雙排樁+拉錨支護形式的有限元分析

章萬勝

(中國市政工程華北設計研究總院有限公司)

【關鍵字】雙排樁；大角度拉錨；基坑支護

1 引言

近年來，隨著國民經濟的增長，高層建筑和各類地下工程大量出現，深基坑工程的圍護也越來越多的引起工程界的高度重視。雙排樁支護結構是近年來在天津市發展較快、應用較多的一種懸臂式支護結構，通過連梁和冠梁形成門式剛架，其變形及內力受連梁與樁頂連接方式以及前后排樁間距的影響較大。在軟土地區，采用雙排樁支護的深度一般不超過6m，而目前天津地區采用雙排樁支護的基坑深度已達10m 左右[1]。雙排樁支護結構在山西長治高鐵南站與站前停車樓之間得到實質性的應用，雙排樁支護結構也是有效地永久結構，通過細致地力學分析和構造處理，使支護結構滿足《建筑結構可靠性設計統一標準》GB50068-2018之規定的結構使用50a的設計使用年限。

雙排樁支護結構（包括樁間土加固型式）是通過雙排樁樁身本身的剛度來控制基坑的變形，當基坑深度較深時通過增加樁徑來控制變形，不僅效果不佳且造價昂貴。那么如果能夠在雙排樁樁頂施加一個約束，則懸臂支護結構的受力及變形性應該能夠得到有效的改善。在常規的拉錨結合支護樁的設計中，拉錨與水平地面的角度一般不超過規范要求的15°～25°，導致拉錨的水平長度較大，超越了用地紅線所規定的范圍。因此，在實際工程應用中受到較大的限制。本文中的拉錨為大角度拉錨，與地面的夾角大于60°，一般情況下可控制在紅線內實施。因此，針對以上問題，本文提出了雙排樁結合大角度拉錨的設計思路，并進行了有限元模擬分析。

2 基本算例

本次模擬計算的基坑開挖深度為8.0m，雙排樁的有效樁長為20.0m，嵌固深度為12.0m，排間距為2400mm，樁間距為1500mm，樁徑均為800mm。基坑外超載取值為10kPa，模型內土層分為兩層：上部為淤泥質粉質粘土層，厚度H=10m，c=10kpa，φ=10°，γ=18kN/m3；下部為粉質粘土層，厚度H=20m，c=15kpa，φ=25°，γ=20kN/m3。拉錨作用于前排樁間冠梁上，拉錨的水平距離約為7.0m，錨的長度為14.0m，拉錨端部進入好土層。

三維有限元分析軟件為ABAQUS，其土體本構模型采用Drucker-Prager模型[2]。模型網格如圖1 所示。二維有限元計算軟件為PLAXIS，其本構模型為Hardening-Soil 模型[3]，模型網格如圖2 所示。

圖1 ABAQUS 有限元模型網格圖

圖2 PLAXIS 有限元模型網格圖

3 計算結果分析

根據PKPM 計算結果，純雙排樁支護下，基坑最大水平變形為10.05cm。

3.1 純雙排樁支護計算結果

根據三維有限元軟件計算結果可知，本算例使用純雙排樁支護時，基坑的最大水平變形為10.31cm。二維有限元軟件計算的結果為10.55cm。從基坑的變形云圖中可以看出，基坑開挖對周邊環境的影響范圍約為基坑深度的2.5 倍（見圖3、圖4、圖5、圖6）。

圖3 基坑變形云圖

圖4 雙排樁變形云圖

圖5 二維基坑網格變形圖

圖6 二維基坑變形云圖

3.2 雙排樁+拉錨支護計算結果

根據三維有限元軟件計算結果可知，本算例使用雙排樁+拉錨支護時，基坑的最大水平變形為4.05cm。二維有限元軟件計算的結果為4.53cm（見圖7、圖8、圖9、圖10）。

從上述分析的結果可以看出，單純雙排樁支護條件下的位移為10cm 左右，當作用拉錨時雙排樁樁頂的水平位移最大值僅約為4cm，在拉錨的作用下支護樁的水平位移減少了近60%；同時，由于拉錨的彈性支座的作用，基坑的整體變形隨之大幅度減少，單純雙排樁時最大變形近11cm，作用拉錨后為5cm左右，減少了近54%（見圖11）。因此，該組合支護形式既不設置內支撐方便施工，又能有效的控制基坑的變形，但目前還僅為理論分析階段，仍然需要在今后的實際工程中驗證并真正在工程中應用。

圖7 基坑變形云圖

圖8 雙排樁及拉錨變形云圖

圖9 二維基坑網格變形圖

圖10 二維基坑變形云圖

4 結語

通過上述分析可知，雙排樁支護結構應用于軟土地區的較深基坑時會產生較大的變形，不利于周邊環境的保護，在實際工程的應用中受到了較大的限制。本文通過采用設置大角度拉錨的措施，改善了雙排樁的受力性能和變形特性，使雙排樁的水平位移得到了有效的控制。由于大角度拉錨的存在在很大程度上減小了支護樁的最大水平位移，減少量近60%；使得基坑變形減小了約54%，大大降低了該支護結構對周邊環境的影響。

圖11 水平位移對比曲線

在土質較好，地下水位比較深，一般在支護深度以下地區可以用不同樁徑的結構，水平格構冠梁加強灌注樁之間的聯系，前排大樁徑可達1.2m，后排小樁徑一般在0.8m ～1.2m 之間，樁距靈活布置并適當的構造防水措施，是雙排樁支護結構變為永久的支擋構筑物。這也是我院把雙排樁支護結構在太焦高鐵長治南站站前廣場與停車樓之間實際應用。