物擬采用樁基礎(chǔ)。基坑開(kāi)挖面積約為11 000 m2，開(kāi)挖深度為7.5～15.5 m。基坑側(cè)壁土層自上而下分別為：①砂質(zhì)粉土；②黏土；③粉質(zhì)黏土。基底坐落于②(黏土)土層中。擬建場(chǎng)地?zé)o不良地質(zhì)現(xiàn)象及作用，工程地質(zhì)條件良好，屬適宜建設(shè)的穩(wěn)定場(chǎng)地。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 模型尺寸

本文利用有限元軟件PLAXIS 3D建立了采用h型雙排樁作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的多級(jí)開(kāi)挖的基坑工程三維數(shù)值模型，設(shè)定從左到右為x方向，從下到上為z方向，從外部到內(nèi)部為y方向，模型總體尺寸為x方向100 m、z方向50 m，y方向4 m。

建立的多級(jí)開(kāi)挖的基坑工程數(shù)值模型由土層、建筑物和h型雙排樁三部分組成。土層分為2層：第一層為砂質(zhì)粉土，厚度為24 m；第二層為黏土，厚度為26 m。開(kāi)挖邊坡后方5 m處有一座高10 m、地下2 m的建筑物，本文定義靠近建筑物的樁為后排樁，遠(yuǎn)離建筑物的樁為前排樁，這兩排樁之間有連梁連接。該基坑工程總開(kāi)挖深度為15 m，分三步開(kāi)挖。第一步開(kāi)挖一3 m高的邊坡，邊坡角度為45°，并完成后排樁的施工；第二步開(kāi)挖深度為5 m，并完成前排樁及連梁的施工；最后一步開(kāi)挖深度為7 m。

在數(shù)值模擬軟件中，本文采用Massive circular pile和Massive circular beam結(jié)構(gòu)模擬h型雙排抗滑樁和連梁，抗滑樁徑為1 m，后排樁長(zhǎng)為22 m，前排樁長(zhǎng)為17 m，同排樁間距為2 m，樁排距為7 m，雙排樁與連梁采用剛性連接，模型底部為地下水位。有關(guān)數(shù)值模型的詳細(xì)信息，見(jiàn)圖1。

前、后兩排樁的布置形式可分為平行布置和梅花型布置，見(jiàn)圖2。在數(shù)值模型中，將保留邊界樁的一半橫截面積，以確保樁的總橫截面積相同。

圖1 多級(jí)開(kāi)挖的基坑工程數(shù)值模型剖面圖Fig.1 Profile of the numerical model of foundation pit engineering with multi-stage excavation

圖2 h型雙排樁的布置形式Fig.2 Arrangement of the h-shaped double-row piles

2.2 邊界條件

本文根據(jù)實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)設(shè)置邊界條件，采用限制邊界位移的方法使計(jì)算模型更接近真實(shí)狀態(tài)。

與實(shí)際情況相結(jié)合，本文假定基坑工程數(shù)值模型周邊是沿著走向無(wú)限延長(zhǎng)的，按平面應(yīng)變來(lái)計(jì)算。對(duì)于三維數(shù)值模型，設(shè)置模型頂部(zmax)為自由邊界，不限制其位移；對(duì)于模型底端(zmin)近似認(rèn)為基坑開(kāi)挖對(duì)其無(wú)影響(深度足夠大)，施加固定約束，限制其各方向位移；模型的四周(xmin和xmax,ymin和ymax)施加法向約束，限制其法向的位移；前排樁前側(cè)部分不施加約束，以便于觀察數(shù)值模型的變形狀況。

2.3 模型參數(shù)

對(duì)于建筑物，本文將其定義為線彈性模型，采用實(shí)體單元，參考基坑工程實(shí)際確定建筑物參數(shù)，詳見(jiàn)表1。

表1 建筑物參數(shù)Table 1 Parameters of the building

注：γunsat為不飽和容重；E為彈性模量；G為剪切模量；Eoed為固結(jié)試驗(yàn)的參考切線模量。

與實(shí)際情況相結(jié)合，對(duì)于雙排樁和連梁可采用軟件內(nèi)置結(jié)構(gòu)單元來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中樁采用pile單元，連梁采用beam單元，均定義為線彈性模型。雙排樁與連梁采用剛性連接，根據(jù)施工設(shè)計(jì)方案，采用等效剛度原則確定其參數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 雙排樁和連梁參數(shù)Table 2 Parameters of the double-row piles and the beam

注：E為彈性模量；γ為容重；D為樁徑；Lspacing為樁間距。

基坑土層參數(shù)根據(jù)實(shí)際場(chǎng)地工程地質(zhì)條件和試驗(yàn)結(jié)果確定，具體參數(shù)見(jiàn)表3。基坑土體采用HS-Small模型進(jìn)行模擬，HS-Small模型既可以考慮土體的剪切硬化，又可以考慮土體的壓縮硬化，還可以考慮土體剪切模量在微小應(yīng)變范圍內(nèi)隨應(yīng)變衰減的行為，對(duì)于基坑開(kāi)挖的模擬具有較好的適用性[10]。

表3 基坑土層參數(shù)Table 3 Parameters of soil layers of the foundation pit

2.4 網(wǎng)格剖分

PLAXIS3D網(wǎng)格的剖分需要結(jié)合特定的應(yīng)力區(qū)域。在本研究中，對(duì)于三維數(shù)值模型采用了Fine網(wǎng)格密度，并且對(duì)h型雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)附近和建筑物附近的網(wǎng)格加密，以確保計(jì)算精度。三維數(shù)值模型的網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖3。

圖3 三維數(shù)值模型的網(wǎng)格劃分Fig.3 Meshing of the 3D numerical model

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 不同布樁方式對(duì)h型雙排樁安全系數(shù)和建筑物位移的影響

本文對(duì)比了不同布樁方式(即平行布置、梅花型布置)對(duì)h型雙排樁安全系數(shù)的影響。采用兩種布樁方式的h型雙排樁的安全系數(shù)均大于1.35，其中采用平行布置的h型雙排樁的安全系數(shù)為1.475，采用梅花型布置的h型雙排樁的安全系數(shù)為1.512，均能滿足安全要求，且采用梅花型布置的h型雙排樁的作用效果要優(yōu)于平面布置。

此外，本文還對(duì)比了不同布樁方式對(duì)周邊建筑物位移的影響，其模擬結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 不同布樁方式對(duì)建筑物位移的影響Fig.4 Impact of pile arrangement ways on the building displacement

由圖4可見(jiàn)，兩種布樁方式下建筑物頂部的位移均大于底部；而采用梅花型布置的h型雙排樁會(huì)導(dǎo)致建筑頂部和底部的位移明顯減少，對(duì)周邊建筑物的影響較小，有利于建筑物的安全，故采用梅花型布置的h型雙排樁的作用效果要優(yōu)于平行布置。

3.2 不同布樁方式對(duì)前、后排樁樁身水平位移和彎矩的影響

本文對(duì)比了不同布樁方式對(duì)前、后排樁樁身水平位移的影響，其模擬結(jié)果見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 不同布樁方式對(duì)后排樁樁身水平位移的影響Fig.5 Impact of pile arrangement ways on horizontal displacement of the back pile

圖6 不同布樁方式對(duì)前排樁樁身水平位移的影響Fig.6 Impact of pile arrangement ways on horizontal displacement of the front pile

由圖5和圖6可見(jiàn)，后排樁樁身水平位移大于前排樁，隨著樁埋深的減小，樁身水平位移隨之增大，最大樁身水平位移位于樁頂處；采用梅花型布置的h型雙排樁的樁身水平位移要明顯小于采用平行布置，前、后排樁樁身最大水平位移均不超過(guò)2 cm，其結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性強(qiáng)；樁的剛度保持不變，采用平行布置的h型雙排樁承受的荷載更大。

對(duì)于樁身內(nèi)力，由于h型雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)主要是受到剪切力的影響，因此選用前、后排樁的彎矩來(lái)代表樁身內(nèi)力。本文對(duì)比了不同布樁方式對(duì)前、后排樁樁身彎矩的影響，其模擬結(jié)果見(jiàn)圖7和圖8。

圖7 不同布樁方式對(duì)后排樁樁身彎矩的影響Fig.7 Impact of pile arrangement ways on bending moment of the back pile

由圖7可見(jiàn)，對(duì)于后排樁，當(dāng)樁埋深為0～5 m時(shí)樁身彎矩很小，在樁埋深為5 m處(即連梁所在深度)樁身彎矩發(fā)生突變，樁身彎矩明顯增大并改變了方向，此處為樁身彎矩最大處，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)連梁深度處進(jìn)行加強(qiáng)，以滿足安全要求；隨著樁埋深的增加，樁身彎矩先減小后增大再減小，樁底處樁身彎矩為0；在接近樁中點(diǎn)處存在一反彎點(diǎn)，反彎點(diǎn)上部樁身彎矩為正方向，反彎點(diǎn)下部樁身彎矩為反方向。

圖8 不同布樁方式對(duì)前排樁樁身彎矩的影響Fig.8 Impact of pile arrangement ways on bending moment of the front pile

由圖8可見(jiàn)，與后排樁不同，前排樁樁頂彎矩不為0，這是因?yàn)榍芭艠稑俄斉c連梁進(jìn)行了剛性連接;隨著樁埋深的增加，樁身彎矩先增大后減小再增大再減小，在樁埋深大約為4 m處樁身彎矩最大，樁底處樁身彎矩為0；在接近樁中點(diǎn)處存在一反彎點(diǎn)，反彎點(diǎn)上部樁身彎矩為正方向，反彎點(diǎn)下部樁身彎矩為反方向。

無(wú)論對(duì)于后排樁還是前排樁，采用平行布置的h型雙排樁樁身彎矩均大于梅花型布置，采用平行布置的后排樁樁身最大彎矩約為梅花型布置的1.4倍，采用平行布置的前排樁樁身最大彎矩約為梅花型的1.3倍；對(duì)于反彎點(diǎn)，采用梅花型布置的h型雙排樁反彎點(diǎn)更靠近樁身中心，其內(nèi)力分布更加均衡，能更有效地利用樁身截面，優(yōu)于平行布置。

3.3 不同布樁方式對(duì)前后排樁荷載分擔(dān)比的影響

前、后排樁的荷載分擔(dān)比，顧名思義，定義為前、后排樁所承受的荷載占前后排樁總荷載的百分比。在實(shí)際基坑工程中，支護(hù)樁的破壞主要是由彎曲破壞引起的，而支護(hù)樁的設(shè)計(jì)主要是基于截面的抗彎強(qiáng)度。因此，本文認(rèn)為樁身彎矩是衡量前、后排樁荷載分擔(dān)比最重要的指標(biāo)，則前、后排樁的載荷分擔(dān)比即為前、后排樁的樁身彎矩最大值之比。表4為不同布樁方式前、后排樁的荷載分擔(dān)比。

表4 不同布樁方式下前、后排樁的荷載分擔(dān)比Table 4 Load sharing ratios for front and back piles with different arrangement ways

由表4可知，前、后排樁所承受的荷載不相等，對(duì)于采用平行布置的h型雙排樁，其荷載分擔(dān)比約為5.6∶4.4,而對(duì)于采用梅花型布置的h型雙排樁，其荷載分擔(dān)比約為5.4∶4.6，且其后排樁所承受的荷載與前排樁更為接近。因此，采用梅花型布置形式會(huì)使h型雙排樁荷載分擔(dān)更加趨于合理，有利于增加h型雙排樁結(jié)構(gòu)的整體性，更加充分地發(fā)揮前排樁的作用。

3.4 不同布樁方式對(duì)抗滑樁樁后(間)土拱效應(yīng)的影響

對(duì)于h型雙排樁不同的布置形式，本文還研究了其土拱效應(yīng)。“土拱效應(yīng)”是在工程實(shí)踐中逐漸被認(rèn)識(shí)和發(fā)現(xiàn)的。英國(guó)科學(xué)家羅伯特首先發(fā)現(xiàn)了“糧倉(cāng)效應(yīng)”，即當(dāng)顆粒堆積到一定高度時(shí)，糧倉(cāng)底部的壓力達(dá)到最大值并保持不變。據(jù)此，學(xué)者們提出了拱效應(yīng)的概念。在土力學(xué)領(lǐng)域，類似的拱效應(yīng)已被著名的Terzaghi活動(dòng)門試驗(yàn)所證實(shí)，即“土拱效應(yīng)”[11]。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于抗滑樁的土拱效應(yīng)已經(jīng)有了較為深入的研究。如：趙明華等[12]分析了抗滑樁土拱效應(yīng)的形成機(jī)理；張建華等[13]通過(guò)建立數(shù)值模型并計(jì)算得出在抗滑樁樁距適宜時(shí)，樁后土體將產(chǎn)生土拱效應(yīng)；Chen等[14]利用有限差分法軟件FLAC 3D對(duì)不同條件下樁間土拱效應(yīng)進(jìn)行了模擬；韓愛(ài)民等[15]通過(guò)平面有限元方法研究了被動(dòng)樁土拱效應(yīng)的形成機(jī)理；呂濤等[16]、李長(zhǎng)冬[17]、劉欽等[18]分別采用有限差分法軟件FLAC 3D建立模型，研究了抗滑樁土拱效應(yīng)的影響因素。

圖9和圖10為z=43 m和z=36 m深度下采用不同布樁方式的前、后排樁樁后(間)土體水平位移等值線圖。

圖9 z=43 m深度下不同布置形式的h型雙排樁樁后土(間)體水平位移等值線圖Fig.9 Contour of horizontal displacement of the soil behind (between) the h-shaped double-row piles with different pile arrangement ways with z=43 m

圖10 z=36 m深度下不同布置形式的h型雙排樁樁后(間)土體水平位移等值線圖Fig.10 Contour of horizontal displacement of the soil behind (between) the h-shaped double-row piles with different pile arrangement ways with z=36 m

由圖9和圖10可見(jiàn)，通過(guò)對(duì)比平行布置與梅花型布置的h型雙排樁樁后(間)土體水平位移等值線圖，可以明顯地發(fā)現(xiàn)采用梅花型布置的h型雙排樁其水平位移土拱厚度大于采用平行布置的h型雙排樁，其土拱效應(yīng)更加顯著，更有利于調(diào)動(dòng)樁后(間)巖土體共同作用。

分析認(rèn)為：采用平行布置的h型雙排抗滑樁，后排樁的拱腳效應(yīng)使得其樁前土體應(yīng)力值減小，前排樁位于后排樁正前方，造成前排樁樁周土體應(yīng)力值小于樁間土體應(yīng)力值，前排樁土拱效應(yīng)不顯著；相較于平行布置，采用梅花型布置的h型雙排抗滑樁，前排樁位于后排樁對(duì)稱軸上，能夠更好地承受后排樁樁間荷載，前排樁土拱效應(yīng)更加顯著。因此，采用梅花型布置的h型雙排樁更有利于兩排樁共同作用并產(chǎn)生土拱效應(yīng)。

3.5 實(shí)際工程效果分析

本基坑工程采用了梅花型布置的h型雙排樁作為支護(hù)結(jié)構(gòu)，整體施工過(guò)程較為順利，未發(fā)現(xiàn)周圍建筑物及道路出現(xiàn)明顯的位移、開(kāi)裂等現(xiàn)象。根據(jù)監(jiān)測(cè)資料顯示，基坑開(kāi)挖至8 m，40 d內(nèi)樁頂累計(jì)水平位移不超過(guò)11 mm，且隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，樁頂水平位移勻速發(fā)展直至穩(wěn)定。

實(shí)際工程應(yīng)用結(jié)果證明，在該基坑工程中采用梅花型布置的h型雙排樁作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用效果良好，結(jié)合前文數(shù)值模擬結(jié)果和相關(guān)文獻(xiàn)研究，可以在類似工程中加以推廣和應(yīng)用。

4 結(jié) 論

本文采用有限元軟件PLAXIS 3D建立了平行布置和梅花型布置的h型雙排樁作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的三級(jí)開(kāi)挖的基坑工程數(shù)值模型，研究了不同布樁方式對(duì)h型雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果，得到以下結(jié)論：

(1) 由數(shù)值模擬結(jié)果可知：對(duì)于h型雙排抗滑樁，后排樁的樁身水平位移和樁身內(nèi)力均大于前排樁，且兩排樁不能發(fā)揮同等的作用效果，后排樁承受了大部分荷載；在其他條件相同的情況下，相比于平行布置形式，采用梅花型布置的h型雙排樁的安全系數(shù)更高，對(duì)于周圍建筑物的影響更小，樁身水平位移更小，樁身內(nèi)力分布更合理，且結(jié)構(gòu)整體性更強(qiáng)，更有利于兩排樁共同作用并產(chǎn)生土拱效應(yīng)，其作用效果要優(yōu)于平行布置形式。

(2) 對(duì)于h型雙排抗滑樁，由于連梁的存在，增加了雙排樁結(jié)構(gòu)的整體性，能夠協(xié)調(diào)樁身內(nèi)力的分布。但是根據(jù)前、后排樁樁身彎矩的模擬結(jié)果可知，在抗滑樁(尤其是后排樁)與連梁的連接處會(huì)造成應(yīng)力突變，故在設(shè)計(jì)時(shí)需要加強(qiáng)抗滑樁與連梁連接處的強(qiáng)度，以滿足安全需求。

(3) 結(jié)合基坑工程實(shí)際，在h型雙排抗滑樁設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以優(yōu)先采用梅花型布置的h型雙排抗滑樁，并減少前排樁的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，讓抗滑樁發(fā)揮最好的抗滑效果，并實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、合理的目的。