动荷载对双排桩支挡结构的影响分析

朱冬宇，吴大志，单逊

（浙江理工大学 建筑工程学院，杭州 310018）

1 引言

近年来，城市建设快速发展，为了利用好寸土寸金的城市用地，城市建筑逐渐向地下发展，这也导致了现代基坑工程具有“深”“大”的特点。双排桩支护结构由于具有施工方便、变形协调能力强等特点，在施工条件有限的城市深基坑工程中得到广泛应用。由于这些深基坑工程有很多毗邻城市交通的主干道，车辆荷载对基坑支挡结构的影响越来越不容忽视。

汪创【1】、乐金朝【2】等通过数值模拟和工程实测对比，证明了采用半波正弦荷载来模拟交通荷载是可行的。胡谢飞等【3】依托于南京小和山客运站双排桩深基坑支护工程，研究了由城际铁路的行驶速度和作用位置对双排桩支护结构的影响。徐长节等【4】以杭州市某基坑工程发生围檩断裂、基坑塌陷事故为背景，研究了在车辆超载情况下动荷载对围护结构的影响。张向东【5】、张学民【6】等通过软件模拟对比工程实测，研究了支护结构嵌固深度、交通量、车辆行驶速度、车辆作用时间等对基坑围护结构的影响。

在以往的研究中，对于交通动荷载对双排桩支护结构的影响研究较少。本文针对荷载作用位置和荷载值大小，来研究其对于双排桩支护结构内力和变形的影响。

2 工程概况

本工程基坑开挖深度为6m，地面超载取值20kPa。双排桩采用矩形的布置方式，前、后排桩的直径为0.8m，桩间距为1.2m，排距为3m，桩身长度均为16m。基坑施工过程中，工程周边原有道路保持正常通行。土层的物理力学参数及土层厚度见表1。

表1 土层物理力学参数

3 PLAXIS 模型的建立

以该基坑工程H1 段双排桩支护结构上半部的桩身位移数据为基础，采用PLAXIS 3D 有限元软件对该段基坑支护结构进行三维模拟，前、后排桩桩长为16m，桩径为0.8m，桩间距为1.2m，排距为3m 采用Embedded 桩模拟，连系梁截面尺寸为1.2m×0.6m 采用实体单元模拟，有限元模型尺寸为36m×1.2m×34m（长×宽×高）。

现采用PLAXIS 软件模拟基坑开挖到坑底时，双排桩深层水平位移的实测值和模拟值曲线，具体如图1 所示。

图1 桩身位移对比图

前排桩桩身最大位移监测值为12.3mm，有限元模拟值为12.34mm，相差0.81%。后排桩桩身最大位移监测值为12.0mm，模拟值为12.32mm，相差2.26%。从以上数据可以看出，有限元模拟和工程实测结果基本一致，说明采用此有限元模拟分析所得的结果是可信的。

4 数值分析

以此工程案例为基础，借助PLAXIS 3D 软件开展动荷载对双排桩支挡结构的影响研究。在进行动荷载计算时，动荷载的荷载值P0=20kPa，频率ω=4Hz，振幅P=2kPa。

4.1 动荷载值对双排桩支护结构的影响

不同荷载值作用下双排桩桩顶位移见表2，桩身弯矩见图2。

表2 动荷载对双排桩桩顶位移

由表2、图2 可以看出，随着荷载值的增加，前、后排桩的桩身位移和桩身弯矩也逐渐增大。且动荷载作用下对桩身位移和桩身弯矩的影响要大于静荷载。通过计算，荷载值为20kPa 时，动荷载作用下桩身最大位移比静荷载作用下桩身最大位移增加6.63%，前排桩最大弯矩增加1.29%，后排桩最大弯矩增加1.54%；荷载值为40kPa 时，动荷载作用下桩身最大位移比静荷载作用下桩身最大位移增加4.98%，前排桩最大弯矩增加1.24%，后排桩最大弯矩增加1.94%。由此可见，随着荷载值的增加，动荷载作用下双排桩的桩身最大位移和桩身最大弯矩增加的幅度逐渐减小。

图2 动荷载对双排桩桩身弯矩图

通过数据分析得出：荷载值每增加1kPa，桩身最大位移约增加2.17%；前排桩最大弯矩约增加0.80%，后排桩最大弯矩约增加1.15%。

4.2 动荷载作用位置对双排桩支护结构的影响

在不同荷载作用下双排桩桩顶位移见表3，桩身弯矩见图3。

表3 动荷载作用位置对双排桩桩顶位移

图3 动荷载作用位置对双排桩桩身弯矩图

由表3、图3 可以看出，随着荷载作用位置逐渐增大，前、后排桩的桩身位移和桩身弯矩随之逐渐减小。荷载作用位置距离双排桩支护结构2m 时，动荷载作用下比静荷载作用下桩身最大位移增加6.64%；前排桩最大弯矩增加1.31%；后排桩最大弯矩增加1.55%。

荷载作用位置距离双排桩支护结构6m 时，动荷载作用下比静荷载作用下桩身最大位移增加5.69%；前排桩最大弯矩增加1.02%；后排桩最大弯矩增加1.35%。由此可见，荷载作用位置越远，动荷载对双排桩桩身位移和弯矩的影响就越小。这是由于动荷载作用位置越远，由振动引起的附加荷载就越小。

动荷载到双排桩的距离由1/4 倍开挖深度增加到1 倍开挖深度时，桩身最大位移减小约30.6%，前排桩最大弯矩减小约11.37%，后排桩最大弯矩减小约22.7%。

5 结语

本文借助PLAXIS 3D 建立了三维有限元模型，分析了动荷载的荷载值大小和作用位置对双排桩支护结构的影响，通过数值分析，得出以下结论：

1）双排桩支护结构的桩顶位移和桩身最大弯矩随着动荷载值的增加而增大，随着动荷载作用位置的增大而减小。

2）载值每增加1kPa，桩身最大位移约增加2.17%；前排桩最大弯矩约增加0.80%，后排桩最大弯矩约增加1.15%。动荷载到双排桩的距离由1/4 倍开挖深度增加到1 倍开挖深度时，桩身最大位移减小约30.6%，前排桩最大弯矩减小约11.37%，后排桩最大弯矩减小约22.7%。