基坑后排樁傾斜的雙排樁受力與變形特征

王祖珍 ，董閣 ，汪東林

(1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.公路交通節能與環保技術及裝備交通運輸行業研發中心，安徽 合肥 230088；3.安徽建筑大學，安徽 合肥 230601)

雙排樁具有側移剛度大、施工工期短、施工簡便、穩定性強、節約造價等優點，已在基坑支護工程中得到了廣泛應用[1-6]。

目前，雙排樁圍護結構的設計計算理論尚不完善，且常用的雙排樁均為前后排樁豎直分布的形狀。已有少數學者對前排樁傾斜的雙排樁進行了研究，如徐源等[7]基于模型試驗對比分析不同傾角、不同排距及前后排樁不同布置形式時雙排樁的工作形狀，分析了前排樁傾斜的雙排樁的位移、內力隨前排樁傾斜角度變化而變化的規律；王建[8]研究了前排樁不同傾斜角度時雙排樁的變形與受力規律，結果表明前排樁傾斜的雙排樁的樁頂水平位移小于常規雙排樁的樁頂水平位移；黃曉程等[9]針對武漢特定地區土層，利用有限元方法分析前排樁傾角、樁徑、樁長對支護效果影響，計算表明前樁傾斜雙排樁樁身最大彎矩均出現在后排樁，后排樁受彎明顯。這些研究促進了人們對前排樁傾斜雙排樁受力特性的認識。

但在實際工程中，可能無足夠的空間實現前排樁傾斜。如開挖深度為h=10.0mm、總樁長H=20.0mm的基坑(見圖1所示)，假設前排樁傾斜角度為β=6°，則可能存在下列問題：

①相比直立樁而言，基坑坑底處傾斜前排樁需多侵占空間 htanβ=10×tan6°=1.05m，導致基坑的周長變大、占地擴大，顯然在城市空間緊湊的區域往往難以實現。

②相比直立樁而言，樁底處向基坑內側傾斜 Htanβ=20×tan6°=2.10m，可能與擬建建筑物的樁基礎發生空間沖突。

圖1 前排樁傾斜占地示意圖

可見，傾斜前排樁的雙排樁應用受到一定的空間限制。事實上，為了不擴大基坑的空間，不妨采用后排樁傾斜的雙排樁方案。現有文獻中較少有關于后排樁傾斜的報道。

為此，本文基于有限元方法，對比分析了后排樁不同傾角對土體水平位移、前后排樁內力的影響，以便深入了解該類雙排樁的特性，促進其在工程實踐中的應用。

1 有限元計算模型

現針對某一典型基坑工程中的雙排樁進行分析。前排樁與后排樁的樁徑均為900mm，樁中心距1200mm。樁頂設置冠梁與橫梁，橫梁尺寸為800mm×800mm，前后排樁中心距3.0m。該工程采用的是豎直等長雙排樁，前后排抗滑樁長度均為16.5m，基坑開挖深度8.0m。為了分析后排樁傾斜雙排樁的基本特性，假定后排樁的傾角為β，現以該工程為依托建立計算模型，如圖2所示。

根據地勘報告，從上至下各土層可分為：①雜填土；②粉質黏土；③粉土；④強風化泥巖；⑤中風化泥巖。采用Mohr-Coulomb模型對土體進行模擬，土層的計算參數見下表。圖3給出了β=9°情況下的網格劃分情況。

圖2 后排樁傾斜的雙排樁示意圖

土層計算參數

圖3 有限元網格劃分

數值計算按平面應變問題考慮，樁與橫梁等效為板單元，等效后前后排樁的軸向剛度EA=2.055E7kN/m、抗彎剛度EI=8.04E5kN·m2/m，連系梁的軸向剛度EA=2.09E7kN/m、抗彎剛度EI=8.54E5kN·m2/m。

挖方工程的計算步驟為：原土體自重應力平衡、激活樁單元、分層開挖(凍結開挖面處的土體單元)至坑底標高-8.00m處。

2 計算結果分析

通過對比計算，得到了前排樁直立、后排樁傾角 β 分別取值 0°、3°、6°、9°、12°情況下的土體變形與樁體內力情況。

2.1 土體水平位移

基坑開挖至標底后，坑壁土體水平位移最大值與后排樁傾角β之間的關系見圖4所示。可見，土體水平位移最大值隨著后排樁傾角β的增大呈線性減小的規律，后排樁傾角β每增加1°土體水平位移最大值減小約0.79mm。

圖4 后排樁傾角對土體水平位移最大值的影響

圖5 土體水平位移等值線分布圖(單位：mm)

圖5給出了基坑開挖后土體的水平位移等值線分布情況，水平位移方向指向開挖工作面。結果表明，β=1°時水平位移最大值的位置位于雙排樁頂部坑壁土體中，隨著后排樁傾角β的增大，土體水平位移最大值的位置逐漸下移，β=12°時土體水平位移最大值的位置位于坑底前排樁后方的土體中。

圖6 后排樁傾角變化對前排樁水平位移的影響

圖7 后排樁傾角變化對后排樁水平位移的影響

圖8 后排樁傾角變化對前排樁軸力的影響

不同傾角β取值情況下前排樁與后排樁的水平位移分布見圖6與圖7所示。可見，隨著后排樁傾角β的增大，前排樁與后排樁的水平位移均發生明顯的減小，這與土體的變形規律是一致的。

2.2 樁體軸力

后排樁傾角β不同取值情況下前排樁與后排樁的軸力分布見圖7與圖8所示。可見，前排樁的軸力最大值基本位于坑底位置處，而后排樁軸力最大值位于樁頂。隨著后排樁傾角β的增大，前排樁軸力最大值略有減小，后排樁軸力最大值略有增加，但變化幅度均不大。

圖9 后排樁傾角變化對后排樁軸力的影響

圖10 后排樁傾角變化對前排樁剪力的影響

圖11 后排樁傾角變化對后排樁剪力的影響

2.3 樁體剪力

后排樁傾角不同取值情況下前排樁與后排樁的剪力分布見圖10與圖11所示。可見，前排樁的剪力最大值位于坑底或樁頂位置處，而后排樁剪力最大值位于樁頂。隨著后排樁傾角的增大，前排樁樁頂處的剪力略有增大，而坑底以上后排樁的剪力略有減小，變化幅度均不大。

2.4 樁體彎矩

后排樁傾角β不同取值情況下前排樁與后排樁的彎矩分布見圖12與圖13所示。可見，前排樁的彎矩最大值基本位于-4.5m深度處，而后排樁的彎矩最大值位于樁頂處。β=0°時的前排樁與后排樁的彎矩絕對值最大值分別為480.4kN·m/m、598.6kN·m/m，β=12°時的前排樁與后排樁的彎矩絕對值最大值分別為 534.4kN·m/m、572.8kN·m/m。隨著后排樁傾角β的增大，前排樁彎矩最大值呈現增大、后排樁彎矩最大值呈現減小的趨勢。

圖12 后排樁傾角變化對前排樁彎矩的影響

圖13 后排樁傾角變化對后排樁彎矩的影響

圖14 后排樁傾角變化對連系梁軸力的影響

2.5 連系梁內力

后排樁傾角β不同取值情況下連系梁的軸力、剪力與彎矩變化分別見圖14～圖16所示。可見，隨著后排樁傾角β的增大，連系梁的軸力逐漸增大，連系梁的剪力逐漸減小，而連系梁的彎矩基本不變。通常連系梁的設計由彎矩控制，故后排樁傾角β的變化對連系梁基本無影響。

2.6 基坑穩定性

基于強度折減有限元法[10]，對基坑開挖至底時的穩定性進行分析，得到土體滑裂面位置如圖17所示，后排樁不同傾角取β值對基坑安全系數的影響如圖18所示。可見，基坑安全系數隨著后排樁傾角β的增大逐漸增大，但后排樁傾角β取值對滑裂面位置的影響非常小。

圖15 后排樁傾角變化對連系梁剪力的影響

圖16 后排樁傾角變化對連系梁彎矩的影響

圖17 基坑失穩破壞時的滑裂面位置

圖18 后排樁傾角變化對基坑安全系數的影響

3 結語

雙排樁中的前排樁向基坑一側發生傾斜時，需侵占一定的空間，且傾斜前排樁可能與后續建筑物的樁基礎發生空間沖突，若采用后排樁傾斜，則可避免該問題。基于有限元法，對比考察了后排樁不同傾角對基坑變形與樁體內力的影響，計算結果表明：前排樁、后排樁與土體的水平位移均隨著后排樁傾角的增大而明顯減小；隨著后排樁傾角的增大，前排樁軸力最大值略有減小，后排樁軸力最大值略有增加，但變化幅度均不大；基坑安全系數隨著后排樁傾角的增大逐漸增大；后排樁傾角的變化對連系梁基本無影響。