深基坑开挖双排桩支护结构优化设计研究

刘 坚

(山西省交通新技术发展有限公司，太原 030032)

0 引言

随着我国对铁路、隧道、桥梁以及城市建筑等级要求不断提升，深基坑支护结构设计显得尤为重要[1]。 双排桩支护结构因具有良好的空间结构性、 整体刚度大和抗弯性强等特点，逐渐在基坑支护工程中得到广泛应用[2]。 由于双排桩支护结构还存在许多设计不合理、 以及安全性和经济性不协调的缺陷， 导致许多基坑支护效果达不到设计要求，因此如何进一步优化双排桩支护结构，使之达到工程设计要求是当下学者亟需解决的重要课题[3]。目前，国内外学者关于双排桩支护结构展开了大量研究[4]，如王成[5]关于城市交通隧道深基坑双排桩支护结构的计算展开研究，在“分配模型”、“相互作用模型”等两种情况下，采用荷载结构法分别对双排桩进行计算，得出"相互作用模型"计算结果更为合理，对双排桩支护结构的计算具有一定的指导意义。马文龙[6]关于邻近营业线铁路桥墩深基坑支护设计方案进行研究，依据工程实例，对邻近营业线铁路桥墩钢板桩、钻孔桩、双排桩三种类型的基坑进行设计方案探讨， 并利用有限元工具对每个方案进行建模和结构分析，通过比较各方案的优势劣势，给出了推荐的方案，从而为今后同类型工程情况提供了可参考的资料。董必昌等[7]关于双向地震作用下的双排桩边坡参数敏感性展开分析，以门式双排抗滑桩为例，采用有限元软件Ansys 建立仿真模型，通过改变模型中桩长、桩排距、桩间距，以及土的抗剪强度参数，对门式双排桩边坡在双向地震波作用下的受力性状进行了研究。 上述研究主要从双排桩支护结构的计算、 设计方案以及设计参数等方面展开对比分析， 而关于双排桩支护结构的优化设计研究相对较少，基于此，本文以某基坑工程为研究背景，通过对基坑支护结构进行建模分析及优化设计， 以设计值为参照， 对比分析了优化前后双排桩支护结构变形及受力情况，验证了该优化设计的显著效果[8]。

1 工程概况

1.1 基坑结构

以某深基坑工程为例， 该基坑开挖总面积约为31053m2，有效开挖深度在5.2m～9.4m 范围，基坑处于平原地带，地形相对平坦，地面最大标高为27.82m，最小标高26.24m，相对高度差为1.58m。 基坑外围东侧和北侧均为城市主干道公路，西南侧为1～6 层的安置区低楼。该项目规划为高档住宅区，建筑面积约为13620m2，基坑西南角为高层区，设计开挖深度为9.4m，建筑高度约100m，地下设有两层地下室，安全等级为Ⅰ级，东南角为低层区别墅楼，开挖深度为5.2m，基坑北向为广场区，地下设有一层停车场，安全等级为Ⅱ级，基坑设计平面布置如图1 所示。 根据勘测结果显示， 该基坑地质组成由上而下依次为：素填土、黏土、粉质土、砂质土、碎石土及强风化板岩，地下水补给方式以大气降水和地表径流为主， 排泄通过自然蒸发和侧向渗流的方式， 该地地下水位和降水量均随季节交替而变化，平均变幅为1.5m。

图1 基坑设计平面布置图

表1 土体物理参数

1.2 支护设计

该基坑设计安全等级为Ⅰ级，对变形控制要求严格，支护形式可选择桩+内支撑和桩锚支护两种要求较高的方案，但受地理条件限制，基坑边界距离周边环境较近，无法保证桩锚支护方案正常施工。 由于基坑设计分为高层和地层两大区域，若单一采用桩+内支撑方案，虽然有效的控制了基坑变形，却增加了工程造价和施工周期。双排桩支护结构是一种新型支护形式，侧向刚度大，可以有效控制变形，双排桩间距可以根据施工环境灵活安排，减少对周边建筑和道路的影响。综合考虑，设计对高层区边角区域采用桩+内支撑方案，与低层区交接区域采用双排桩支护方案， 以保证高低层连接区域支护形式的合理分配。 桩+内支撑采用桩径为1000mm 的钻孔灌注桩，间距为1.4m，桩长为16m，角支撑间距为6.5m。 双排桩支护结构前排桩采用桩径为800mm 的钻孔灌注桩， 间距为1.1m，后排桩桩径为800mm，间距为2.2m，桩长为16m，排间距为3.5m，连梁采用1000×800mm 钢筋混凝土，上部均设置1m 厚挡墙。 双排桩支护结构截面如图2 所示。

2 建模与分析

2.1 有限元模型

为研究该支护设计对双排桩支护结构变形及内力的影响，通过运用有限元软件MIDAS/GTS 分别建立基坑土体及双排桩支护结构数值模型，模型中共包含3576 个单元，2843 个节点，其中土体单元2042 个，桩单元1534 个，模型网格划分如图3 所示。

图2 双排桩支护结构示意图

图3 土体及双排桩支护结构模型

模型中前、后排桩、连梁以及土体均采用梁单元进行模拟，为防止支护结构在模拟分析过程中发生过大变形，前、后排桩以及连梁均视为弹性材料，土体视为摩尔-库仑弹塑性材料，支护桩与连梁之间采用连续单元，网格划分靠近双排桩支护结构区域比较紧密， 较远区域网格划分较疏，以确保计算结果的准确性。

模型简化说明： 为分析设计参数对支护桩的位移和弯矩的影响，仅截取某段基坑支护结构展开分析；采用梁单元来模拟桩的位移和弯矩变化； 不考虑地下水渗流以及挡墙的影响； 连梁视为受拉构件， 根据面积折算为薄板；土体变形忽略不计。 边界条件：对模型底部竖向位移及侧向水平位移进行约束，其他界面均为自由界面。支护桩、连梁结构参数如表2 所示。

表2 土体物理参数

2.2 结果分析

运用结构分析软件建立基坑某一断面双排桩支护结构数值模型，模拟分析了该断面前、后排桩水平位移以及弯矩值的变化规律， 并与双排桩支护结构原设计值进行比较， 以确定采用该设计参数的双排桩支护效果是否满足相关规范要求，具体分析过程如下。

(1)双排桩水平位移设计值与模拟值变化曲线如图4所示：

图4 双排桩水平位移变化曲线

根据图4 可知， 双排桩支护结构中前排桩水平位移模拟值与设计值相差较大，最大偏差发生在桩顶位置，偏差了约2.8mm，由桩顶向桩中位置移动，水平位移偏差值不断减小，在桩中位置模拟值与设计值非常接近，由桩中向桩底移动时，水平位移偏差值逐渐增大，在桩底模拟值比设计值大了约2mm，说明该支护方案对前排桩桩顶和桩底的影响较大。 后排桩水平位移变化趋势与前排桩大致相似，靠近桩顶和桩底水平位移偏差值较大，模拟值比设计值分别大了约4.6mm 和2.8mm， 后排桩水平位移偏差值均要大于前排桩， 说明该支护方案对后排桩变形的影响要大于前排桩。

(2) 双排桩弯矩设计值与模拟值变化曲线如图5 所示：

图5 双排桩弯矩变化曲线

根据图5 可知， 双排桩支护结构中前排桩弯矩模拟值与设计值相差较大，最大偏差发生在桩中位置，由设计值的95.9kN·m 变成了模拟值的-71.3kN·m， 偏差约166kN·m，且受力方向也发生了变化。 由桩顶向桩长13m移动时，弯矩的偏差值先增大后减小，在桩长13m 位置模拟值与设计值非常接近，由桩长13m 位置向桩底移动时， 弯矩偏差值逐渐增大， 在桩底模拟值比设计值大26.6kN·m， 说明该支护方案对前排桩上半段的弯矩影响较大。后排桩弯矩变化趋势与前排桩大致相似，在桩中位置支护桩受力方向发生了变化， 但变化幅度要小于前排桩， 模拟值弯矩最大值出现在桩顶， 与设计值偏差约156.8kN·m，由桩顶向桩底移动时后排桩弯矩模拟值与设计值的偏差值逐渐减小，在桩底位置基本重合，说明该支护方案对后排桩的受力影响较大。

3 优化设计与效果分析

3.1 优化设计

根据分析结果发现双排桩按原设计参数进行支护时，前、后排桩的水平位移和弯矩值均与设计值发生较大偏离，不利于基坑结构稳定性。

根据对周边环境的勘测， 高层区地下室南侧距离公路最近距离为9.5m，东侧邻近低楼房屋群，且最近距离仅4.9m，若在高层区坑角60 左右区域直接采用桩+内支撑支护形式，东南两侧内支撑支护施工过程会比较困难，同时还会增加施工成本和施工工期， 对周边环境的影响也会随之增大，因此为提高施工质量和施工效率，现针对支护结构进行以下优化：1)将原设计的桩+内支撑方案变更为双排桩支护；2)将原双排桩支护结构中，前排桩桩径由原设计的800mm 增至1000mm， 间距由1.1m 增至1.3m， 后排桩桩径由800mm 增至1000mm， 间距由2.2m减至1.95m，桩长由16m 增至18m，排间距由3.5m 增至4m，保持其他参数不变。

3.2 效果分析

优化后对双排桩支护结构进行建模分析， 将优化后的支护桩设计参数重新导入计算模型中， 土体和材料参数保持不变，并针对双排桩支护结构设计值、原方案以及优化方案的前、后排桩水平位移及弯矩进行对比分析，以确定采用优化方案后双排桩的支护效果是否得到提升，具体分析过程如下。

(1)双排桩支护结构设计值、原方案及优化方案水平位移变化曲线如图6 所示：

根据图6 可知， 优化后前排桩桩顶最大水平位移偏差值由原来的2.8mm 减小到了1.2mm， 桩顶最大变形减小了约57%，桩底最大水平位移偏差值由原来的2mm 减小到了0.8mm，桩底最大变形减小了约60%，说明优化后前排桩水平变形得到了有效控制， 前排桩水平位移变化与设计值更为接近。 优化后后排桩桩顶最大水平位移偏差值由原来的4.6mm 减小到了1.2mm， 桩顶最大变形减小了约74%， 桩底最大水平位移偏差值由原来的2.8mm减小到了1.6mm，桩底最大变形减小了约43%，后排桩水平位移变化趋势与设计值更为接近， 说明该优化方案可以有效减小双排桩支护结构的水平变形， 更验证了该优化方案的优良效果。

(2)双排桩支护结构设计值、原方案及优化方案弯矩变化曲线如图7 所示：

图7 优化后双排桩弯矩移变化曲线

根据图7 可知， 优化后前排桩桩中弯矩最大偏差值由原来的166kN·m 减小到101.6kN·m， 桩中最大受力减小约38.5%， 前排桩其他位置弯矩值均得到不同程度减小，受力情况相对与原方案更接近于设计值，说明该优化方案有效减小前排桩弯矩值， 使得支护桩整体受力更为均匀。 优化后后排桩桩顶弯矩最大偏差值由原来的156.8kN·m 减小到了61kN·m， 桩顶最大受力减小了约60%，后排桩其他位置弯矩值均得到不同程度减小，受力情况相对与原方案也更接近于设计值， 说明该优化方案也有效减小前排桩弯矩值， 且对改善后排桩受力分布效果更为显著。综上所述可知，优化后的支护桩设计参数对减小双排桩支护结构的变形及受力能够起到显著效果，更有利于维护基坑结构的稳定性。

4 结论

本文通过对某基坑支护结构进行建模分析及优化设计，以设计值为参照，对比分析了优化前后双排桩支护结构变形及受力情况，得到以下主要结论：优化前双排桩支护结构变形及受力情况与设计值偏差较大，前、后排桩水平位移和弯矩值偏差较大； 优化后双排桩支护结构变形及受力情况与设计值偏差显著减小，前、后排桩最大水平变形分别减小了60%和74%， 最大弯矩值分别减小了38.5%和60%，有效控制了基坑结构的变形，以及提升了支护结构受力的均匀程度， 更有利于保证基坑的整体稳定性，表明该方案优化效果优良。