基坑连续变形阻断单元双排桩设置方式与效果分析

张海波

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

21 世纪以来，中国经济发展迅速，城市化率逐年稳步提高，这导致了城市人口集中现象。因此，城市出现了许多高层及超高层建筑，为了保证建筑的安全，基坑就变得越深，而对应的深基坑工程也将面临更严峻的支护问题。双排桩支护结构是由前、后排桩与连梁组成的，由于其侧向刚度大、支护深度深、整体性强等优点在深基坑工程中应用广泛[1-4]。刘坚[5]根据实际工程，依托有限元分析软件Midas GTS 建模并优化设计，根据支护结构变形和受力情况，证明了优化设计具有良好效果。陈哲光[6]采用模型试验的方式研究了双排桩中后排桩桩间距改变对整个组合支护体系的影响。赵腾越[7]采用数值模拟的方式，从双排桩桩基变形出发，考虑了基坑开挖、桩径及土体参数等因素的影响。Wang[8]通过模型试验分析了双排桩的桩体弯矩和土压力。Wang[9]研究得到土体强度、土供效应、CFG 复合地基的影响、桩梁协同效应和基坑空间效应对双排桩支护结构优化设计具有重要作用。

综上所述，双排桩支护结构设计深受研究者的重视。但是在基坑支护中，上述研究多在整体或某一区域布置双排桩，并且继续优化桩径桩距等参数，这使得造价较高。对此，需要研究出一种支护方式既能降低成本又能保证安全。因此，本文根据实际工程，在基坑整体采用单桩支护时，考虑了支护结构连续变形和破坏的阻断方式。故此局部采用双排桩支护作为单排桩变形和破坏的阻断单元，并考虑了双排桩后排桩数量和阻断单元效果的关系，可以为实际工程应用提供借鉴。

1 工程概况

本工程位于平阳县水头镇，东面为水头自来水二厂，西面为居民区，南面距离大滩路约200m。拟建项目规划用地面积约15 092m2，总建筑面积约58 805m2，地下建筑面积约13 529m2，主要建筑物为4 幢住宅楼，层数为24F，设一层整体地下室。基坑开挖深度约4.3～5.0m，采用钻孔灌注桩排桩支护，局部采用双排桩支护，采用水泥土搅拌桩止水。由于基坑平面尺寸大，基坑边长超过140m，基坑发生连续性破坏的风险高，因此排桩支护结构的变形和破坏的控制是本项目的重点。

2 数值模型与模拟方法

2.1 基本假定

为了简化计算，有如下基本假定：（1）同一种材料为均质、各向同性；（2）土体为理想弹塑性材料；（3）桩为弹性体；（4）不考虑土体的排水固结；（5）不考虑支护结构施工时对土体扰动的影响

2.2 土体和结构参数

2.2.1 土体参数

土体参数参照工程勘测报告，如表1 所示。

表1 土体参数

2.2.2 支护和冠梁参数

本模型双排桩不同的阻断单元形式如图1～3 所示。桩和冠梁均采用C30 混凝土，弹性模量为30Gpa，泊松比为0.25。止水帷幕距离桩表面为0.7m，埋深为冠梁表面往下7.7m，弹性模量为200kPa。前后排支护桩沿X 方向由左至右编号分别依次为前-#1～#29、后-#1～#3。冠梁尺寸为0.9m´0.7m（b´h），桩直径为0.6m，前排桩间距为0.9m，后排桩间距为1.8m，前后排桩间距为2.6m，连梁尺寸为0.6m´0.7m（b´h）。

图1 项目周边环境

图2 基坑支护剖面图

图3 双排1 桩阻断单元

2.3 模拟方法

2.3.1 模型建立

根据地勘报告及支护结构参数，截取一部分基坑，如图4所示，使用Midas GTS 建立几何模型。然后，进行网格划分，土体和止水帷幕采用实体单元，桩、冠梁和连梁采用梁单元，采用高阶次线性四边形单元进行网格划分。最后，进行边界约束，下方约束xyz 三个方向位移，左右约束x 向位移，后面约束y 向位移，前面采用对称边界，约束桩绕z 向转动，约束冠梁和连梁绕xy 向转动，添加自重。

图4 双排2 桩阻断单元

2.3.2 开挖过程模拟

具体模拟步骤见表2。

表2 开挖过程模拟步骤

2.4 工况介绍

具体模拟工况如表3 所示。

表3 工况介绍

3 双排桩-后排桩数量增加情况下阻断单元效果

3.1 基坑开挖过程中位移的变化

基坑开挖至坑底时，A4 前排桩#15 的桩身水平位移如图4所示，后排桩#2 的桩身水平位移如图5 所示。从图4 可知，基坑开挖深度越深，桩水平位移越大，并且桩顶和桩底位移较小，坑底附近位移较大。主要原因是采用双排桩支护时，前排桩桩顶通过连梁和后排桩桩顶固结，约束了前排桩桩顶位移，而桩底受到被动土压力约束，位移也就比较小，坑底主要是基坑开挖卸荷导致的位移较大。从图5 可知，桩端水平位移较大，且随着基坑开挖深度的增加，水平位移也持续变大。这是因为后排桩桩顶没有水平约束，呈现出单排桩支护的特点。这符合双排桩支护前后排桩的变形特征。

图5 双排3 桩阻断单元

3.2 基坑开挖完成后桩位移变化

工况一，不同阻断形式的前排桩#16 的水平位移如图5 所示，前排各桩在整体标高-4.03m 处的水平位移如图6 所示。从图5 可以看出桩的最大水平位移在坑底附近。这符合基坑开挖对围护桩结构影响的基本特征[10]。另外图中结果还反映了采用双排阻断的形式优于单排桩，A1～A4 的最大水平位移分别为5.74mm、5.18mm、5.19mm、5.16mm，A2 的水平位移比A1减少了9.76%。但是后排桩根数增加对加强区内桩水平位移大小的影响较小。从图6 中可以得到，随着后排桩根数的增加扩大了前排桩“位移减少区”。这说明后排桩数量增加情况下阻断单元效果并不明显，但是可以应用于基坑局部超挖或者局部土质较差的位置，提升抗侧刚度，减少该区域的位移，保证安全。

图6 有限元模型

3.3 基坑开挖完成后桩弯矩和轴力变化

工况一，不同阻断形式的前排桩#15 的弯矩如图7 所示，轴力如图8 所示。从图7 可以看出桩#15 的弯矩呈现“S”形，两个反弯点弯矩的绝对值都随着后排桩数量增加而减小，这说明后排桩数量的增加有利于保证前排阻断区桩的强度，提升其稳定性。图8 桩#15 轴力值反映了该桩受压，并且在坑底附近轴力变化较大。随着后排桩数量的增加，前排桩#15 轴力反应为坑底以上轴力增大，坑底以下轴力减小。这说明采用双排桩阻断单元设计时，可以适当调整阻断区前排桩截面积提升抗压强度，以保证基坑支护安全。

图7 A4 前排#15 桩位移

图8 A4 后排#2 桩位移

图9 桩#16 水平位移（Y 向）

图10 整体标高-4.03m 处前排各桩水平位移（Y 向）

图12 桩#15 轴力

4 结论

本文基于实际工程，采用局部双排桩作为单排桩连续性破坏和变形的阻断单元，并考虑了后排桩数量对开挖过程中阻断区范围内桩的位移以及开挖结束后阻断区范围内桩的位移和内力进行了分析，具体结论如下：

（1）双排桩随着后排桩数量的增加可以扩大前排桩的；“位移减少区”，但是对于该区域内的前排桩位移的降低程度有限。

（2）采用双排桩阻断单元的方式，从位移和内力的结果来看，后排桩数量两根比较合理。

（3）根据数值模拟结果，在基坑整体采用单桩支护时，局部采用双排桩阻断单元可以较好地控制连续性变形和破坏。