数值模拟在基坑双排桩支护计算中的应用

彭小毅 高嘉丽 许利东 陈 明

云南建投基础工程有限责任公司 云南 昆明 650501

1 工程概况

云南省昆明市官渡区五里中央商务区（CBD）项目A22地块基坑开挖范围内有部分河道，需在基坑开挖前将河道改移至基坑开挖范围以外。

原地下室结构设计2层，基坑开挖深度约11.22 m，从安全、经济、施工便捷等方面考虑，拟采用双排桩支护，且双排桩上部兼作金汁河河道；后因地下室规划调整，地下室结构由2层调整为3层，基坑开挖深度增加至14.92 m。但原设计双排桩支护结构已施工完毕，因此在原设计双排桩间增加5道预应力锚索以确保基坑开挖过程中的安全性。

2 工程地质条件

本剖面基坑支护范围内主要土层自上而下分别为：①杂填土，松散，以黏性土为主；②黏土，硬塑状为主，局部为可塑状，夹有粉质黏土；③圆砾，稍密-中密状，为冲洪积相沉积物；④黏土，硬塑状，局部可塑；④3泥炭质土，可塑至硬塑，富含有机质、炭质及腐殖质；⑤黏土，硬塑状；⑦黏土，硬塑状；⑦2泥炭质土，硬塑，富含有机质、炭质及腐殖质；⑨粉质黏土，硬塑状，局部坚硬状。

3 设计方案

原地下室结构设计为2层，基坑底标高为1 881.38 m，开挖深度11.22 m。基坑南侧剖面考虑基坑支护及河道改迁，基坑采用双排桩支护，双排桩上部掏土后为改迁金汁河河道，止水帷幕采用普通水泥土搅拌桩。前、后排桩桩径均为0.8 m，桩间距1.3 m，考虑河道净宽，排距为6.5 m。

在原设计双排支护桩施工完成后，地下室结构由2层调整为3层，基坑底标高调整为1 877.68 m，基坑开挖深度增加至14.92 m。经计算复核，桩身抗弯承载力及桩身水平位移均不满足设计要求。结合现场情况，综合考虑基坑“安全、经济、适用”等方面的因素，拟采用“双排桩＋预应力锚索”复合支护形式（图1），其中预应力锚索共5道，自由段8 m，锚固段15 m，总长23 m@2 600 mm，钻孔直径200 mm，预加力200 kN。采用此方案后，基坑顺利开挖到底，各项控制指标均满足规范要求。

图1 基坑复合支护方案剖面示意

4 数值计算结果及分析

4.1 数值模拟参数

方案中，双排桩桩间兼作河道，前排桩上施工5道预应力锚索，此类方案计算模型复杂，传统的计算软件不能建立此类复杂的计算模型，因此采用Plaxis 2D岩土有限元分析软件建模，进行双排桩内力、水平位移及桩后地面沉降计算。

数值模拟计算采用HS模型，HS模型总共包括11个参数。其中3个强度参数为有效黏聚力C、有效内摩擦角φ、剪胀角Ψ；4个基本刚度参数为三轴排水试验的参考割线刚度固结试验的参考切线刚度卸荷再加荷模量刚度应力水平相关幂指数m；4个高级参数为卸荷再加荷泊松比νur、参考应力Pref、破坏比Rf、正常固结条件下的侧压力系数

其中，本项目各土层参数如表1所示[1-4]。

表1 项目各土层参数

4.2 计算模型

根据工程实际情况建立二维平面应变模型，土体采用十五节点三角形单元模拟，双排支护桩及连梁采用梁单元模拟，预应力锚索自由段采用点对点锚杆模拟，锚固段采用土工格栅模拟；基坑开挖外模型尺寸取基坑开挖深度3倍，模型总尺寸为80 m×30 m；基坑外菊苑路道路荷载取35 kPa；模型左右两侧约束水平位移，模型底部约束水平、竖向位移；采用三角形单元进行网格划分，网格划分精度选择中等精度并对支护桩及基坑底部的网格进行加密，以便获得较高的计算精度（图2）。

图2 计算模型

4.3 数值模拟结果分析

考虑实际施工是一个多阶段过程，模型总共分为6个施工工况，分别为：①双排桩及连梁施工→开挖河道施工→第1层土方开挖至－5.5 m→第1道锚索施工→②第2层土方开挖至－7.5 m→第2道锚索施工→③第3层土方开挖至－9.5 m→第3道锚索施工→④第4层土方开挖至－11.5 m→第4道锚索施工→⑤第5层土方开挖至－13.5 m→第5道锚索施工→⑥开挖至坑底－14.92 m。开挖至坑底后支护桩的弯矩图及剪力图如下（图3、图4）。受双排桩排距大及河道开挖的影响，后排桩弯矩小于前排桩弯矩，后排桩弯矩约为前排桩弯矩的1/2，且在总体趋势上有较大的差别。

图3 双排桩弯矩

图4 双排桩剪力

前排桩最大弯矩设计值为358.42 kN·m，后排桩最大弯矩设计值为194.60 kN·m。按照GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》，采用PKPM软件进行配筋验算后，得知已施工双排桩桩身抗弯承载力能满足设计要求。前排桩最大剪力设计值为241.40 kN，后排桩最大剪力设计值为84.06 kN，按照GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》，采用PKPM软件进行配筋验算后，得知已施工双排桩桩身抗剪承载力能满足设计要求。在各开挖工况下，土体深层水平位移及桩后地表沉降如下（图5、图6）。

模拟计算得出基坑开挖到基坑底后，深层水平位移最大值达到20.88 mm，而开挖到底后实际监测的深层水平位移最大值为22.62 mm，两者相差1.74 mm。

模拟计算得出墙后各工况地面沉降呈抛物线形，基坑开挖到底后，最大沉降量发生在距离后排桩外7.46 m处，最大沉降量为29.92 mm；实际监测数据中，最大沉降量发生在后排桩外10.20 m处，最大沉降量为30.82 mm，模拟计算值和监测值比较接近。

基坑开挖到底部后，锚索轴力计算值和监测值对比如表2所示。

图5 深层水平位移

图6 地表沉降量

表2 锚索轴力对比

表2表明：模拟计算值和实测值比较吻合且呈现“中间大，两头小”的趋势，符合基坑开挖锚索内力规律，模拟结果可以用于锚索设计。

5 结语

本文中采用“双排桩＋预应力锚索”这种复合支护形式解决了因基坑开挖深度而导致的原有双排桩不能满足设计要求的难题，且双排桩桩间兼作河道，节省了河道河堤挡土墙，取得了良好的社会和经济效益。

针对本文中如此复杂的双排桩计算模型，传统深基坑支护设计软件已不能满足建模要求，有限元软件恰好能弥补传统软件的这一缺陷。本文基于Plaxis 2D有限元软件，采用土体硬化（HS）模型对复杂双排基坑支护模型的整个施工阶段进行数值模拟，得出支护桩内力、位移及桩后地面沉降值，并与监测值进行对比。

对比结果显示，数值模拟能较好地反映基坑开挖的变形趋势，且数值上与监测值也较好地吻合，证明本文中模拟软件使用正确，参数取值合理，对类似项目具有一定的参考价值。