三排桩支护结构力学特性与计算方法研究

田忠青　沈保根

摘 要： 双排桩结构已经逐渐广泛地应用于深基坑工程支护中，但三排桩结构应用仍较少，设计计算时尚无明确的规范可依、无成熟的经验供参考，给工程设计和工程建设带来了诸多困难。依托某市区航道整治工程中采用的新型三排桩围护结构，结合基于反演计算参数得到的三排桩有限元计算结果，以及三排桩结构受力变形机理的探讨分析，研究提出了更符合工程实际的改进理正三排桩计算模型，并对该改进计算模型的土压力分配、前中后排桩土弹簧m值、桩前岸坡的作用方法等进行了探讨，以为高深岸坡工程中三排桩支护结构的合理设计提供参考。

关键词：三排桩；双排桩；设计；计算方法

中图分类号：U443.15 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2016）09-0073-03

在对沿河城市原有航道进行整治和扩建的施工过程中，会面临邻近高层建筑的河道深基坑与河岸高边坡等开挖施工带来的众多不可避免的安全与稳定问题。市区运河工程周边环境复杂，临近密集的高层建筑群，受到严格的场地限制，于是适应性强、刚度大且受力变形合理的多排桩支护阻滑结构得到了较多的应用。但是目前国内外关于双排桩支护结构的支护理论和设计计算方法尚未有成熟统一的认识，关于三排桩的受力变形机理与设计计算方法的研究成果则更是几乎空白。因此探讨岸坡工程中三排桩支护结构的受力变形机理与合理设计计算模型，对指导实际的工程设计与建设有着重要的意义和价值。

由于三排桩支护结构设计无规范可依，缺乏工程实践经验，方案设计与结构抗倾覆验算时，通常采用不能考虑中间一排桩有利作用的保守设计方法。设置三排桩实际上缩短了排桩的间距，增强了三排桩结构整体刚度与空间组合效应，同时影响了桩间土拱效应。因此本文结合工程实际，针对三排桩围护结构高深岸坡工程中普通三排桩围护结构设计计算模型和桩前三角岸坡有利作用等效方法两个方面进行研究，提出更符合实际的修正三排桩计算模型，为高深岸坡工程中三排桩支护结构的合理设计提供参考。

1 工程概况

某运河工程位于长江三角洲河网地区，连接长江与太湖，横跨安徽、江苏、上海两省一市，全长296公里。该运河城区段长约4.3公里，河槽底宽20～25m。因河段断面较窄，为满足限制性III级航道宽度要求，对河道进行扩挖，南岸的防洪墙采取退建。该段上跨多条重要桥梁，防洪墙退建距最近一处高层建筑仅约15米，基坑安全等级及周边环境等级均为一级，地基复杂程度为复杂，基坑监测等级为一级。

2 常用的双排桩计算模型

本文主要借鉴学者们关于双排桩结构的研究成果开展研究工作，常用的双排桩设计计算模型主要包括修正系数模型，等效抗弯刚度模型，土体积比例系数模型，理正双排桩模型，平面杆系有限元模型以及基坑支护规范模型。以下主要总结目前最为常用的理正双排桩模型。

2.1 理正双排桩模型特点

理正双排桩模型是基于经典土压力理论与文克尔假定的计算模型，考虑了冠梁的变形协调作用以及排距对前后排桩土压力分布的影响，计算简便，概念清晰。桩排距越大，后排桩承受的主动土压力越小，最后便成为拉锚式的双排桩。但是，理正模型未考虑前桩-土-后桩的相互作用以及冠梁的空间效应，且当桩嵌固深度较浅时，桩底会发生一定的水平位移而非固定不动。

本文参考工程设计常用的双排桩计算模型，采用平面杆系结构弹性支点法分析三排桩结构的变形与内力，即采用竖向放置的弹性地基梁模拟三排桩围护结构，支撑和锚杆简化为弹性支座，基坑开挖面以下的土体采用弹簧模拟，基坑外侧土压力与水压力作为荷载施加在结构上。工程设计常用的双排桩计算模型包括理正模型与新规范模型，目前均只能用于双排桩结构计算，并未能计算三排桩结构。因此本节结合基于荷载结构模型的平面杆系弹性支点法，对此两种模型进行简单推广后，采用同济曙光有限元正分析软件的杆系结构模型计算结构内力与变形。

2.2 计算结果分析

为分析模型计算结果的准确性与合理性，由理正模型与有限元模型计算结果的对比分析可知：

推广理正模型位移计算结果（7.38mm）与有限元模型（10.52mm）相比略小，内力计算结果较大。理正模型计算主动土压力荷载时，未考虑桩间水泥搅拌桩加固土的有利作用，采用了未加固前的土层参数；其次理正模型是基于荷载结构法计算桩基内力的，将支护结构与土层分开来考虑，支护结构是承载土体，岩土层作为荷载与弹性支撑，未能考虑桩土间的相互作用，而有限单元法的计算理论是基于连续介质力学原理的地层结构法，将支护结构与土层视为一体，共同承受岸坡开挖导致的不平衡土压力。因此理正模型内力计算结果比有限元模型大；

位移较小的原因在于中后排桩内侧弹簧刚度采用经验公式计算会导致约束较为严格，采用对地弹簧模拟会夸大桩间土反力作用，但是两者相差不大，并且理正模型各排桩桩身变形曲线与有限元结果是相符，可以对理正模型进行调整使其计算结果与有限元结果更加吻合，并更加适用于工程设计。

3 三排桩修正计算模型的探讨

理正双排桩模型简单推广后计算得到桩身变形曲线与有限元结果较为相符，内力值较大，一定程度上适用于工程设计，但是变形计算结果仍不太理想。对于环境条件复杂的基坑工程，其设计已由传统的强度控制转变为变形控制[7]，若在进行岸坡工程三排桩设计时，采用简单推广的理正模型必然会得到较为不安全结果。因此本文在三排桩理正模型基础上进行研究和改进，根据依托工程的特点、有限元模型的受力模式以及计算经验，对土压力分配、前中后排桩土弹簧m值与桩前岸坡的作用方法等进行调整，以探讨更为合理的、更符合实际的岸坡工程设计计算的三排桩修正计算模型。

3.1 土压力计算调整

通过有限元模型中桩土间的接触面单元的正应力直观反映出侧向土压力，以此研究有限元模型前、中、后排桩的受力规律。通过分析前排桩基坑外侧侧向土压力值与理论土压力值对比可知：①理正模型在计算主动土压力大小时，为使计算结果偏于安全，不考虑采用水泥搅拌桩加固淤泥质粘土层后土压力的变化，采用原土层参数计算主动土压力，会导致该土层区域三排桩结构受到的土压力比有限元模型大；②三排桩桩间水泥搅拌桩加固深度达到硬土层，理正模型在三排桩结构土压力分配时未能考虑桩间加固土的刚度；③有限元结果表明，中后排桩内力曲线图一致，中排桩内力值比后排桩稍大，表明在前中排排距与中后排排距相等情况下，两个受力机理与位移变形规律相似，且区别于前排桩；理正模型将主动土压力按滑裂土体体积比例分配到前中排桩上，会导致中后排桩的受力模式不一致。

综上，本节对土压力做以下调整：①前排桩承受所有主动土压力，开挖面以上采用主动土压力荷载，开挖面以下采用矩形土压力荷载（分层土则采用分段的矩形荷载）；中后排桩仅作用地面超载引起的侧向土压力荷载，内侧采用土弹簧模拟土抗力；②对前排桩所受主动土压力进行折减，以此考虑桩间搅拌桩的有利作用，折减系数为坑底有限元土压力与理论土压力比值，因此当桩排距为4m时，折减系数为100/136=0.74。

经过土压力分配调整后，中后排桩受力曲线一致且与有限元计算结果相符，但前排桩弯矩尤其负弯矩（坑外弯矩）有明显增加；前排桩桩身最大水平位移为6.89mm，但各排桩桩顶水平位移仅有2mm左右，与有限元计算的桩身变形曲线有所不同，原因在于：模拟中后排桩受到的土抗力采用了对地弹簧，当前后排桩桩排距较小时，约束较为严格，造成土层刚度过大则位移偏小，因此仍需对土弹簧的计算进行调整。

3.2 土弹簧计算调整

调整土弹簧主要从两个方面考虑，包括前排桩桩前岸坡作用方式以及中后排桩内侧弹簧的刚度调整。

（1）桩前岸坡作用方式调整

桩前被动区土体为三角形岸坡，原理正模型考虑方法是将岸坡开挖深度折减1/3岸坡高度的简化方法，但是由于不同岸坡斜率对于三排桩结构的土抗力明显不同，当斜率越小时，岸坡越接近水平，土抗力应该越大；而当斜率越大时，土抗力应该越小，最终失去岸坡的支撑，因此本节考虑通过设置m值经过折减的土弹簧模拟岸坡的抗力作用。经过试算，前排桩岸坡处土弹簧地基土水平抗力系数的比例系数m的折减系数取值为0.2。

（2）中后排桩内侧弹簧刚度调整

当桩排距较小时，桩间土与各排桩的相互作用较大，此时采用经验公式计算弹簧刚度会导致约束较为苛刻，并且桩上部岸坡高度范围内的约束应当更小，为体现随桩间距减少桩间土体抗力减弱的特性，结合有限元计算结果，经过多次试算，得到不同桩排距时中后排桩内侧弹簧刚度的折减系数如表1所示。

4 合理的三排桩修正计算模型

综合对理正双排桩模型的简单推广与计算调整结果，采用以上土压力与土弹簧调整后得到适用于岸坡土方卸载工程的合理的三排桩修正计算模型，称为“三排桩修正模型”，以此对工程设计断面进行计算分析，计算模型如图1所示。

三排桩修正模型与有限元模型计算结果对比如表2所示，可知：

（1） 采用三排桩修正模型计算岸坡工程三排桩结构得到桩身变形结果与有限元计算结果略大，从位移为零处至位移最大点，两种方法得到前排桩变形曲线是一致的，但采用三排桩修正模型得到桩顶处位移值较小，由于连梁与中后排桩的牵引作用导致变形曲线有拐点，计算结果表明三排桩修正模型适用于变形控制的设计方法；

（2） 当三排桩最大侧移值相符时，分析前排桩最大弯矩与最大剪力两个重要的设计值发现，采用三排桩修正计算模型得到的弯矩值比采用有限元计算结果相差不大，表明三排桩修正计算模型适用于强度控制的设计方法。

5 结论

本文采用常用的双排桩计算模型进行初步的分析计算，规范三排桩模型计算得到的变形与内力较有限元模型大得多，与实际不符。理正三排桩模型计算得到的变形值较有限元模型偏小，内力计算结果偏大，但变化趋势一致，更符合实际受力模式。基于理正双排桩模型，调整桩前岸坡作用方式、土压力计算与分配以及中后排桩内侧弹簧刚度后，得到了三排桩修正计算模型，计算得到的桩身侧移与桩身最大内力结果与有限元模型一致，计算模型简单，适用于高深岸坡工程的三排桩支护结构设计，为高深岸坡工程中三排桩支护结构的合理设计计算分析提供参考。

参考文献：

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