深基坑双排桩支护结构三维数值分析研究

王翠英, 蒋　宇, 袁　浩

(湖北工业大学土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 430068)



深基坑双排桩支护结构三维数值分析研究

王翠英, 蒋宇, 袁浩

(湖北工业大学土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 430068)

运用三维有限元分析软件FLAC3D对浙江某高层住宅楼基坑开挖各工况进行模拟。对基坑变形和稳定性影响因素桩体刚度、桩长、双排桩排距等进行了分析，从而优化双排桩支护结构设计，有效减少支护结构变形，对类似基坑支护设计、施工具有实用价值。

双排桩； FLAC3D； 深基坑支护

双排桩由沿基坑侧壁排列设置的前后两排钢筋混凝土支护桩、连梁、冠梁组成，属于超静定结构。双排桩支护结构作用机理涉及到基坑的变形、基坑的稳定性以及桩与土相互作用的问题。较之单排桩，双排桩的最大特点就是存在较大的侧向刚度，可以约束侧向变形。双排桩支护结构在软土地基中应用广泛[1]。

目前，对桩与土相互作用的机理研究还不够深入。当前的设计计算方法差异性很大，尚不够统一，与之相对应的规范也未作出规定。深基坑双排桩支护结构的工作机理待进一步研究分析[2]。

本文以浙江某高层住宅楼的基坑支护工程为依托，通过三维有限元分析软件FLAC3D，对基坑开挖各工况进行数值模拟，分析不同影响因素的变化对双排桩支护结构变形的影响。

1　工程概况及计算模型

1.1工程概况

浙江某拟建高层住宅楼，其东侧和西侧都为拟建住宅楼，北侧是一处公共场所用地，南侧是街道。建筑住宅距基坑边缘最近点约15.8 m。建筑基坑地面以上13层，地下设2层地下室，框架剪力墙结构。根据钻探勘察，场区56.0 m深度范围内土层属于第四系冲洪积层，地形相对平坦，基坑形状似多边形，基坑的开挖深度为8.5 m。采用双排桩支护结构；以深层搅拌桩作为隔水帷幕，使用管井降水法降低地下水位。

1.2计算参数

基坑范围内地层情况及双排桩支护结构的计算参数见表1。双排桩支护结构计算参数见表2。

表1　地层物理力学性质参数表

表2　双排桩支护结构计算参数

1.3计算模型

模型的计算范围为基坑相应尺寸的2.5倍。基坑模型是一个不规则多边形，基坑最大边长40 m，对边长20 m，两对边垂直距离为28 m，基坑深8.5 m。计算模型x轴方向长100 m，y轴方向长80 m，z轴方向长20 m。边界条件采用模型边界，侧向约束使其不产生水平方向位移，底面约束使其不产生铅直方向位移。底面采用固定铰支座，顶部为自由端，其他四面采用可动滚轴支座。采用摩尔-库仑准则和弹塑性本构关系，并假定其为大变形。计算模型一共有20 610个实体单元，41 799个实体单元节点(图1)。

(a)网格划分

(b)初始地应力平衡状态的土体模型图 1　计算模型

1.4结果分析

由于基坑北侧坑壁的长度最长，最大位移发生在北侧坑壁中部，因此这里只分析北侧坑壁的位移和沉降的变化规律。

图 2　水平位移变化曲线

由图2可见，最大位移发生在坐标原点，即基坑中部支护结构水平位移最大。基坑边缘支护结构水平位移最小。不同开挖深度，支护结构顶面水平位移趋势大致相同。随着基坑开挖深度逐步增加，支护结构顶端的水平位移也在逐步增大。同一开挖深度，不同部位的水平位移增加幅度不同，水平位移值也会有所不同。

图 3　沉降变化曲线

由图3可见，最大沉降量发生在坐标原点，即基坑中部沉降量最大。基坑边角沉降量最小。不同开挖深度，基坑沉降趋势大致相同。随着基坑开挖深度逐步增加，沉降值逐步增大。

基坑支护结构的水平位移和地表沉降量的分布均具有明显的空间效应，在基坑边角，支护结构的水平位移和沉降量均较小，并朝基坑中部逐渐增大，在基坑中部达到最大值[3]。所以，在设计双排桩支护结构时，可以适当地减小双排桩支护结构的刚度、桩径、入土深度，达到优化双排桩支护结构设计的目的。

2　双排桩支护结构影响因素分析

2.1双排桩的排距

根据上述资料，保持桩体和土性参数、开挖深度不变，只改变排距大小。分别计算排距为0.6 m、1.2 m、1.8 m、2.4 m、3.0 m，前后排桩水平位移见图4。

(a)前排桩桩身水平位移　　　(b)后排桩桩身水平位移图 4　不同排距下前、后排桩的水平位移

由图4知，前后排桩的桩顶水平位移最大。排距及其他参数相同时，前排桩桩顶水平位移较后排桩略大。当双排桩的排距为0.6 m时，前排桩的荷载分担比重是0.3748，其分担的荷载比重最小。反之，后排桩的荷载分担比重则最大，值是0.6252。随着排距的提高，前排桩的荷载分担比重逐步增大。后排桩的荷载分担比重随排距的提高而逐步降低。导致随着排距的提高，前排桩桩身中下部位移逐步增加，但是后排桩桩身中下部位移逐步减少。另外一个关键原因是连梁对桩身位移分布的影响主要在桩身中上部，荷载分配比例的变化对位移的影响主要在桩身中下部。双排桩荷载的分担比重见表3。

表3　土压力分配系数

双排桩通过连系梁形成刚门架结构，当排距很小时，其空间协调性能不能很好的发挥[4]。随着排距的提高，连系梁与双排桩形成一个整体，位移也逐渐减小。但排距超过某一特定值时，随着排距进一步增大，双排桩的整体受力和变形性能逐渐减弱。当排距过大时，双排桩及桩间土体共同作用无法发挥，前排桩近乎悬臂单排桩。当双排桩的排距在2～4倍开挖深度时，能够使得桩体的变形与受力处在合理的范围之内[2]。

2.2前后排桩桩长

在对双排桩支护结构进行设计时，前、后排桩的桩长可以不一样，前、后排桩的桩长对于双排桩支护结构整体稳性有很大的影响。以下讨论两种情况：前排桩的桩长维持一致，后排桩的桩长逐步降低；另一类为后排桩的桩长维持一致，前排桩的桩长逐步降低。模型的排距设定为1.8 m。

前排桩的桩长是20 m，后排桩的桩长依次是16.5m、15.5m、14.5m、13.5m、12.5m、11.5m、10.5m。计算结果见图5。

(a)前排桩桩身水平位移　　　(b)后排桩桩身水平位移图 5　后排桩桩长变化的前、后排桩水平位移

由上图可知，前排桩桩身水平位移处于-13.5 m以下时，随后排桩的桩长降低而减小；在-13.0 m以上会随后排桩的桩长降低而增加。后排桩桩身水平位移处于-10.5 m以下，随后排桩的桩长降低而减小；在-9.6 m以上会随后排桩的桩长降低而增加。当后排桩的桩长低于10.5 m时，双排桩支护结构失去稳定。

后排桩的桩长是16.5m，前排桩的桩长依次为20.0 m、18.0 m、16.0 m、14.0 m，计算结果见图6。

(a)前排桩桩身水平位移　　　(b)后排桩桩身水平位移图 6　前排桩桩长变化的前、后排桩水平位移

由图6可知，在后排桩桩身水平位移小于-11.0 m时，随着前排桩的桩长降低，后排桩桩身水平位移也相应降低。而后排桩桩身水平位移高于-11.0 m时，随着前排桩的桩长降低，后排桩桩身水平位移反而提高；当前排桩的桩长低于11.0 m时，双排桩支护结构失去稳定。

因此，双排桩支护结构受前排桩桩长的影响程度大。

2.3前后排桩的刚度

对于一定长度的桩体，桩体抗弯刚度主要取决于桩径。因此研究前后排桩的刚度对双排桩支护结构位移的影响可用桩径来替代。其他设计参数保持不变，选择桩径是400 mm、500 mm、600 mm等多种状况进行研究，计算结果见图7。

(a)前排桩桩身水平位移　　　(b)后排桩桩身水平位移图 7　各类桩径下前、后排桩的水平位移

各类桩径下，前后排桩水平位移变化趋势大致相同。随着桩径的增加，桩体水平位移逐渐减小。由图7a可见，桩径从400 mm增加到500 mm时，前排桩的桩顶水平位移减少值达7.32 mm；桩径从500 mm增加到600 mm时，桩顶的水平位移也在不断减少，减少值为3.56 mm；桩径从600 mm增加到800 mm时，桩顶的水平位移减少值为4.87 mm；桩径从800 mm增加到1000 mm时，桩顶的水平位移减少值为1.66 mm。因此，在一定区域内提高桩径能够使得支护结构水平位移显著减少，然而当桩径超过某一特定值之后，提高桩径并不能获得较理想的效果。

适当增大桩体的直径，桩身刚度逐步增加，且还能够使支护结构侧向的变形逐步减少。但同时使得桩身内力逐步增大，工程造价逐步增加。因此，单纯依靠增加桩体刚度并不能有效减小桩体侧向变形[5]。

2.4桩间土体加固强度

基坑工程中，前后排桩间土体加固一般方法为：旋喷桩与搅拌桩以及注浆。设土体实际的刚度为E，分别计算土体刚度为0.25E、0.50E、0.75E、1.00E、1.25E、1.50E、1.75E、2.00E、2.25E、2.50E,图8反映了土体的最大位移和桩间土体刚度之间的关系。

图 8　桩间土体刚度和土体最大位移关系图

根据拟合得到的曲线，不难发现桩间土体的刚度与土体最大位移近似呈双曲线关系，整理以后得y=48.23/x。当桩间的土体刚度值为0.25E时，土体最大位移可以达到193.0 mm。在桩间土体刚度不断增加的情况下，土体最大位移逐渐减小，而且减小的效果非常显著。说明对前后排桩间土体进行加固时，当土体刚度比较小，加固土体可以使坑外土体的位移有所降低，加固以后可以得到更加明显的效果；当土体的刚度达到某一程度以后，土体最大位移随桩间土体刚度的增大而减少，但是减少幅度不大。说明对前后排桩间土体进行加固时，当土体刚度比较大时，靠增加桩体刚度来减小位移并不合理。

4　结论

1)当双排桩的排距在2～4倍开挖深度时，能够

使得桩体的变形与受力处在合理的范围之内。前后排桩的侧向位移在排距增加的情况下，不断下降。当排距为开挖深度的4倍以上时，支护结构侧向位移减弱趋势不再明显[3]。

2)前排桩的桩长增大与后排桩的桩长增大都使得双排桩的桩顶侧向位移降低，然而前排桩的桩长变化对于双排桩支护结构的影响作用大于后排桩。

3)当桩径较小时，适当提高桩径能够促使桩体侧向位移明显减小，当桩径提高到一定的程度并且高于某一量值的时候，侧向位移减小的幅度将有所降低。

4)桩间土体的刚度与土体最大位移近似呈现双曲线关系，当土体刚度较小时，适当增加桩间土体刚度可以使基坑外侧土体侧向位移显著减小。

在实际工程设计中，设计研究人员应密切结合工程实践，合理选择桩径、桩长、桩体刚度及桩间土的强度，并使得设计具有足够满足施工进程的可靠性，通过对相关的数值模拟成果与实际监测数据进行比较分析，提前分析基坑变形问题，并对施工方案加以调整和优化，通过信息化指导其进行施工。

[1]龚晓南，高有潮.深基坑工程设计施工手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1998.

[2]庄心善,邱英,王翠英.深基坑开挖中双排桩支护受力性能影响因素分析[J].湖北工业大学学报,2009(1):93-96.

[3]俞建霖,龚晓南.深基坑工程的空间性状分析[J].岩土工程学报,1999(1):24-28.

[4]缪永建,周海军.双排钻孔灌注桩支护结构在深基坑工程中的应用[J].建筑安全,2012(3):14-17.

[5]王晓晖.软土深基坑支护结构内力与变形的影响因素分析[D].南京：河海大学图书馆,2003.

[责任编校： 张岩芳]

Study of 3-D Numeral of Double-row Piles Supporting Structure in Deep Foundation Pit

WANG Cuiying, JIANG Yu, YUAN Hao

(SchoolofCivilEngin.andArchitecture,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

The excavation process of a high-rise residential building in Zhejiang province was simulated by FLAC3D on the base of some case study. Deformation and stability of the pit influencing factors such as pile stiffness, pile length, array pitch were analyzed. Through analyzing the displacement alteration, it can be concluded that combining various measures and reducing structure deformation may optimize structure design of double-row piles.

double-row pile；flac3D；deep foundation pit

2015-07-31

王翠英(1965-)， 女，内蒙古包头人，工学博士，湖北工业大学教授，研究方向为深基坑支护与深井降水

1003-4684(2016)04-0105-04

TU447

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