巢湖软土基坑双排桩支护有限元分析

傅勤安， 钟 炎

（安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230022）

0 引 言

双排桩支护结构是一种新型的支护结构，它是由两排平行的钢筋混凝土桩以及在桩顶的压顶梁和联系梁形成的空间门架式围护结构体系［1］。双排桩利用了“空间效应”，与普通排桩结构相比，它具有较大的侧向刚度，可以有效地限制支护结构的变形；其支护深度较深，还有施工方便、不用设置支撑、整体稳定性好以及节约造价等优点，因而逐渐成为深基坑支护结构的优选方案之一，尤其在软土地区得到更为广泛的应用。为了掌握双排桩支护结构内力和变形特性，主要采用现场监测和数值模拟等方法进行研究。聂庆科等［2］根据实测资料对双排桩支护结构上的截面弯矩、变形和土压力分布进行研究；应宏伟等［3］总结了目前弹性土抗力法的双排桩支护结构的常用计算模型，对比这些模型与实测值的差异，提出较为合理的模型；申永江等［4］对比了锚索双排桩与钢架双排桩的内力分布，得出钢架双排桩能够更好的发挥抗滑效果。本文结合巢湖地区的工程地质特点，采用悬臂式双排桩围护结构对某基坑采用数值模拟的方法进行研究，为巢湖软土双排桩围护结构设计的优化提供参考依据。

1 数值计算模型和土体参数

1.1 计算模型建立

根据巢湖地区岩土工程勘察报告，将基坑土体简化为层，分别为：粉质黏土，厚1.0m；淤泥质粉质黏土，厚10.0m；粉质黏土，厚4.0m；碎石土，厚10.0m；最下一层是强风化砂岩。其中淤泥质粉质黏土对基坑支护设计影响最大。该基坑开挖深度为7m，宽度为30m，场地周围比较开阔，综合分析多种因素，决定采用双排桩支护结构进行设计。

为了掌握双排桩支护结构最大弯矩，基坑最大侧移变形，基坑地表最大沉降等主要性能指标，有限元数值模拟是常用的分析方法。根据双排桩支护结构设计的基本理论和基坑的空间特性，决定采用有限元分析平面应变模型进行研究，如图1所示。有限元模型的计算域为45m×35m，考虑模型四周与相邻土体间有一定的相互约束，模型的边界条件如下：沿着x轴方向的下边界为固定约束；沿着y轴方向的左右两边界为水平约束。

双排桩支护结构前后排桩等长。桩长，排桩间距为2.0m，排距为3.0m；桩的直径为0.8m，弹性模量E0＝3×104MPa，泊松比υ＝0.2。联系梁的直径为0.8m，间距为2.0m，弹性模量为E0＝3×104MPa。

双排桩支护结构有限元模型网格划分如图2所示，土体采用15节点三角形单元，双排桩支护结构采用梁线单元。

图1 双排桩支护结构

图2 有限元网格

1.2 土的本构模型

土体本构模型采用HS弹塑性模型，该模型是等向硬化弹塑性模型。HS模型适合多种土类（软土和较硬土层）的破坏和变形行为的模拟，适合于岩土工程中基坑开挖的模拟［5－6］。

HS模型在进行模拟时主要需要用到如下参数：黏聚力，内摩擦角，剪胀角，泊松比，三轴排水试验的参考割线强度，固结实验的参考切线强度，卸荷再加载模量以及刚度应力水平相关幂指数。其中黏聚力，内摩擦角，泊松比这些参数对于大多数岩土工程师来说都是熟悉的，一般在岩土工程勘察报告中提供。剪胀角在无实验数据时可以采用来选取，刚度应力水平相关幂指数的取值在之间，土质越软，越接近。三轴排水试验的参考割线强度，固结实验的参考切线强度，卸荷再加载模量的选取可按压缩模量按一定比例进行换算［7］。土的参数见表1。

表1 土体计算参数

2 数值计算结果分析

在基坑工程开挖数值模拟中，按照施工工序以及简化计算模型的需要，将整个模拟计算过程分为两个阶段。第一阶段：计算开挖前的初始地应力；第一阶段：分2步开挖，开挖深度为4m和3m。

图3和图4分别表示前后排桩的侧向变形和弯矩图。由图3可知，双排桩支护结构的最大水平位移发生在桩顶部位，并且前后排桩的侧向位移相差很小。最大水平位移大致为122mm。由图4可知，前后排桩的弯矩相差很大。前后排桩桩身受到交变应力，有一个反弯点，前排桩的反弯点大致在基坑开挖面以下1.5m处，后排桩的反弯点大致在基坑开挖面处；前排桩的最大负弯矩发生在桩顶下4m处，大致为270KN·m。后排桩发生在桩顶处，大致为305KN·m；前后排桩的最大正弯矩发生位置大致相同，大致在基坑开挖面以下5m处，大致分别为310KN·m和198KN·m。可见本例条件下前排桩要比后排桩承受更多的土压力，其弯矩整体上大于后排桩。这与文献［2］、［3］中的结论大致吻合，本文有限元模型的建立和参数的选取能够较好地模拟基坑双排桩围护结构性状。

图3 前排桩和后排桩的侧向变形

图4 前排桩和后排桩的弯矩

图5和图6分别表示竖向位移矢量图和竖向位移云图，从图中可以看出双排桩支护结构的最大竖向位移大致发生在坑壁处为89mm，坑后的地表沉降大致成三角形分布，即在坑壁处地表沉降达到最大值，随着距离基坑越远，沉降量逐间减小。

图5 竖向位移矢量图

图6 竖向位移云图

3 结 论

本文通过有限元法模拟了双排桩支护结构，在合理选择土的本构模型的基础上，取得比较令人满意的结果。可以得出双排桩支护结构前后排桩最大正负弯矩、基坑最大侧移变形和基坑地表最大沉降的位置、大小和分别变化规律，为巢湖软土基坑双排桩支护结构设计的优化提供了参考依据。

1 龚晓南.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 聂庆科，胡建敏，吴 刚.深基坑双排桩支护结构上的变形和土压力研究［J］.岩土力学，2008，29（11）：3089－3094.

3 应宏伟，初振环.深基坑带撑双排桩支护结构有限元分析［J］.岩土力学，2007，28（6）：1145－1150.

4 申永江，孙红月，尚月全，等.锚索双排桩与钢架双排桩的对比研究［J］.岩土力学，2011，32（6）：1838－1842.

5 徐中华，王卫东.敏感环境下基坑数值分析中土的本构模型的选择［J］.岩土力学，2010，31（1）：258－264.

6 DRUCKER D C，PRAGER W.Soil mechanics and plastic analysis in limit design［J］.Quarterly of Applied Mathematics，1952，10（2）：157－165.

7 王卫东，王浩然，徐中华.基坑开挖数值分析中土体硬化模型参数的实验研究［J］.岩土力学，2012，33（8）：2283－2290.