設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)影響的數(shù)值分析

歐孝奪， 譚智杰， 羅方正， 江 杰*， 梁亞華

(1.廣西大學(xué)土木工程學(xué)院， 南寧 530004； 2.廣西大學(xué)工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南寧 530004；3.廣西金屬尾礦安全防控工程技術(shù)研究中心， 南寧 530004； 4.中國(guó)建筑第八工程局有限公司， 南寧 530000)

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速，大量的高層、超高層建筑以及城市地鐵隧道工程如雨后春筍般涌現(xiàn)，從而深基坑工程面臨的問(wèn)題也不斷增多。雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)與其他基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)相比，其側(cè)向剛度大，是由前排樁、連梁、后排樁組成的一個(gè)整體的門架式結(jié)構(gòu)，具有更大的可支護(hù)深度，無(wú)需設(shè)置內(nèi)支撐、不受建筑紅線的限制[1]等優(yōu)點(diǎn)。

目前，中外學(xué)者已經(jīng)對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的研究，文獻(xiàn)[2-3]通過(guò)數(shù)值模擬的方式研究排樁間距及排樁深度對(duì)支護(hù)效果的影響，Zhao等[4]使用FLAC3D有限元軟件研究了無(wú)連梁的雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑開(kāi)挖過(guò)程中的受力特性與變形規(guī)律，蔡袁強(qiáng)等[5]基于平面應(yīng)變線性有限元法，編制了基坑開(kāi)挖的有限元程序，研究了雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響因素，得出了雙排樁排距為4倍樁徑時(shí)，雙排樁支護(hù)效果最佳；陸培毅等[6]使用有限元軟件對(duì)比分析了在修正劍橋模型中雙排樁支護(hù)與單排樁支護(hù)的支護(hù)效果，并得出經(jīng)濟(jì)合理的雙排樁適宜排距為2～2.5倍樁徑；楊德建等[7]通過(guò)ANSYS有限元軟件，對(duì)樁頂連梁鉸接情況下的雙排樁與單排樁進(jìn)行對(duì)比分析，得出了連梁能夠把雙排樁與土進(jìn)行協(xié)同作用，提升了整體剛度。李立軍等[8]結(jié)合工程實(shí)踐，通過(guò)有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算軟件研究了深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩與變形的分布特征；崔宏環(huán)等[9]運(yùn)用數(shù)值模擬軟件研究了雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在深基坑開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)基坑穩(wěn)定和變形的影響，并提出了有效的控制措施；李松等[10]依托某工程對(duì)雙排樁與單排樁多級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬，深入研究了雙排樁與單排樁進(jìn)行多級(jí)組合在基坑開(kāi)挖時(shí)的變形特性和穩(wěn)定性；楊卓等[11]研究了雙排樁在臨近高層建筑的基坑中的支護(hù)性能，認(rèn)為雙排樁在場(chǎng)地空間受限的基坑工程中具有較高的可靠性和適用性。史海瑩等[12]采用ABAQUS有限元軟件對(duì)雙排樁支護(hù)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出被動(dòng)區(qū)土體模量對(duì)雙排樁樁頂位移影響最大。龐建國(guó)等[13]通過(guò)研究加固被動(dòng)區(qū)土體，發(fā)現(xiàn)此舉減小雙排樁位移，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[14-15]還依據(jù)相應(yīng)工程背景，研究了地面超載、土體含水率等因素對(duì)雙排樁基坑穩(wěn)定性的影響。

雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)正越來(lái)越廣泛的使用在深基坑工程之中。但是雙排樁的支護(hù)機(jī)理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)敏感性的相應(yīng)研究尚少。以某深基坑工程為實(shí)際案例，通過(guò)有限元軟件ABAQUS進(jìn)行數(shù)值模擬，將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析了雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移變形特性，研究改變雙排樁設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)支護(hù)效果的影響，為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

1 工程概況

該基坑工程位于廣西南寧市軌道交通4號(hào)線那洪立交站圍合區(qū)，圍合區(qū)位于那洪立交站西北象限，包含1號(hào)風(fēng)亭組、1號(hào)下沉廣場(chǎng)、2號(hào)下沉廣場(chǎng)和地鐵配套區(qū)。1號(hào)風(fēng)亭組基坑深度約13.35 m，1號(hào)下沉廣場(chǎng)基坑深度約14.05 m，2號(hào)下沉廣場(chǎng)基坑深度約14.55 m，地鐵配套區(qū)基坑深度為12.17～13.35 m。圍合區(qū)基坑安全等級(jí)為二級(jí)，基坑開(kāi)挖深度大，基坑主要采用雙排樁+止水帷幕+坑內(nèi)疏干井的支護(hù)形式。

雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)位于2號(hào)下沉廣場(chǎng)區(qū)域，基坑開(kāi)挖深度14.55 m，其中包括2.8 m高1∶1放坡段，基坑底以上雙排樁支護(hù)高度為12.75 m，連梁高度為1 m，樁身嵌固深度為10.5 m，總樁長(zhǎng)22.3 m。雙排樁支護(hù)斷面圖如圖1所示。

圖1 雙排樁斷面圖Fig.1 Cross-section diagram of double-row piles

2 雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬

2.1 基本假設(shè)

(1)假設(shè)基坑開(kāi)挖過(guò)程中止水良好，因此不考慮地下水滲流作用對(duì)土體的影響。

(2)假設(shè)前、后樁與連梁的連接為剛接。

2.2 模型建立

根據(jù)工程相關(guān)資料，基坑開(kāi)挖深度為14.55 m，基坑寬度為50 m，有限元模型取開(kāi)挖區(qū)域的1/4，考慮計(jì)算精度與影響范圍，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，整體模型的水平邊界至基坑邊的距離應(yīng)為3～5倍基坑深度，豎向邊界至基坑底的距離應(yīng)為3～4倍基坑深度，所以整體模型的尺寸定為100 m×100 m。整體模型建立如圖2所示。

圖2 整體模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of overall model

2.3 參數(shù)設(shè)定

2.3.1 雙排樁的參數(shù)

雙排樁采用實(shí)體單元模擬，基坑底以上雙排樁支護(hù)長(zhǎng)度為11.75 m，嵌固深度為10.5 m，總樁長(zhǎng)22.3 m。其余參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 雙排樁參數(shù)Table 1 Parameter of double row pile

2.3.2 樁頂連梁參數(shù)

根據(jù)工程有關(guān)資料，前后排樁樁頂由連梁連接，連梁為高度1 m的厚混凝土板結(jié)構(gòu)。其他參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 連梁參數(shù)Table 2 Parameter of coupling beam

2.3.3 巖土參數(shù)

土體本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb模型，根據(jù)工程有關(guān)勘察資料，雙排樁支護(hù)斷面各層巖土的參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 土體參數(shù)Table 3 Parameter of soil

2.4 邊界條件及荷載

(1)整體模型的頂面為自由面，底面設(shè)置X、Y、Z三個(gè)方向的位移約束，X方向的兩面設(shè)置X方向的位移約束，Z方向設(shè)置X、Y方向的位移約束。

(2)模型所施加的荷載分為兩部分，一是土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)的自重，二是模擬施工超載，在支護(hù)結(jié)構(gòu)后側(cè)土體表面施加5 kN/m的均布荷載。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬分析

3.1 雙排樁的位移

監(jiān)測(cè)工作伴隨基坑開(kāi)挖的整個(gè)過(guò)程。根據(jù)監(jiān)測(cè)記錄知，本次監(jiān)測(cè)工作始于2019年11月4日，結(jié)束于2020年3月8日。考慮到為了避免空間作用效應(yīng)和土層變化對(duì)于基坑支護(hù)作用的影響，選取基坑中間部位監(jiān)測(cè)點(diǎn)及靠近已有鉆孔的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)樁頂水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示，至監(jiān)測(cè)結(jié)束時(shí)，最大樁頂水平位移為15.61 mm。利用工程實(shí)例的設(shè)計(jì)參數(shù)輸入數(shù)值模型，將得出的樁身位移曲線與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪出對(duì)比如圖4所示。

圖3 樁頂水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.3 Horizontal displacement monitoring data of pile top

圖4 樁身水平位移曲線Fig.4 Curve of horizontal displacement of pile body

數(shù)值模擬結(jié)果顯示，樁頂水平位移為17.69 mm，與監(jiān)測(cè)結(jié)果最大樁頂水平位移15.61 mm相差不大，說(shuō)明數(shù)值模擬的結(jié)果與工程實(shí)際情況是相符的。由圖4可知，前后排樁樁身水平位移均呈沿深度方向減小的規(guī)律，由于前后排樁與連梁形成一個(gè)門架式結(jié)構(gòu)，連梁起到了協(xié)調(diào)位移的作用，所以樁頂水平位移大小幾乎相同。樁身底部，由于位于滑裂面以下，后排樁受到樁間土約束作用，而前排樁樁前因基坑開(kāi)挖而形成臨空面，受到樁間土體與坑底土的作用，位移相對(duì)后排樁樁身位移更大。

3.2 雙排樁的彎矩

雙排樁的彎矩?cái)?shù)值模擬結(jié)果曲線見(jiàn)圖5，前后排樁的彎矩變化趨勢(shì)大致相同，都呈現(xiàn)為S形，都于基坑底部附近出現(xiàn)反彎點(diǎn)，表明連梁起到了約束變形的作用，前排樁的反彎點(diǎn)相對(duì)于后排樁要更低，因?yàn)樘幱诨衙嬉陨系那芭艠堕L(zhǎng)度要大于后排樁，從而前排樁阻止土體位移的深度要大于后排樁；前后排樁彎矩最大值均出現(xiàn)在基坑開(kāi)挖面以上，符合開(kāi)挖段變形大于嵌固段變形的實(shí)際情況。

圖5 雙排樁彎矩圖Fig.5 Bending moment diagram of double row pile

4 雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)影響分析

為研究雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果影響，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行數(shù)值模擬分析：①雙排樁前后排距；②雙排樁樁徑；③雙排樁樁身剛度；④雙排樁連梁高度。為雙排樁支護(hù)設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用提供參考。

4.1 排距變化的影響

僅把雙排樁排距作為變量，基坑開(kāi)挖深度為11.75 m，排距分別取2D、3D、4D、5D、6D、7D(D為樁的直徑，D=0.8 m)，即1.6、2.4、3.2、4、4.8、5.6 m。

不同排距的前后排樁身水平位移結(jié)果整理如圖6所示，前后排樁排距對(duì)樁身水平位移影響較大，排距越大，樁身最大水平位移也就越小，表明前排樁受到后排樁的牽拉作用越強(qiáng)。當(dāng)排距為2D、3D時(shí)，前、后排樁的位移比之排距為4D時(shí)有較大差異，表明排距過(guò)小時(shí)，前后排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)共同限制土體位移的作用不明顯，當(dāng)排距為4D～6D時(shí)，樁身水平位移持續(xù)減小，分別減小了31%、14%與22%，減小的幅度趨于穩(wěn)定，說(shuō)明此時(shí)前后排樁協(xié)同作用效果最大；當(dāng)排距為7D時(shí)，樁身水平位移則比排距為6D時(shí)更大，說(shuō)明排距過(guò)大時(shí)，后排樁的牽拉作用已經(jīng)很弱，甚至不起作用。綜上所述，影響雙排樁支護(hù)效果的最佳排距應(yīng)為4D～6D。

圖6 不同排距下前后排樁水平位移Fig.6 Horizontal displacement of front and back row pile under different row spacing

4.2 樁徑變化的影響

僅把雙排樁樁徑作為變量，基坑開(kāi)挖深度為11.75 m，排距2.4 m，樁徑分別取0.5、0.8、1、1.2 m。

圖7為前、后排樁不同直徑下樁身的水平位移圖，可知，樁的直徑越大，前、后排樁的水平位移越小。當(dāng)樁徑為0.5 m時(shí)，樁頂水平位移達(dá)到30.8 mm，相較于樁徑0.8 m時(shí)增大了75%，位移大幅度增大，說(shuō)明當(dāng)樁徑過(guò)小時(shí)，雙排樁整體剛度不足，易造成基坑失穩(wěn)；當(dāng)樁徑增大為1 m與1.2 m時(shí)，樁身水平位移減小，樁頂水平位移分別為14.08 mm與11.67 mm，減小幅度分別為19.8%與17.1%，減小幅度趨于一致，此時(shí)樁徑對(duì)樁身側(cè)移的影響敏感度已經(jīng)很低，在成本允許的情況下，可以適當(dāng)增大樁徑。

圖7 不同樁徑下前后排樁水平位移Fig.7 Horizontal displacement of front and back row piles under different pile diameters

4.3 樁身剛度變化的影響

僅把樁身剛度作為變量，即改變雙排樁的彈性模量E，雙排樁的慣性矩I不變，基坑開(kāi)挖深度為11.75 m，排距2.4 m，樁身剛度分別取0.5EI、EI、2EI、4EI、6EI。

樁身剛度變化對(duì)前后排樁樁身水平位移影響曲線如圖8所示，當(dāng)樁身剛度增大時(shí)，樁身水平位移呈減小的趨勢(shì)，當(dāng)樁身剛度為2EI時(shí)，樁頂水平位移為15.3 mm，相較于樁身剛度為EI時(shí)減小13%，說(shuō)明適當(dāng)增大樁身剛度，可以一定程度的減小雙排樁的水平位移，當(dāng)樁身剛度為4EI與6EI時(shí)，樁身水平位移曲線基本一致，說(shuō)明樁身剛度增大至一定程度后，減小樁身水平位移的作用則變得微乎其微。

圖8 不同樁身剛度下前后排樁水平位移Fig.8 Horizontal displacement of before and back row pile under different stiffness of pile body

4.4 連梁高度變化的影響

僅把連梁高度作為變量，基坑開(kāi)挖深度為11.75 m，排距2.4 m，連梁高度分別取0.5、1、1.5、2 m。

連梁高度變化對(duì)雙排樁水平位移的影響曲線如圖9，連梁高度增加，雙排樁樁身水平位移呈較小的趨勢(shì)，當(dāng)連梁高度為0.5 m時(shí)，相較于連梁高度為1 m，樁頂水平位移增大了28%，而連梁高度為1 m時(shí)，樁頂水平位移只比連梁高度為1.5 m時(shí)時(shí)增大了12%，說(shuō)明連梁高度不宜過(guò)小，連梁高度過(guò)小即連梁截面抗彎剛度過(guò)小，此時(shí)連梁對(duì)前后排樁的協(xié)同作用大幅度減弱，從而導(dǎo)致位移增大；連梁高度為1.5 m時(shí)，樁頂水平位移相較于連梁高度為1 m時(shí)減小了12%，連梁高度為2 m時(shí)，樁頂水平位移相較于連梁高度為1.5 m時(shí)減小了13%，減小幅度基本一致，說(shuō)明當(dāng)連梁高度大于1 m時(shí)，增大連梁高度對(duì)增強(qiáng)支護(hù)效果的作用有限。

圖9 不同連梁高度下前后排樁水平位移Fig.9 Horizontal displacement of before and back row row piles at different coupling beam heights

5 結(jié)論

以廣西南寧軌道交通4號(hào)線圍合區(qū)深基坑工程為依托，通過(guò)數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值模型，利用數(shù)值模擬結(jié)果與工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析了雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移與變形規(guī)律。通過(guò)改變雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的排距、樁徑、樁身剛度、連梁高度，研究設(shè)計(jì)參數(shù)的改變對(duì)支護(hù)效果的影響，得到以下結(jié)論。

(1)雙排樁排距的改變對(duì)雙排樁支護(hù)效果影響較大，隨著排距的增大，樁身最大水平位移隨之減小，當(dāng)排距達(dá)到6倍樁徑時(shí)，再增大排距，樁身最大位移不再減小，雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的最佳排距為4～6倍樁徑。

(2)隨著雙排樁樁徑的增大，樁身最大水平位移隨之減小，雙排樁樁徑過(guò)小時(shí)，雙排樁整體剛度不足，對(duì)支護(hù)效果影響較大，當(dāng)樁徑大于1 m時(shí)，對(duì)支護(hù)效果的提升幅度則很小，在成本允許的情況下，可適當(dāng)增大樁徑。

(3)樁身最大水平位移隨著樁身剛度的增大而減小，樁身剛度增大至6EI時(shí)，樁身水平位移曲線已基本不變，樁身剛度增大至一定程度后，對(duì)雙排樁支護(hù)效果提升有限；同樣的，當(dāng)連梁高度大于1 m時(shí)，連梁高度的增加對(duì)雙排樁支護(hù)效果提升有限。