双排桩结构特性及桩体位移有限元计算分析

杨保全，丘 滨，陈先威

（1.河海大学土木工程学院，南京 210098；2.江苏省电力设计院勘测部，南京 211100）

双排桩结构特性及桩体位移有限元计算分析

杨保全1，丘 滨2，陈先威1

（1.河海大学土木工程学院，南京 210098；2.江苏省电力设计院勘测部，南京 211100）

分析了双排围护桩的工程效应及其结构受力特性，结合工程实例，利用ADINA有限元软件建立了双排围护桩的三维模型，对基坑开挖过程中桩体位移及不同排距情况下的桩体结构变形进行了计算分析。结果表明，桩体位移法计算值与实测值接近，说明模拟效果较好，对于类似工程的优化设计施工具有一定的指导作用。

双排围护桩；排距；有限元计算；变形

目前城市建设中地下工程越来越多，尤其是深基坑工程，其围护桩的结构对桩体位移及变形影响较大，目前所采用的双排围护桩是一种新型的围护结构，这种结构具有较大的侧向刚度，可以有效地限制围护结构的侧向变形，因而其围护深度比一般悬臂式围护结构深。从结构上分析，双排围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、挡土结构受力条件好等优点，因此在工程中得到了广泛的应用［1～3］。

然而，作为一种较新型的支护形式，目前其设计计算理论尚不成熟，对于开挖过程中桩体结构的位移和受力情况研究也很少，且大多局限于二维分析；因此，作者结合具体工程，建立了双排围护桩结构的三维模型，对玄武湖 九华山隧道工程一基坑开挖过程中双排围护桩桩体的位移情况进行了模拟计算，并分析了不同排距对桩体结构变形的影响，其结果对于优化设计和指导工程实践都具有一定的现实意义。

1 双排围护桩支护结构特性

双排围护桩支护结构的位移主要受桩间土、桩周土及其自身结构强度的控制。它通过对桩间土的合理利用，发挥前后排桩之间的协调作用，综合利用空间效应，产生大的侧向刚度，使支护结构的抗侧移能力大大提高。桩间土对前后排桩的土压力大小与前后排桩的排距有关，故双排围护桩结构可看成前后排桩都受到大小不等土压力作用的平面刚架。当排距较小时，土压力主要由后排桩承担，前排桩只承受桩间土对其产生的较小的土压力，同时横梁对前排桩产生推力；随着排距的增大，前排桩承受的土压力也随之增大，直到承受几乎全部土压力，而横梁也由受压变为受拉［4］。

当双排围护桩桩径与前后排桩排距变化时，其工作性状也发生变化，如图1、图2所示：当排距较小时，只能视双排围护桩为增加自身刚度的叠合桩，桩土协同作用难以发挥；而当排距较大时，则可认为趋于拉锚桩，后排桩利用土抗力起到锚拉支撑作用，无从谈及桩土协同空间效应；只有当排距在某一范围内，双排围护桩才能发挥其受力条件好、位移小的特点［4，5］。

图1 双排围护桩结构剖面图Fig.1 Profile of the double-row piles

图2 排距变化对双排围护桩工作性状影响示意图Fig.2 Diagrams of the double-row piles with different row spacings

2 工程概况及计算模型

2.1 工程概况

南京玄武湖 九华山隧道工程是南京市城市快速内环的重点段，其主体结构分为湖中段及陆地段，其中湖中段两侧基坑垂直开挖段与放坡开挖段过渡段采用双排围护桩支护结构。基坑平面为矩形，开挖深度9.4 m，据地质勘查及《基坑设计支护施工图》，施工范围土体分为3层：一层以淤泥、杂填土、素填土为主；二层为淤泥质亚粘土、粉土、粉砂；三层为粉质粘土、粉质粘土混碎石、砾石。支护结构桩体采用钻孔灌注桩，前后两排桩共23根，呈“丁”字型布置，桩长均为19.15 m，桩径为1.1 m，前排桩桩间距为1.3 m，后排桩为2.6 m，前后排桩排距为3.6 m，桩顶以连梁连接，连梁厚0.4 m①南京市测绘勘查研究院有限公司.九华山隧道工程基坑支护设计施工图.2004年11月.。

2.2 三维有限元模型

本文利用ADINA（Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis）有限元分析软件建立模型并进行有限元计算，该软件是对固体、结构及结构-流体系统作静、动位移和应力分析的一个计算机程序，对于分析静力的线性、非线性问题具有较强的适应性②ADINA北京办事处.ADINA使用手册.。

根据矩形基坑的对称性，为了减小计算规模，取1／4基坑为研究对象建立模型；同时将研究区域竖向边界扩大至开挖面以下28.2 m，水平边界范围自基坑边缘向外延伸28.2 m。考虑到前排桩桩间净距只有0.2 m，相对于1.1 m的桩径而言较小，根据文献［6］中等效抗弯刚度的方法，将前排桩等价成连续介质，后排桩、圈梁以实体建模。三维计算域4个侧面边界采用法向约束，计算域地面采用固定约束。为分析基坑开挖过程中不同阶段桩体位移情况，利用ADINA程序中的单元生死功能来模拟基坑开挖过程，计算过程中将基坑设置为分3步开挖：第1步开挖至3.4 m，第2步、第3步再分别开挖3 m。

有限元分析中，土体选用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型，桩体、盖梁选用线弹性材料［7，8］；采用水土合算的方法来考虑地下水；划分单元时，采用对模型手工划分单元的方法，在基坑周围支护结构区域划分较密，离基坑较远处网格划分渐疏；单元划分选用八结点平行六面体单元，最终桩体共划分3 040个3D单元，盖梁共划分710个3D单元，土体共划分50 370个3D单元，整个模型共58 499个结点。剖分后的有限元模型如图3所示。

图3 有限元计算模型Fig.3 Model of the finite element method

2.3 计算参数选择

计算模型中土层的物理力学参数及支护结构计算参数取值见表1、表2。

表1 土体物理力学参数Table 1 The physical and mechanical parameters of soil

表2 桩体、盖梁物理力学参数Table 2 The physical and mechanical parameters of the pile and bent cap

3 计算结果及分析

通过计算，得到在基坑开挖至3.4 m，6.4 m和9.4 m时对应的前、后排桩桩体水平方向最大位移量及最大变形出现的位置，如表3所示。

表3 基坑开挖不同阶段支护结构位移结果Table 3 Displacements of supporting structures in different stages of the foundation pit

从表中可以看出，在基坑开挖深度由3.4 m到6.4 m再到9.4 m时，支护结构相应的最大位移从-9.06 mm到-19.95 mm再到-31.34 mm，可见开挖深度对支护结构变形的影响非常明显，而且相同的是，在3个时刻支护结构最大变形位置均出现在基坑中部桩顶处。当基坑开挖完毕至9.4 m时，支护结构水平位移云图及变形云图分别如图4、图5所示。

图4 开挖9.4 m支护结构水平位移云图Fig.4 Nephogram of horizontal displacement at the depth of 9.4m

图5 开挖9.4 m支护结构变形云图Fig.5 Nephogram of deformation at the depth of 9.4 m

可以看出：由于支护结构前排桩连续分布，为主要受力部分，而后排桩间隔分布，为空间协同受力，通过桩间土体力的传递作用共同抵抗变形，此时前排桩底部位移较后排桩大许多。

通过不同时刻支护结构位移图对比发现，在基坑开挖过程中，支护结构在其拐角处侧向位移最小，向基坑中部侧向位移逐渐增大，沿基坑深度方向，基坑开挖面以上支护结构侧向位移增大较快，在桩顶处位移达到最大值；在圈梁作用下，前后排桩桩顶水平位移相等，说明连梁在协调前后排桩变形方面起有一定作用。

将开挖9.4 m后双排围护桩前排第15根桩、后排第8根桩的位移计算结果与其桩体上所设置的测斜管实测位移进行对比，结果如图6、图7所示［9］。

图6 前排第15根桩水平位移对比Fig.6 Comparison diagram of horizontal displacements of the the 15th pile in front row

图7 后排第8根桩水平位移对比图Fig.7 Comparison diagram of horizontal displacements of the 8th pilein back row

从图中可以看出：有限元计算位移与实测位移分布规律基本符合，反应了基坑开挖过程中支护结构的变形特征，但是两者仍存在一定差异：① 基坑开挖面以上有限元计算水平位移值普遍偏小，而实测位移值相对较大。分析其原因，是在有限元计算过程中，基坑外侧未考虑荷载作用，而实际施工过程中，施工机械在基坑周围施加的外荷载，坑边堆放的大量建材，都有可能导致基坑支护结构上部水平位移变大；②基坑开挖面以下计算位移值较测斜管实测位移值大，其原因可能是基坑开挖到设计深度以后，根据设计与监测要求，现场立即施工隧道底板，避免了基坑在无支撑状态下暴露时间过长，底板对支护桩起到很好的限制水平位移的作用，因此，在开挖面以下实测桩体侧向位移值较计算值偏小，也说明基坑开挖施工过程中对基底软土处理和及时施工底板对基坑稳定意义重大。

4 排间距对桩体位移影响分析

在双排围护桩结构设计中，排距是对其工作性状影响较大的一个因素，因此，作者在上面模型的基础上以排距2 d，3 d，4 d，5 d，6 d，8 d（d为桩径，以下同）分别建立三维模型，来分析不同情况下的桩体位移。经计算，其结果如图8、图9所示。

图8 不同排距时前排桩位移Fig.8 Displacements of the front piles with different row spacings

图9 不同排距时后排桩位移Fig.9 Displacements of the back piles with different row spacings

通过对计算结果的分析可以看出：当前后排桩排距较小时，如S=2 d～3 d，双排围护桩可视为增加自身刚度的叠合桩，前后排桩空间协同作用较弱，排桩、盖梁和桩间土组成的围护结构抗弯刚度相对较小，支护结构变形相对较大；当前后排桩排距较大，如S＞6 d时，后排桩所受桩后土压力减小，对前后排桩间土作用减弱，协同前排桩共同抵抗变形的作用减弱，只是通过桩顶盖梁作用来保持桩顶变形一致，此时的后排桩受力类似拉锚桩。因此，综合分析前后两排桩的位移，本文认为最合理排距为S=4 d。

5 结语

（1）利用ADINA有限元软件，以南京玄武湖九华山隧道工程为背景建立双排围护桩三维模型，经计算支护结构位移计算值与实测值接近，变化特征基本一致，较好地反映了工程实际情况，计算结果可靠。

（2）双排围护桩是一种空间门架式支护结构，前后排桩变形存在显著的空间效应，以基坑中部桩为最大，向基坑拐角处逐渐减小，呈抛物线形分布。

（3）开挖深度对支护结构位移影响明显，同时，连梁在协调前后排桩位移方面作用显著。

（4）通过不同排距的桩体位移计算结果对比，前后排桩排距为4 d时桩体与盖梁协同抵抗变形的能力较好，为双排围护桩设计施工提供可靠依据。

［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］ 黄 强.深基坑支护设计与施工［M］.武汉：中国建材工业出版社，1995.

［3］ 余志成，施文华.深基坑支护设计与施工［M］.北京：中国建筑工业出版社，1997.

［4］ 孙家乐，张钦喜，许宝华.深基空间组合支护桩设计与工程应用［J］.工业建筑，1995，（9）：8-10.

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［7］ 钱家欢，殷宗泽.土工原理与计算（第二版）［M］.北京：中国水利水电出版社，1996.

［8］ 陈惠发［美］，萨里普A.F.土木工程材料的本构方程（第一卷）［M］.余天庆，王勋文译.武汉：华中科技大学出版社，2001.

［9］ 周云东.南京市快速内环东线工程标段三陆地段及湖中段基坑监测总结报告［R］.南京：河海大学，2005.

Deformation Analysis of Double-row Piles by Finite Element Method

YANG Bao-quan1，QIU Bin2，CHEN Xian-wei1

（1.College of Civil Engineering，HoHai University，Nanjing 210098，China；2.Survey Department，Jiangsu Electric Power Design Institute，Nanjing 211100，China）

The deformations of the double-row piles are analyzed in this paper.A 3D finite element model is introduced based on an engineering illustration.The displacement of the piles during excavation is computed by ADINA（automatic dynamic incremental nonlinear analysis）.The results are compared to the observed values and in good agreement with the observed data.Parametric studies are conducted to optimize the pile structure.

double-row pile；row spacing；finite element method；deformation

TU67

A

1001-5485（2009）07-0052-04

2008-09-01；

2008-12-29

杨保全（1964-），男，湖北广水人，副教授，博士研究生，主要从事工程基础处理及地下水研究工作，（电话）13505169866（电子信箱）yang bao quan＠163.com。

（编辑：刘运飞）