深基坑开挖中双排桩支护的数值模拟及性状

王星华，谢李钊，章敏

(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075)

摘要：为研究深基坑开挖中双排桩支护结构的内力和变形规律，结合实际工程，建立双排桩、预应力锚杆联合支护体系的数值计算模型，对不同开挖过程中桩-土相互作用机理、支护结构内力、变形和土压力分布特征进行研究，讨论排距、桩长和冠梁刚度等参数对基坑稳定性的影响。研究结果表明：锚杆作用部位桩身将产生较大的反向弯矩，基坑监测时应重点关注；当排距为(3~4)d(其中d为桩的直径)，桩长约为开挖深度的1.7倍时，双排桩结构将发挥较好的支护效果；适当增加冠梁刚度将有效地协调前后排桩，减小土体侧向位移。

关键词：双排桩支护结构；深基坑；数值模拟；影响因素

中图分类号：TV551.4⁺2          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2014)02-0596-07

Numerical simulation and characteristic of a double-row piles retaining structure for deep excavation

WANG Xinghua, XIE Lizhao, ZHANG Min

(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Abstract: To study the excavation behavior supported by double row piles retaining structure, the interaction mechanism of pile-soil was established. By taking a practical engineering as the research object, a numerical model of double row piles and prestressed anchor combined support system were established, and the internal force and deformation of supporting structure, the distribution characteristics of earth pressure were studied. The influences of row spacing, pile length and crown beam rigidity on the stability of excavation were discussed. The results show that the bigger reverse bending moments appear on the site of action of anchor pile; a good supporting effect of double-row piles structure can be achieved when the row spacing is (3-4)d and the pile length is about 1.7 times of the depth of excavation. The before-and-after piles can effectively form a unified whole supporting structure, and the lateral displacement of soil can reduce and appropriately increase the stiffness of the crown beam.

Key words: double row pile retaining structure; deep foundation pit; finite element; influential factor

双排桩是一种新型的围护结构，它是由2排平行的钢筋混凝土桩以及桩顶的冠梁形成的空间门架式结构体系。这种结构具有较大的侧向刚度，可以有效地限制围护结构地侧向变形，因而，其围护深度比一般悬臂式围护结构深^[1-3]。从结构上分析，双排支护桩如同嵌入土中的门式框架，与单排悬臂结构﹑内撑式围护结构相比，具有施工方便﹑不用设置内支撑﹑挡土结构受力条件好等优点，因此，在工程中得到了广泛应用^[4-8]。双排桩主要应用于深基坑支护和大型滑坡的治理中，许多学者对此进行了研究，如：蔡袁强等^[9-10]运用有限元法，对基坑双排桩的受力特性进行了研究；孙勇^[11]对滑坡中双排桩的受力机制、计算方法和设计方法进行了研究；周翠英等^[12]将双排桩的桩排间土体抗力简化为弹性支撑，提出了桩间土对前排桩的作用模式和作用力计算分析模型；吕美君等^[13]运用结构力学方法对双排桩中滑坡推力在前、后排抗滑桩的分配进行了研究。本文作者以某基坑工程为背景，采用FLAC软件建立双排桩-预应力锚杆联合支护的数值计算模型。对开挖过程中基坑隆起、地面沉降、桩身水平位移、锚杆轴力、桩身弯矩进行分析，提出施工过程中应注意的方面及需重点监测的地方；对基坑变形和稳定的影响因素如双排桩间距、冠梁刚度、桩长进行讨论，从而提出一些控制支护结构变形、保持基坑稳定的方法和措施^[14-15]。

1  工程概况和计算模型

1.1  工程概况

基坑南面毗邻医院，东面靠近铁路，西侧为多层住宅楼，北侧西段临近幼儿园。 该工程基坑围护设计重点考虑了2个问题：支护结构选择和地下水处理。本工程基坑开挖深度为8.6 m， 局部深10 m，暴露土质基本为软塑土。当选用悬臂单排桩支护时，其稳定性和安全性难以保证。而选用桩锚支护结构时锚杆施工对邻近建筑有一定的影响，因土质较软，其施工存在一定难度。经多种方案对比，最终选用悬臂双排桩支护结构，以充分利用双排桩占地空间小及其三维空间结构刚度大的优势。采用深层搅拌桩作为隔水帷幕，坑内利用管井降水避免大面积降水后对周围建筑产生的影响，所以，不考虑地下水的影响。

1.2  计算参数的选择

支护结构的土层物理力学指标及计算参数见表1~4。

1.3  数值计算模型的建立

工程经验表明：基坑开挖的影响宽度约为开挖深度的34倍，影响深度约为开挖深度的24倍。本文所确定的网格划分为宽度取40 m，深度取28 m，网格数为40×28个。FLAC模型结构单元图如图1所示。

具体计算方案为：首先将模型全部按土体材料参数设定，并将其在X，Y和Z这3个方向上的位移设定为0，每一次开挖完以后设定一下材料参数，严格地按实际施工顺序进行。整个基坑开挖和桩锚支护的模拟分3步进行，在每步完成后进行计算。

表1  基坑土层物理力学参数表

Table 1  Soil physical and mechanical parameters of foundation pit

表2  桩单元参数

Table 2  Pile element parameters

表3  锚杆单元参数

Table 3  Bolt element parameters

表4  梁单元参数

Table 4  Beam element parameters

图1  FLAC模型-结构单元图

Fig. 1  Structural unit of FLAC model

设定初始约束条件时，假设计算域两侧设有水平链杆，底部设有铰支座，顶部取为自由边界。初始地应力场令为自重应力场，首先对模型施加自重荷载，让模型在自重应力下稳定，建立背景自重应力场，考察自重应力下土体的变形行为，然后清除历史上自重应力造成的位移。

模型在自重作用下的稳定过程实际上是模拟地质历史上土层沉积固结过程，反映在模型上就是最大不平衡力的变化过程，即当最大不平衡力降到一定范围时，模型便趋于稳定。

2  计算结果及分析

2.1  基坑隆起结果及分析

图2所示为各开挖阶段基坑底部隆起值。综合分析各步开挖隆起曲线，每开挖一步都有一定的隆起增量，每步开挖形成的隆起分布曲线形状相似。第3步开挖后，坑底隆起值在0~2 m范围内迅速增大到8.7 cm；随着距离坑边距离的增加，坑底隆起值逐渐增大，但是，增大幅度逐渐减小，到基坑中部时达到最大值，为9.8 cm。 因此，在基坑监测时要对坑底中部和基坑边壁进行重点监测。

图2  开挖过程中基坑底部隆起值

Fig. 2  Bottom upheaval value in process of excavation of pit

2.2  地面沉降结果及分析

从开挖至底部基坑Y方向的位移云图见图3。从图3可以看出: 基坑周围的地表沉降，在基坑边处最大，其值为20 mm，离基坑边处越远，沉降越小。总体上，开挖对地面沉降的影响基本在2倍基坑深度之内(17 m)，1倍深度(8.5 m)内的影响较大。在施工过程中，为了掌握施工对周围建筑的影响情况，对邻近的建筑进行观测，最大沉降为0.91 cm，表明本工程的支护结构是合理的。

图3  开挖至底部基坑Y方向的位移云图

Fig. 3  Y direction displacement of foundation pit excavation to bottom

2.3  桩身水平位移结果及分析

图4和图5所示分别为前、后2排桩在基坑各开挖阶段的桩身水平位移变化图。从图4和图5可以看出：基坑支护桩水平位移的最大值并不像悬臂支护那样出现在基坑顶部，而是发生在基坑开挖度的中部，并随着基坑向下开挖，最大水平位移的位置向下移动，最后稳定在基坑的中下部；基坑支护水平位移最大值约为13.4 mm，小于基坑深度的0.3%，满足基坑支护要求。因此，基坑的开挖面附近要重点监测。通过分析图4和图5可以得出：

(1) 在有限元模型结果中，桩体侧向水平位移量是随着开挖不断增长的，每开挖1步，侧向水平位移增大。

(2) 每次加入锚杆都使桩体侧向水平位移量产生回缩，锚杆能起到限制桩体的侧向水平位移的作用。

(3) 桩身的中下部侧向水平位移最大，在基坑监测时要重点观察。

(4) 第2步开挖桩身水平位移出现负位移。这是由于打入锚杆预加应力较大，使桩身向基坑外方向偏移。在设计时应注意此问题。

图4  前排桩开挖过程桩身的水平位移变化图

Fig. 4  Pile horizontal displacement of front pile in process of excavation

图5  后排桩开挖过程桩身的水平位移变化图

Fig. 5  Pile horizontal displacement of back pile in process of excavation

(5) 第3步开挖桩身水平位移增大较多，这是由于第3步开挖没有施加锚杆。但总体来说，桩身水平位移在基坑开挖的允许范围内。

2.4  锚杆轴力结果及分析

图6和图7所示分别为第1层锚杆和第2层锚杆在各开挖阶段的轴力。从图6和图7可以看出：

(1) 第1层锚杆在第1步开挖拉力为230 kN；施加第2层锚杆后，锚杆拉力衰减为180 kN。这主要是第2层锚杆张拉，改变了第1层锚杆的受力状态，承担了第1层锚杆原来抵抗的部分土压力，使第1层锚杆的拉力减小；另一方面，是锚固体与土体的蠕变也使锚杆拉力减小，此后，第1层锚杆拉力保持基本稳定。

(2) 第2层锚杆的拉力从182 kN(第2步开挖)上升为209 kN(第3步开挖)，增加16%左右。

图6  开挖过程中锚杆1的轴力变化

Fig. 6  Axial force variation of bolt 1 in process of excavation

图7  开挖过程中锚杆2的轴力变化

Fig. 7  Axial force variation of bolt 2 in process of excavation

(3) 锚杆锚固后，锚杆的轴力有所增加，大于锚杆的预应力，因此，在基坑中，为确保锚杆的正常工作，监测时要重点监测；同时，设计时，要充分考虑，适当增加锚杆的刚度。

2.5  桩身弯矩结果及分析

从开挖各阶段前排桩桩身的弯矩(图8)可见：到第3步开挖负弯矩最大值为-90 kN·m，正弯矩最大值为182 kN·m。从弯矩曲线形态总体上看，由于施加锚杆的作用，使桩的弯矩图出现正负区域弯矩均匀，避免了某处弯矩过大、应力集中的现象。

从图9所示的开挖各阶段后排桩桩身的弯矩可以看出：由于在数值模拟中把后排桩与锚杆设计为几何交叉，桩身没有锚杆，上部的土压力依靠开挖面以下的土抗力来平衡，在土压力作用下，桩身弯矩曲线呈桩端小、中间大的形状；每阶段最大弯矩值皆出现在21 m标高位置附近。

图8  开挖各阶段前排桩桩身的弯矩

Fig. 8  Bending moment of front pile in stage of excavation

图9  开挖各阶段后排桩桩身的弯矩

Fig. 9  Bending moment of back pile in stage of excavation

在不同工况下，桩身弯矩曲线形状各不相同，但有如下几点规律：

(1) 桩身弯矩随基坑开挖深度增大而增大，锚杆张拉后弯矩减小，出现反弯矩。

(2) 锚杆的张拉锁定，由于预加荷载的作用，使弯矩出现负增长，但随着基坑继续开挖，弯矩总体还将继续增大。

(3) 施加锚杆的部位，在锚杆工作后出现很大的反弯矩，计算值都很大，在进行桩身设计及应力监测时，这些部位应进行重点处理。

3  各参数对基坑位移的影响分析

3.1  双排桩间距的影响

双排桩设计的1个重要参数就是前后排桩排距，为此，本文从排距分别为1d，2d，3d，4d和5d(d为桩的直径)的双排桩体系进行考虑，得到前排桩的位移如图10所示。

图10  前排桩不同桩距下的位移

Fig. 10  Displacement of front pile under different pile spacings

从图10可见：前排桩在排距为1d，2d，3d，4d和5d 时的最大位移分别为1.43，1.29，1.34，1.39和1.51 cm；随着前后排距的增加，前排桩的位移先减小后增大，5d时的位移较最小的2d的位移增大了17%，且在排距为(3~5)d时，前排桩的位移的增大幅度也越来越大。这说明排桩间距在大于一定尺寸之后，前后排桩间土将基本全部压在前排桩上，后排桩对前排桩将基本没有什么影响。

从图10可知：排距过小时，后排桩特征与单排桩的特征类似；当排距过大时，后排桩通过连梁对前排桩近似于起到拉锚的作用，这2种情况都无法使双排桩之间的桩间土发挥较好的传递作用，使双排桩在桩土共同作用方面的优势没有得到发挥；当排距在(3~4)d之间时，计算结果表现出来的位移和弯矩状况比较理想，能够使双排桩的结构发挥较好的效果。

3.2  冠梁刚度的影响

冠梁是显示双排桩空间效应的一个重要结构，它的参数设置势必影响双排桩支护体系整体的性状特征。为了验证冠梁的刚度对双排桩支护体系的影响，本文通过改变冠梁的高度来改变冠梁的刚度的方式来考察桩体的位移和弯矩。本工程采用冠梁高度为0.8 m，对照工况取为0.6 m。计算结果如图11所示。由图11可知：通过增大连梁的刚度，上部桩体位移减小显著。这说明通过增加连梁刚度来协调2排桩的受力和位移是可取的。当然，增加桩体刚度势必增加工程造价，同样需要在性能和造价中寻找平衡点。

图11  前排桩不同冠梁刚度下的位移

Fig. 11  Displacement of front pile under different crown beam rigidities

3.3  桩长的影响

桩长与基坑开挖深度之比也为双排桩支护体系中的重要参数，在基坑深度为8.5 m不变的情况下，分别选取长度为10，17和22 m的桩体进行对比，计算结果如图12所示。

从图12可知：当桩长过短(如此节中桩长为10 m)的情况下，整个支护结构表现出来的抗侧移能力非常有限，容易造成支护结构整体坍塌；随着桩体长度的增加，支护结构产生的位移先减小后增大。可以推断桩长在一定范围内支护结构所表现的性状最佳，因此，桩长的选取应该在一定范围内。若桩长过短，容易出现双排桩结构达不到支护效果，但是，当桩长超过一定长度后，同样也会出现支护效果降低的情形。在工程实践中，一般将桩长设置微基坑开挖深度的1.7倍。

图12  前排桩不同桩长的位移

Fig. 12  Displacement of front pile under different pile lengths

4  结论

(1) 在基坑监测时要对坑底中部和基坑边壁以及基坑的开挖面附近重点监测。

(2) 在施加锚杆的部位，锚杆工作后出现很大的反弯矩，计算值都很大，在进行桩身设计及应力监测时，这些部位应进行重点处理。

(3) 双排桩的排距对整个体系影响较大。当排距过小时，双排桩体系特征与单排桩的特征类似，而当排距过大时，后排桩对前排桩近似于拉锚的作用，这2种情况都无法使双排桩之间的桩间土发挥较好的传递作用，使双排桩在桩土共同作用方面的优势没有得到发挥。当排距为(3~4)d时，计算的位移和弯矩比较理想，能够使双排桩的结构发挥较好的效果。

(4) 改变桩长(或者桩长与基坑深度的比值)可以改变双排桩支护结构的性状，桩长的选取应该在一定范围内，双排桩的支护性能最佳；若桩长过短，容易出现双排桩结构达不到支护效果，但是，在超过一定长度后，同样也会出现支护效果降低的情形。在工程实践中，一般将桩长设置微基坑开挖深度的1.7倍。

(5) 冠梁是展示双排桩空间效应的一个重要的结构，增加冠梁刚度可以更好的协调前后排桩，减小桩体的位移，但是，冠梁的深度增加，势必增加工程造价，需要在性能和造价中寻找平衡点。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2013-02-10；修回日期：2013-05-22

基金项目：铁道部科技研究开发计划项目(2007G034)

通信作者：谢李钊(1981-)，男，湖南娄底人，博士研究生，从事地下工程方面的研究；电话：13875876853；E-mail：xielizhou1981@hotmail.com