双排桩+拉锚支护形式的有限元分析

章万胜

(中国市政工程华北设计研究总院有限公司)

【关键字】双排桩；大角度拉锚；基坑支护

1 引言

近年来，随着国民经济的增长，高层建筑和各类地下工程大量出现，深基坑工程的围护也越来越多的引起工程界的高度重视。双排桩支护结构是近年来在天津市发展较快、应用较多的一种悬臂式支护结构，通过连梁和冠梁形成门式刚架，其变形及内力受连梁与桩顶连接方式以及前后排桩间距的影响较大。在软土地区，采用双排桩支护的深度一般不超过6m，而目前天津地区采用双排桩支护的基坑深度已达10m 左右[1]。双排桩支护结构在山西长治高铁南站与站前停车楼之间得到实质性的应用，双排桩支护结构也是有效地永久结构，通过细致地力学分析和构造处理，使支护结构满足《建筑结构可靠性设计统一标准》GB50068-2018之规定的结构使用50a的设计使用年限。

双排桩支护结构（包括桩间土加固型式）是通过双排桩桩身本身的刚度来控制基坑的变形，当基坑深度较深时通过增加桩径来控制变形，不仅效果不佳且造价昂贵。那么如果能够在双排桩桩顶施加一个约束，则悬臂支护结构的受力及变形性应该能够得到有效的改善。在常规的拉锚结合支护桩的设计中，拉锚与水平地面的角度一般不超过规范要求的15°～25°，导致拉锚的水平长度较大，超越了用地红线所规定的范围。因此，在实际工程应用中受到较大的限制。本文中的拉锚为大角度拉锚，与地面的夹角大于60°，一般情况下可控制在红线内实施。因此，针对以上问题，本文提出了双排桩结合大角度拉锚的设计思路，并进行了有限元模拟分析。

2 基本算例

本次模拟计算的基坑开挖深度为8.0m，双排桩的有效桩长为20.0m，嵌固深度为12.0m，排间距为2400mm，桩间距为1500mm，桩径均为800mm。基坑外超载取值为10kPa，模型内土层分为两层：上部为淤泥质粉质粘土层，厚度H=10m，c=10kpa，φ=10°，γ=18kN/m3；下部为粉质粘土层，厚度H=20m，c=15kpa，φ=25°，γ=20kN/m3。拉锚作用于前排桩间冠梁上，拉锚的水平距离约为7.0m，锚的长度为14.0m，拉锚端部进入好土层。

三维有限元分析软件为ABAQUS，其土体本构模型采用Drucker-Prager模型[2]。模型网格如图1 所示。二维有限元计算软件为PLAXIS，其本构模型为Hardening-Soil 模型[3]，模型网格如图2 所示。

图1 ABAQUS 有限元模型网格图

图2 PLAXIS 有限元模型网格图

3 计算结果分析

根据PKPM 计算结果，纯双排桩支护下，基坑最大水平变形为10.05cm。

3.1 纯双排桩支护计算结果

根据三维有限元软件计算结果可知，本算例使用纯双排桩支护时，基坑的最大水平变形为10.31cm。二维有限元软件计算的结果为10.55cm。从基坑的变形云图中可以看出，基坑开挖对周边环境的影响范围约为基坑深度的2.5 倍（见图3、图4、图5、图6）。

图3 基坑变形云图

图4 双排桩变形云图

图5 二维基坑网格变形图

图6 二维基坑变形云图

3.2 双排桩+拉锚支护计算结果

根据三维有限元软件计算结果可知，本算例使用双排桩+拉锚支护时，基坑的最大水平变形为4.05cm。二维有限元软件计算的结果为4.53cm（见图7、图8、图9、图10）。

从上述分析的结果可以看出，单纯双排桩支护条件下的位移为10cm 左右，当作用拉锚时双排桩桩顶的水平位移最大值仅约为4cm，在拉锚的作用下支护桩的水平位移减少了近60%；同时，由于拉锚的弹性支座的作用，基坑的整体变形随之大幅度减少，单纯双排桩时最大变形近11cm，作用拉锚后为5cm左右，减少了近54%（见图11）。因此，该组合支护形式既不设置内支撑方便施工，又能有效的控制基坑的变形，但目前还仅为理论分析阶段，仍然需要在今后的实际工程中验证并真正在工程中应用。

图7 基坑变形云图

图8 双排桩及拉锚变形云图

图9 二维基坑网格变形图

图10 二维基坑变形云图

4 结语

通过上述分析可知，双排桩支护结构应用于软土地区的较深基坑时会产生较大的变形，不利于周边环境的保护，在实际工程的应用中受到了较大的限制。本文通过采用设置大角度拉锚的措施，改善了双排桩的受力性能和变形特性，使双排桩的水平位移得到了有效的控制。由于大角度拉锚的存在在很大程度上减小了支护桩的最大水平位移，减少量近60%；使得基坑变形减小了约54%，大大降低了该支护结构对周边环境的影响。

图11 水平位移对比曲线

在土质较好，地下水位比较深，一般在支护深度以下地区可以用不同桩径的结构，水平格构冠梁加强灌注桩之间的联系，前排大桩径可达1.2m，后排小桩径一般在0.8m ～1.2m 之间，桩距灵活布置并适当的构造防水措施，是双排桩支护结构变为永久的支挡构筑物。这也是我院把双排桩支护结构在太焦高铁长治南站站前广场与停车楼之间实际应用。