设计参数对深基坑双排桩支护结构影响的数值分析

欧孝夺， 谭智杰， 罗方正， 江 杰*， 梁亚华

(1.广西大学土木工程学院， 南宁 530004； 2.广西大学工程防灾与结构安全教育部重点实验室， 南宁 530004；3.广西金属尾矿安全防控工程技术研究中心， 南宁 530004； 4.中国建筑第八工程局有限公司， 南宁 530000)

随着中国经济的快速发展和城市化进程的加速，大量的高层、超高层建筑以及城市地铁隧道工程如雨后春笋般涌现，从而深基坑工程面临的问题也不断增多。双排桩支护结构与其他基坑支护结构相比，其侧向刚度大，是由前排桩、连梁、后排桩组成的一个整体的门架式结构，具有更大的可支护深度，无需设置内支撑、不受建筑红线的限制[1]等优点。

目前，中外学者已经对双排桩支护结构进行了大量的研究，文献[2-3]通过数值模拟的方式研究排桩间距及排桩深度对支护效果的影响，Zhao等[4]使用FLAC3D有限元软件研究了无连梁的双排桩支护结构在基坑开挖过程中的受力特性与变形规律，蔡袁强等[5]基于平面应变线性有限元法，编制了基坑开挖的有限元程序，研究了双排桩支护结构的影响因素，得出了双排桩排距为4倍桩径时，双排桩支护效果最佳；陆培毅等[6]使用有限元软件对比分析了在修正剑桥模型中双排桩支护与单排桩支护的支护效果，并得出经济合理的双排桩适宜排距为2～2.5倍桩径；杨德建等[7]通过ANSYS有限元软件，对桩顶连梁铰接情况下的双排桩与单排桩进行对比分析，得出了连梁能够把双排桩与土进行协同作用，提升了整体刚度。李立军等[8]结合工程实践，通过有限差分数值计算软件研究了深基坑双排桩支护结构弯矩与变形的分布特征；崔宏环等[9]运用数值模拟软件研究了双排桩支护结构在深基坑开挖过程中对基坑稳定和变形的影响，并提出了有效的控制措施；李松等[10]依托某工程对双排桩与单排桩多级支护结构进行了数值模拟，深入研究了双排桩与单排桩进行多级组合在基坑开挖时的变形特性和稳定性；杨卓等[11]研究了双排桩在临近高层建筑的基坑中的支护性能，认为双排桩在场地空间受限的基坑工程中具有较高的可靠性和适用性。史海莹等[12]采用ABAQUS有限元软件对双排桩支护进行数值模拟分析，得出被动区土体模量对双排桩桩顶位移影响最大。庞建国等[13]通过研究加固被动区土体，发现此举减小双排桩位移，提高支护结构稳定性。文献[14-15]还依据相应工程背景，研究了地面超载、土体含水率等因素对双排桩基坑稳定性的影响。

双排桩支护结构正越来越广泛的使用在深基坑工程之中。但是双排桩的支护机理及结构设计参数敏感性的相应研究尚少。以某深基坑工程为实际案例，通过有限元软件ABAQUS进行数值模拟，将数值模拟结果与现场实测数据对比分析了双排桩支护结构的位移变形特性，研究改变双排桩设计参数对支护效果的影响，为实际工程应用提供参考。

1 工程概况

该基坑工程位于广西南宁市轨道交通4号线那洪立交站围合区，围合区位于那洪立交站西北象限，包含1号风亭组、1号下沉广场、2号下沉广场和地铁配套区。1号风亭组基坑深度约13.35 m，1号下沉广场基坑深度约14.05 m，2号下沉广场基坑深度约14.55 m，地铁配套区基坑深度为12.17～13.35 m。围合区基坑安全等级为二级，基坑开挖深度大，基坑主要采用双排桩+止水帷幕+坑内疏干井的支护形式。

双排桩支护结构位于2号下沉广场区域，基坑开挖深度14.55 m，其中包括2.8 m高1∶1放坡段，基坑底以上双排桩支护高度为12.75 m，连梁高度为1 m，桩身嵌固深度为10.5 m，总桩长22.3 m。双排桩支护断面图如图1所示。

图1 双排桩断面图Fig.1 Cross-section diagram of double-row piles

2 双排桩支护结构数值模拟

2.1 基本假设

(1)假设基坑开挖过程中止水良好，因此不考虑地下水渗流作用对土体的影响。

(2)假设前、后桩与连梁的连接为刚接。

2.2 模型建立

根据工程相关资料，基坑开挖深度为14.55 m，基坑宽度为50 m，有限元模型取开挖区域的1/4，考虑计算精度与影响范围，根据工程经验，整体模型的水平边界至基坑边的距离应为3～5倍基坑深度，竖向边界至基坑底的距离应为3～4倍基坑深度，所以整体模型的尺寸定为100 m×100 m。整体模型建立如图2所示。

图2 整体模型示意图Fig.2 Schematic diagram of overall model

2.3 参数设定

2.3.1 双排桩的参数

双排桩采用实体单元模拟，基坑底以上双排桩支护长度为11.75 m，嵌固深度为10.5 m，总桩长22.3 m。其余参数见表1。

表1 双排桩参数Table 1 Parameter of double row pile

2.3.2 桩顶连梁参数

根据工程有关资料，前后排桩桩顶由连梁连接，连梁为高度1 m的厚混凝土板结构。其他参数见表2。

表2 连梁参数Table 2 Parameter of coupling beam

2.3.3 岩土参数

土体本构关系采用Mohr-Coulomb模型，根据工程有关勘察资料，双排桩支护断面各层岩土的参数见表3。

表3 土体参数Table 3 Parameter of soil

2.4 边界条件及荷载

(1)整体模型的顶面为自由面，底面设置X、Y、Z三个方向的位移约束，X方向的两面设置X方向的位移约束，Z方向设置X、Y方向的位移约束。

(2)模型所施加的荷载分为两部分，一是土体与支护结构的自重，二是模拟施工超载，在支护结构后侧土体表面施加5 kN/m的均布荷载。

3 监测结果与数值模拟分析

3.1 双排桩的位移

监测工作伴随基坑开挖的整个过程。根据监测记录知，本次监测工作始于2019年11月4日，结束于2020年3月8日。考虑到为了避免空间作用效应和土层变化对于基坑支护作用的影响，选取基坑中间部位监测点及靠近已有钻孔的监测点。

双排桩支护结构桩顶水平位移监测结果如图3所示，至监测结束时，最大桩顶水平位移为15.61 mm。利用工程实例的设计参数输入数值模型，将得出的桩身位移曲线与监测数据绘出对比如图4所示。

图3 桩顶水平位移监测数据Fig.3 Horizontal displacement monitoring data of pile top

图4 桩身水平位移曲线Fig.4 Curve of horizontal displacement of pile body

数值模拟结果显示，桩顶水平位移为17.69 mm，与监测结果最大桩顶水平位移15.61 mm相差不大，说明数值模拟的结果与工程实际情况是相符的。由图4可知，前后排桩桩身水平位移均呈沿深度方向减小的规律，由于前后排桩与连梁形成一个门架式结构，连梁起到了协调位移的作用，所以桩顶水平位移大小几乎相同。桩身底部，由于位于滑裂面以下，后排桩受到桩间土约束作用，而前排桩桩前因基坑开挖而形成临空面，受到桩间土体与坑底土的作用，位移相对后排桩桩身位移更大。

3.2 双排桩的弯矩

双排桩的弯矩数值模拟结果曲线见图5，前后排桩的弯矩变化趋势大致相同，都呈现为S形，都于基坑底部附近出现反弯点，表明连梁起到了约束变形的作用，前排桩的反弯点相对于后排桩要更低，因为处于滑裂面以上的前排桩长度要大于后排桩，从而前排桩阻止土体位移的深度要大于后排桩；前后排桩弯矩最大值均出现在基坑开挖面以上，符合开挖段变形大于嵌固段变形的实际情况。

图5 双排桩弯矩图Fig.5 Bending moment diagram of double row pile

4 双排桩支护结构设计参数影响分析

为研究双排桩支护结构的设计参数对双排桩支护结构的支护效果影响，从以下几个方面进行数值模拟分析：①双排桩前后排距；②双排桩桩径；③双排桩桩身刚度；④双排桩连梁高度。为双排桩支护设计与工程应用提供参考。

4.1 排距变化的影响

仅把双排桩排距作为变量，基坑开挖深度为11.75 m，排距分别取2D、3D、4D、5D、6D、7D(D为桩的直径，D=0.8 m)，即1.6、2.4、3.2、4、4.8、5.6 m。

不同排距的前后排桩身水平位移结果整理如图6所示，前后排桩排距对桩身水平位移影响较大，排距越大，桩身最大水平位移也就越小，表明前排桩受到后排桩的牵拉作用越强。当排距为2D、3D时，前、后排桩的位移比之排距为4D时有较大差异，表明排距过小时，前后排桩支护结构共同限制土体位移的作用不明显，当排距为4D～6D时，桩身水平位移持续减小，分别减小了31%、14%与22%，减小的幅度趋于稳定，说明此时前后排桩协同作用效果最大；当排距为7D时，桩身水平位移则比排距为6D时更大，说明排距过大时，后排桩的牵拉作用已经很弱，甚至不起作用。综上所述，影响双排桩支护效果的最佳排距应为4D～6D。

图6 不同排距下前后排桩水平位移Fig.6 Horizontal displacement of front and back row pile under different row spacing

4.2 桩径变化的影响

仅把双排桩桩径作为变量，基坑开挖深度为11.75 m，排距2.4 m，桩径分别取0.5、0.8、1、1.2 m。

图7为前、后排桩不同直径下桩身的水平位移图，可知，桩的直径越大，前、后排桩的水平位移越小。当桩径为0.5 m时，桩顶水平位移达到30.8 mm，相较于桩径0.8 m时增大了75%，位移大幅度增大，说明当桩径过小时，双排桩整体刚度不足，易造成基坑失稳；当桩径增大为1 m与1.2 m时，桩身水平位移减小，桩顶水平位移分别为14.08 mm与11.67 mm，减小幅度分别为19.8%与17.1%，减小幅度趋于一致，此时桩径对桩身侧移的影响敏感度已经很低，在成本允许的情况下，可以适当增大桩径。

图7 不同桩径下前后排桩水平位移Fig.7 Horizontal displacement of front and back row piles under different pile diameters

4.3 桩身刚度变化的影响

仅把桩身刚度作为变量，即改变双排桩的弹性模量E，双排桩的惯性矩I不变，基坑开挖深度为11.75 m，排距2.4 m，桩身刚度分别取0.5EI、EI、2EI、4EI、6EI。

桩身刚度变化对前后排桩桩身水平位移影响曲线如图8所示，当桩身刚度增大时，桩身水平位移呈减小的趋势，当桩身刚度为2EI时，桩顶水平位移为15.3 mm，相较于桩身刚度为EI时减小13%，说明适当增大桩身刚度，可以一定程度的减小双排桩的水平位移，当桩身刚度为4EI与6EI时，桩身水平位移曲线基本一致，说明桩身刚度增大至一定程度后，减小桩身水平位移的作用则变得微乎其微。

图8 不同桩身刚度下前后排桩水平位移Fig.8 Horizontal displacement of before and back row pile under different stiffness of pile body

4.4 连梁高度变化的影响

仅把连梁高度作为变量，基坑开挖深度为11.75 m，排距2.4 m，连梁高度分别取0.5、1、1.5、2 m。

连梁高度变化对双排桩水平位移的影响曲线如图9，连梁高度增加，双排桩桩身水平位移呈较小的趋势，当连梁高度为0.5 m时，相较于连梁高度为1 m，桩顶水平位移增大了28%，而连梁高度为1 m时，桩顶水平位移只比连梁高度为1.5 m时时增大了12%，说明连梁高度不宜过小，连梁高度过小即连梁截面抗弯刚度过小，此时连梁对前后排桩的协同作用大幅度减弱，从而导致位移增大；连梁高度为1.5 m时，桩顶水平位移相较于连梁高度为1 m时减小了12%，连梁高度为2 m时，桩顶水平位移相较于连梁高度为1.5 m时减小了13%，减小幅度基本一致，说明当连梁高度大于1 m时，增大连梁高度对增强支护效果的作用有限。

图9 不同连梁高度下前后排桩水平位移Fig.9 Horizontal displacement of before and back row row piles at different coupling beam heights

5 结论

以广西南宁轨道交通4号线围合区深基坑工程为依托，通过数值模拟软件建立数值模型，利用数值模拟结果与工程实测数据对比分析了双排桩支护结构的位移与变形规律。通过改变双排桩支护结构的排距、桩径、桩身刚度、连梁高度，研究设计参数的改变对支护效果的影响，得到以下结论。

(1)双排桩排距的改变对双排桩支护效果影响较大，随着排距的增大，桩身最大水平位移随之减小，当排距达到6倍桩径时，再增大排距，桩身最大位移不再减小，双排桩支护结构的最佳排距为4～6倍桩径。

(2)随着双排桩桩径的增大，桩身最大水平位移随之减小，双排桩桩径过小时，双排桩整体刚度不足，对支护效果影响较大，当桩径大于1 m时，对支护效果的提升幅度则很小，在成本允许的情况下，可适当增大桩径。

(3)桩身最大水平位移随着桩身刚度的增大而减小，桩身刚度增大至6EI时，桩身水平位移曲线已基本不变，桩身刚度增大至一定程度后，对双排桩支护效果提升有限；同样的，当连梁高度大于1 m时，连梁高度的增加对双排桩支护效果提升有限。