基于深基坑施工的双排桩设计参数分析

苏志凯 李桂鹏

近年来，双排桩结构成为深基坑工程中经常使用的空间组合类围护结构，双排钢筋混凝土桩和顶部的刚性连系梁是其主要组成部分，沿基坑长度方向呈双排布置。双排桩结构能够更有效分担土压力，同时令桩身内力的分布更加合理。文献[1]结合汕头软土地区基坑工程实例，通过PLAXIS有限元分析软件对双排桩的内力及变形情况进行了分析，对单排桩和双排桩工作性状做了针对性的对比分析；文献[2]通过排桩之间滑动土体与总滑动土体体积比的方法确定其所受土压力的大小；文献[3]通过桩土共同作用的方法确定开挖面以上双排桩的土压力及地基水平基床系数；文献[4]探讨了双排桩围护结构情况下的土压力分布形态，认为土体滑动面的形态在双排桩后排桩的影响下发生了改变，并提出了一种简算思路。本文主要通过FLAC数值模拟的方法研究双排桩在桩长、排距、桩径、桩间距和基坑开挖深度因素影响下的桩身位移，以期为双排桩在深基坑工程中的设计提供参考。

假定土层分布情况及计算参数如表1所示，排桩设计桩长均为20m，桩径1m，桩间距1.5m，前、后排桩排距4.5m。

1.计算模型的建立

模型尺寸均采用40×40m，模型网格划分为40×40，基坑顶部与既有场坪标高持平，由于桩顶标高为既有场坪标高以下0.8m，为简化计算，将桩顶标高抬升0.8m，在计算过程中，桩长都相应增加0.8m。基坑开挖宽度15m，两边边界施加水平约束，底部施加水平及竖向约束。基坑分4步开挖，总开挖深度控制在8.82m左右，双排钻孔灌注桩和桩顶拉梁分别用pile和beam单元模拟，每根桩平均分为15段，拉梁分为3段。

2.桩长对位移影响分析

2.1前后排桩身位移分析

设计桩长均为20m，在相同条件下前、后排桩身位移的对比。在桩顶位置，前后排桩身的位移基本一致；在桩顶以下，前排桩位移略大于后排桩位移；桩身最大位移均发生在桩的中上部；前排桩身最大位移为7.49cm。

2.2双排桩桩长分析

考虑桩长对桩身位移的影响，分别选取桩长20m、22m、24m和26m进行分析。桩长在20m至24m范围内对桩身位移的影响不大，桩长为26m时，桩身位移明显减小，最大位移减小1.21cm。

此时桩长对后排桩身位移的影响没有明显趋势；桩长由20m变化至26m时，前排桩身的位移是明显减小的，最大位移减小约1.5cm。总体来看，桩长对桩身位移的影响主要集中在桩的中上部。

3.双排桩排距分析

初始设计排距均为4.5m；这里分别取排距3m、4.5m和6m进行分析。当排距由3m变化至6m的过程中，桩身位移呈现出逐渐减小的趋势；但由4.5m至6m的变化量明显小于由3m至4.5m的变化量，这说明排距对桩身位移的影响随着排距的增加是逐渐减小的。另外桩身最大位移发生的位置随着排距的增加逐渐下移，排距对桩身位移影响最大的点发生在桩顶，在排距由3m增至6m时，桩顶位移减小近一半，而对桩端位移影响很小，桩身最大位移减小1.55cm。

对双排桩而言，每一排桩都分担一定的土压力，所以与单排桩相比，其能有效控制基坑变形和桩身弯矩，而排桩间距的变化会对土压力的分布产生较大的影响。通常认为[1]排桩的水平位移会随着排距的增大而减小，但逐渐趋于缓慢，并且前排桩的桩身弯矩增加较快，过大的排距将失去双排桩的支护优势，只有合理的排距才能充分发挥其性能。

4.双排桩桩径分析

初始设计桩径为1.0m，桩间距为1.5m，桩径范围选择0.8m-1.4m进行分析。桩径增大可以明显减小桩身位移，其中对前排桩身位移的减小幅度略大一些，这也是因为前排桩位移略大于后排桩位移，但对桩顶和桩端的位移影响很小；前排桩身最大位移在桩径由0.8m变化至1.4m时，减小了2.34cm。

5.双排桩桩间距分析

初始设计桩间距为1.5m，这里分别选取1.0m、1.2m、1.5m和3.0m进行分析，前、后排桩桩间距同时变化。

随着桩间距的增大，桩身位移也随之增大，但对桩端的位移影响较小；桩间距由3m变化至1m时，桩身最大位移减小2.22cm。

双排桩桩间距的确定目前还没有统一的认识，经验与理论相结合是主要的确定方法[5]。相关研究[6]发现桩间距的大小对桩间土拱效应的影响较大，随着桩间距的减小土工效应的表现越明显，当其值为3倍桩径时，荷载的转移比可达到30%。Wang等[7]通过土拱效应的研究提出了极限桩间距的存在，即桩间距一旦超过极限，将不存在土拱效应。关于合理桩间距的确定尚需结合工程实际加强理论研究。

6.基坑开挖深度分析

该基坑地下车库开挖深度约为8.82m，这里为便于分析，假定其为8m，在其基础上各增减2m，通过对比来研究一下开挖深度对桩身位移的影响。

由断面的情况可以得出，开挖深度对桩身位移的影响非常明显，并且开挖深度对桩的中上部影响较大，开挖深度由6m变化至10m时，桩顶位移增加了一倍多，桩端位移变化不大。相关研究认为，在开挖深度一定时，开挖区内的土层性质是影响桩身局部位移的主要因素，但对其整体变形的影响趋势基本一致。并且由以上分析情况来看，桩身的最大位移均发生在桩的中上部。

7.结论

本次研究通过FLAC数值模拟计算，采用单因素试验方法，对影响双排桩支护结构的工作性状的因素进行了详细分析，得到了以下结论：

（1）由以上分析可知，随着基坑开挖的进行，桩身出现向开挖方向的位移，桩底位移接近0，桩顶位移较小（一般的悬臂式结构最大位移会发生在顶部，双排桩顶部位移偏小的原因在于桩顶受到冠梁拉杆的约束作用），最大位移发生在桩的中上部，呈现出中间大两端小的形态。并且由于前排桩分担的土压力较大，其位移普遍大于后排桩。

（2）桩长对双排桩桩身位移的影响不表现出明显的线形趋势，前排桩长起主要作用，随桩长呈减小趋势。桩长对桩身位移的影响与土层性质密切相关。

（3）在合理范围内随着双排桩排距的增加，桩身位移逐渐减小；随着桩径的增加，桩身位移逐渐减小；随着桩间距的增加，桩身位移逐渐增大。

（4）开挖深度对桩身位移有明显影响，表现为开挖越深，位移越大。

（5）由分析可得，桩径对桩身位移的影响最为明显，桩间距、桩排距次之，桩长的影响相对较低。

文章分析的双排桩最大位移比实际工程的控制位移偏大，原因在于本章旨在分析设计参数对位移的影响规律，所以未考虑实际工程中止水帷幕和土体加固作用的影响。

【参考文献】

[1]林鹏，王艳峰，范志雄，黄涤宇.双排桩支护结构在软土基坑工程中的应用分析[J].岩土工程学报，2010（32）：331-334.

[2]何顾华，杨斌.深基坑护坡桩土压力的工程测试及研究[J].土木工程学报，1997，23（1）：16-24.

[3]刘钊.双排支护结构分析及试验研究[J].岩土工程学报，1992，14（5）：76-80.

[4]黄强.护坡桩空间受力简化计算方法[J].建筑技术，1999（6）：43-45.

[5]文罕.北京地铁回龙观东大街站深基坑支护结构优化设计研究[硕士学位论文].吉林：吉林大学，2009.

[6]Riehard，L.H.The arch in soil acrhing[J].Jounral of GeoetehnicalEngineering，1985，111（3）：302-318.

[7]wang，W.L.&Yen;，B.C.soil arching in slopes[J].Journal OfGeotechnical Engineering division，ASCE，1974，104（GT4）：493-496.