雙排樁在水利工程深基坑支護中的應用

黎子榮

(深圳市廣匯源環境水務有限公司,廣東 深圳 518000)

1 雙排樁相關概述

雙排樁支護技術是沿著基坑的側壁設置前后兩排梁、支護樁所連接而成的冠梁以及剛架支擋結構。雙排樁結構主要是針對在工程中保持總樁數不變情況下，把傳統單排懸臂樁部分樁柱進行后撤，設置成排樁對應、梅花式結構。根據相關研究報告顯示，雙排樁結構具有位移小、剛度大，受力合理的特點，相比于單排樁有形式特點，并且樁頂上通過連梁將前后排樁進行相互連接構成空間結構，實現更大程度的支護。雙排樁結構中較為常見的包括丁字式、之字式、連梁式、三角式、矩形結構式、梅花式。連梁的形式通過不斷研究實踐也形成多樣化，其中常見的連梁形式包括蓋板式、斜撐式、深梁式、腰梁式。經過大量的工程實際表明，連梁形式的不同其剛度也存在一定的差異，在雙排樁結構中連梁的剛度對其整體性能存在直接的影響。在實際的項目工程中需要按照實際情況和具體要求對連梁形式進行合理的選擇，保障雙排樁結構具有足夠的安全性、可靠性。

2 雙排樁結構的計算模型

通過大量實驗和工程實踐應用，對雙排樁結構計算分析時，其計量模型分為基于土拱理論、Win-kle假定、經典土壓力三類。從實踐應用效果和經驗方面看，土拱理論和Win-kle假定兩種方式在進行模型計算是對土與樁之間共同作用加以考慮，因此其結果較為準確、貼合實際，在工程項目中較為常見的模型包括兩種：平面剛架模型和平面稈系有限元模型。就兩個模型來說，雙排樁通過和剛性連梁把前后樁排構成超靜定結構，確保整體結構具有良好的剛度。換句話說，雙排樁如同將剛架深深插入土基中，通過利用基坑以下來自樁前土的被動土壓力作用與鋼架插入土中部分前后的樁抗壓、拔作用所生成的力偶，使之間形成合力而平衡力矩，通過樁土之間相互作用減少雙排樁水平位移和樁內力。

通過以上作用來看，雙排樁結構在多變復雜的荷載作用中可以自動調整自身內力，確保結構能夠更加良好地適應復雜或者難以計算荷載條件的項目中。圖1為考慮到樁土相互之間作用平面桿系有限元模型，通過該模型對雙排樁工作性狀進行科學模擬。

圖1 平面桿系有限元模型圖

當受到荷載作用時，雙排樁將會向基坑內進行運動，造成后排樁樁底和土體產生脫離，樁底不存在約束作用；在此條件基礎上，樁柱之間作用主要表現在后排樁存在抗力作用，前排樁受到推力作用，對樁間土和前排、后排樁之間作用力的方向加以考慮，為水平方向作用力。所以可通過應用彈簧進行等效模擬樁間的土體，實現前后排的有效連接，土體間壓力分配相當于通過雙排樁和彈簧之間位置進行協調實現。通過模擬分析，應用彈性地基梁方式和結構力學能夠將雙排樁結構內力值加以準確地計算。在實際的工程項目中平面桿系有限元模型較為適用，對于樁頂位移的計算和實測結果較為相近。

3 雙排樁結構優點

通過大量的實踐應用表明，相比于單排樁，雙排樁具有以下四方面優點。首先，單排懸臂作用機制是完全源自被動區土體土抗力，通過土抗力實現對側壓力的平衡，進而形成較為穩定的結構，但是樁頂具有較大的位移，相比雙排樁結構通過使用連梁將前后排樁進行剛性連接來講，不僅整體較為穩定，位移量較小，同時具有足夠的剛度。其次，就作用機理而言，前后排樁和樁間土共同作用，產生力偶的方向和側向力方向相反，當處于多變復雜外荷載情況下，能夠用自身內力進行有效調整，具有更為良好的適應性，樁內力較小能夠有效減少樁頂的位移。再次，雙排樁通過連梁進行連接能夠對雙排樁內力特征和變形加以調整，避免結構出現位移，對正負彎矩進行調整，減少樁身配筋的使用量，降低工程造價。最后，雙排樁能夠替代樁錨支護形式，避免對擋土側建筑地基、管線等重要構筑物造成破壞，施工工藝較為簡便，施工速度快，能夠有效縮短工期。

4 雙排樁結構在深基坑支護中的應用案例分析

4.1 工程概況

該工程為水閘，主要作用是防御臺風、同時具備通航、排洪、排澇作用。在水閘底層有比較厚的淤泥層，對于水閘底板的設計埋深較大，在閘址的右岸分布有廠房，需要進行深基坑支護。基坑的開挖深度比較深，需要開挖深是這8.50 m，在支護頂之上存在高岸坡，高為4.90 m。對于深基坑的防護選擇雙排樁方式。在2011年基坑降水時，廠房出現開裂、沉降等情況，因為支護的安全性對工程存在較大影響。另外，為保證水閘工程的順利開展，應當在基坑開挖后對支護結構安全性進行復核。

4.2 項目地質情況

項目工程位于三角洲西部，因為受到潮汐影響，河水的水位存在較大的變化。閘址內地層主要為第四系地層，分別為人工填土層，該層主要是路基土，以煤渣、中粗砂、碎石土為主要成分，另外還存在粉細砂和黏性土。3.00～5.10 m厚，標貫擊數為5擊，下層為海陸交互相沉積層，多是灰黑色的淤泥，少部分是淤泥質黏土，9.50～26.90 m厚，平均為16.20 m，標貫擊數<1。通過勘測顯示抗剪強度建議值φq為4°～5°，Cq為3～5 kPa，之后經過岸坡穩定確定φq為5°，Cq為7 kPa。在此下層為全風化花崗巖，風化情況較為完全，呈現為粉質砂質黏土狀，少部分為巖碎塊，底部較為堅硬，標貫擊數為28，按照有關公式計算得出φq為24°，Cq為40 kPa。

4.3 對比分析正雙排樁程序和有限元MIDAS/GTS程序

首先確定計算方法對正雙排樁程序和有限元MIDAS/GTS程序進行計算。經過對比選擇較為合理的計算方式，通過“m”法進行計算，樁前被動范圍通過彈性支點進行支撐，按照理正程序，極端理論模型如圖2。

圖2 計算理論模型圖

其中a1、a2表示為前排樁與后排樁土壓力的分擔系數，在進行計算時a1取1、a2取0，由前排樁對全部的土壓力進行承擔。通過MIDAS/GTS程序計算有限元，雙排樁通過梁單元進行模擬。按照土層的實際情況將主動土的壓力作為外荷載施加至前排樁，剛度按照“m”法進行計算，對于支點剛度的計算按照KS=mb0(z-hn)進行計算。應用兩種方式進行計算時需要確保邊界條件一致，在進行計算時選擇簡單模型，計算斷面為取閘室段，開挖深度8.50 m，嵌固深度為10 m，對支護頂以上土體和超載情況不給予考慮，計算模型如圖3所示。

圖3 計算模型簡圖

之后對比計算結果，理正雙排樁的計算結果為最大彎矩1 515 kN·m，最大位移35 mm。有限元程度進行計算最大彎矩1 576 kN·m，最大位移32 mm。通過對比計算結果能夠發現：當邊界條件一致時，通過以上兩種方式進行計算其結果較為接近，因此通過理正程序進行計算具有一定的可靠性，因為考慮理正程序計算方式較為簡單，因此選用該方式進行計算。

4.4 斷面計算和土壓力分擔系數影響分析

通過理正程序法對支護結構處于不同分擔系數情況下的彎矩與位移進行計算，計算結果如表1所示。

表1 不同分擔系數雙排樁位移和彎矩表

通過以上分析可以得出分擔系數的變化對雙排樁結構的位移和彎矩存在較大的影響，當前排樁的分擔系數降低，后排樁的分擔系數提升時，兩者位移、彎矩以及連梁所受的彎矩都降。之后取消后排樁進行結構計算，然后對數據進行分析，當前排樁的分擔系數固定時，后排樁分擔土壓力與否，對前排樁彎矩具有較小的影響，后排樁所受彎矩較大。通過分析土壓力降低50%，模型移位、彎矩存在較小的變化。

5 總結

在非閉合基坑中難以采用傳統的支撐體系，在水利工程中往往基坑較深，采用傳統的支撐方式難以達到技術要求標準，而通過應用雙排樁結構能夠有效達到支護要求。另外雙排樁結構的應用能夠降低對基坑周圍環境影響，具有操作簡單、施工速度快，經濟效益較高的特點。