门架式双排桩结构受力分析

高 乐

（中国铁路设计集团有限公司 天津300251）

0 引言

近年来，位于丘陵地区的城市轨道交通建设工程迅速发展，其带来的边坡高度和范围越来越大，加上城市建筑密集、周围管线纵横交错以及地下结构工程毗邻，使得边坡工程越来越复杂，且伴随着建筑红线要求更为严格，施工场地更紧张以及需耍考虑环境效应等问题［1-4］。

门架式双排桩支护结构因能较好地克服上述边坡工程问题，同时具有整体刚度大、减少设置或无需锚索、施工方便、克服建筑红线限制和施工场地紧张问题等优点，在越来越多的工程中得以推广使用［5-10］。本文依托深圳市轨道交通10 号线工程某车辆段边坡工程，通过数值模拟方法，分析了门架式双排桩的结构受力情况及影响因素，研究成果可供同类工程参考借鉴。

1 工程概况

1.1 场地条件

拟建深圳市轨道交通10 号线工程某车辆段边坡原始地貌为丘陵，车辆段因场地平整需要，在场地西端形成高堑坡，同时场地西侧紧邻二级水源保护区，距离车辆段边界很近，高堑坡工程处理空间极其有限。

1.2 不良地质

西侧边坡由大量填土堆填而成，回填土成份复杂，土质不均，由黏性土、碎石、和建筑垃圾组成。填土的分布区域和厚度有很大的不均匀性，局部区域回填厚度大。

1.3 设计方案

方案上部采用放坡处理，对填土土体进行加固，坡脚采用门架式双排桩收坡的设计思路。

边坡分级开挖，每级开挖高度8 m，坡率1∶1.5～1∶2.0。边坡填土采用注浆锚管+框架梁进行加固，锚管采用钻机成孔，采用钢管压力注浆，注浆材料采用水泥为主剂的浆液加固，采用多次注浆，注浆深度为10～25 m，钢管留在土体中作为加筋体，钢管布置在框架格梁的节点位置，与边坡表面的框架梁形成整体。

第一级支挡均采用门架式双排桩支挡结构收坡，排桩采用1.5 m 桩径，间隔1.7 m 布置，桩顶设置冠梁及联系梁，连接排桩顶部。冠梁及联系梁宽2.0 m，高1.0 m，浇注成整体。同时用直径0.6 m 的旋喷桩对桩前嵌固点以下土体进行加固，改善土体性质，提高水平抗力。

2 有限元模型建立

采用MIDAS-NX 软件研究门架式双排桩的结构受力及影响因素，建立模型进行分析。

2.1 模型参数

本文选择各向同性的线性弹性材料模拟钢筋混凝土结构，采用修正的Mohr-Coulomb 弹塑性材料模拟土体（见图1、图2、表1）。桩身及连系梁为各向同性均质线弹性体，采用梁单元模拟（见表2）。

图1 车辆段典型断面Fig.1 Typical Section of Depot

图2 有限元模型几何尺寸示意图Fig.2 Finite Element Model Geometry Size Diagram（m）

表1 岩土材料参数Tab.1 Parameter of Geo-technical Material

表2 结构材料参数Tab.2 Parameter of Structure

2.2 分析时步

本算例共分六个分析步：

第一步，激活所有土体单元、边界条件及荷载，并进行位移清零，使激活单元具有初始自重应力，初始应变近似为0。

第二步，激活双排桩及联系梁单元，模拟双排桩施工。

第三步～第六步，分四步进行开挖，每次挖深2 m，通过钝化使开挖单元失效。

3 计算结果分析

3.1 剪力分析

图3 为双排桩剪力云图，从中可以发现前后桩剪力值较大区域均集中在嵌固点高度附近。

图3 双排桩剪力云图Fig.3 Shear Nephogram of Double-row Piles

图4为前、后排桩桩身剪力沿深度变化曲线。图4中，桩身剪力随着开挖深度的增加变化规律相似。在嵌固点位置高度，前排桩桩身剪力最大值764.06 kN，后排桩桩身剪力最大值199.41 kN。前排桩桩身最大值大于后排桩。

图4 桩身剪力Fig.4 Shear of Pile

3.2 弯矩分析

支挡结构受力分析过程中，支护结构抗弯能力也是一个十分重要的指标，因此在本次数值模拟中对支护桩的弯矩进行了计算分析。

图5 为双排桩弯矩云图，前、后排桩桩身弯矩呈S型分布，前桩弯矩变化幅度较大。

图5 双排桩弯矩云图Fig.5 Bending Moment Nephogram of Double-row Piles

图6 为前、后排桩桩身弯矩与深度关系曲线。前排桩桩身正弯矩最大值出现在嵌固点以下1～2 m 处，为1 269.34 kN·m。最大负弯矩为发生在桩顶以下3～4 m 处，其绝对值为1 652.78 kN·m，负弯矩绝对值要大于正弯矩；后排桩正弯矩最大值出现在桩顶，为1 286.98 kN·m，最大负弯矩则出现在嵌固点以下5～6 m处，其绝对值为596.42 kN·m。

图6 桩身弯矩Fig.6 Bending Moment of Pile

前排桩桩身弯矩曲线变化幅度较大，这是由于前排桩悬臂端临空，针对嵌固点以下土体采用了咬合旋喷桩加固提高桩前土体抗力，外部约束条件突然改变造成；后排桩整体位于土体中，桩身弯矩曲线变化相对比较圆润。

经过对内力及弯矩的对比分析，可以发现前桩承担了更大的剪力与弯矩，在设计过程中应对前桩进行针对性加强。

4 双排桩设计参数对内力影响的分析

影响双排桩支护结构内力分布的因素有很多，主要有双排桩的排距、单桩桩径、桩间距、桩长、连梁尺寸、土体的性质等。采用控制变量法，通过改变单一的影响因素来分析双排桩桩径、排距、桩长对支护结构的变形和内力的影响。

4.1 桩径变化的影响

双排桩支护结构的桩径也是影响到工程成本与工程安全的重要因素之一，在保证安全的前提下，桩径越小越经济。其他设计参数保持不变，桩径选择0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.5 m进行分析。

图7a为桩径对前桩内力的影响，分析了前桩桩径分别为d=0.8 m、d=1.0 m、d=1.2 m、d=1.5 m 时，弯矩值的变化情况。从变化曲线可以发现，前桩弯矩随着桩径加大而变大。从图中还可以看出，最大正弯矩位置随着桩径增大而变深。

图7b则模拟了后桩桩径分别为d=0.8 m、d=1.0 m、d=1.2 m、d=1.5 m时，弯矩值的变化情况。后桩最大正弯矩位置均发生在桩顶位置，随着桩径加大，弯矩变大。桩径变化对桩身弯矩有较大影响，桩径越大，整个门架式双排桩结构体系刚度越大，从而桩身弯矩越大。

图7 桩径变化对桩身弯矩的影响Fig.7 The Influence of Pile Diameter Change on Bending Moment of Pile

4.2 排距变化的影响

双排桩支护结构设计中排距是一项的重要的设计内容，排距的选择直接影响着桩体和桩间土是否共同作用。排距过小或过大时，双排桩不能很好的发挥空间效应。目前普遍认为排桩间距为3d～5d比较合理。这里选取排距B=5 m、B=6 m、B=7 m进行分析。

从图8可以看出，随着排距的不断增大，前排桩上部的最大负弯矩绝对值和下部正弯矩不断减小。故适当增大排距可以减小桩身内力。边界条件不受限的时候，建议适当增大排桩间距。

图8 排距变化对前桩桩身弯矩的影响Fig.8 The Influence of Row Spacing Change on Bending Moment of Front Pile

4.3 桩长变化的影响

在其他条件不变的前提下，分析双排桩桩长变化对支护结构内力的影响，桩长L取值分别为16 m、20 m、24 m。

图9 桩长变化对前桩桩身弯矩的影响Fig.9 The Influence of Pile Length Change on Bending Moment of Pile

由图9 可知，增加排桩的长度，前后排桩的最大正弯矩及最大负弯矩绝对值均略有增加，幅度很小。故排桩嵌固比大于1∶1 时，通过增加桩长来调整支护结构内力时，效果不明显。

5 结论

通过有限元MIDAS∕NX 软件建立了双排桩支护结构的数值模型，对开挖过程中双排桩支护结构的受力情况进行了分析，同时还研究了双排桩设计参数对支护结构内力的影响，获得以下主要结论：

⑴前后排桩桩身弯矩呈左右镜像的S 型分布，在前排桩桩顶以下3～4 m 处负弯矩达到最大，在嵌固点以下1～2 m 处出现正弯矩最大值；后排桩正弯矩最大值出现在桩顶，最大负弯矩则出现在嵌固点以下5～6 m处。

⑵由于前排桩悬臂端临空，桩前土体抗力通过咬合旋喷桩加固得到了提高，外部约束条件的突然改变，使得整个门架式双排桩支挡结构受力体系中，前排桩承担了更大的剪力与弯矩，结构设计过程应对予以加强。

⑶桩径与桩身弯矩呈现正相关关系，随着桩径增大，桩身弯矩也增大。

⑷随着排距的不断增大，前排桩上部的最大负弯矩绝对值和下部正弯矩不断减小。适当增大排距可以减小桩身承受的弯矩。

⑸排桩嵌固比大于1∶1 后，改变排桩桩长对桩体内力影响较小。

支挡结构形式的选取需结合场地边界条件、地质情况，及边坡加固方案综合考虑选取，门架式双排桩支挡形式体现高结构刚度的优势，同时还可以根据改变排距、桩距来适应不同场地要求，符合城市轨道交通建设过程中对于支挡结构在“小空间范围内解决大高差”的要求。