前排倾斜双排桩支护性状有限元分析*

马雪兵，余地华，郑 刚，赖国梁，叶 建，黄晓程，程雪松

(1.中建三局集团有限公司工程总承包公司，湖北 武汉 430064； 2.天津大学土木工程系，天津 300072)

0 引言

在当前深基坑行业发展中，深基坑支护设计与施工越来越多地向绿色建造模式发展，圆环撑、钢支撑、可回收支护愈发受到重视，大型深基坑工程支护体系多向节约型支护体系发展，如中心岛法、逆作法等。

现阶段，为实现深基坑无内支撑节约型设计与施工，多采用单排或双排垂直悬臂桩支护，然而常规单排悬臂桩支护深度在5～6m，常规双排悬臂桩支护深度约在10～13m，无法无支撑应用于深度>15m的深基坑工程。倾斜桩较竖直桩可减小桩后土压力，增大桩前土压力，在作为双排桩前桩时，因可提供部分水平抗力，可有效增加支护深度，结合坑内留土，坑顶放坡，形成更深的悬臂支护结构。天津大学郑刚教授团队已通过理论分析和室内模型试验，证实倾斜桩支护较常规竖向垂直桩支护可提高无内支撑式支护深度。

本文主要针对双排桩组合形式，前桩倾斜双排桩材质、倾角，坑内留土高度、宽度等参数对倾斜双排桩支护效果影响进行分析，以对倾斜双排桩支护性质有更深一步了解。

1 岩土参数与建模原则

参考武汉地区某工程地层条件，该地层为武汉长江I级阶地二元地层典型地层分布，土体及材料参数如表1所示。

表1 土体物理力学参数

用二维平面应变模型分析土体开挖过程，排桩按照抗弯刚度等效方法转化为桩墙，简化成桩墙的过程参见《基坑工程手册》(2版)，利用Midas/GTS软件建立平面应变模型，模型范围水平方向80m，深度范围60m，以满足边界条件对基坑变形无影响的要求，模型左右及底部设置固定边界，地表为自由边界。

2 基于倾斜桩的双排桩组合形式支护效果分析

为研究含倾斜桩的双排桩支护体系最优组合形式，在相同桩径、桩长、开挖深度、地层条件下对比各种组合类型的支护效果。本计算模型中，桩径都为1m，桩长都为30m，开挖深度都为12m。

2.1 有限元模型(见图1)

图1 有限元模型

2.2 支护效果分析

开挖至基坑底后不同类型双排桩前桩桩身位移随深度变化曲线如图2所示，前排桩桩身弯矩曲线如图3所示。图中l为桩身点位距离桩顶的距离，L为桩长，u为桩身水平位移，M为桩身弯矩。

图2 开挖12m时不同类型双排桩前排桩桩身水平位移

图3 开挖12m时不同类型双排桩前排桩桩身弯矩

从图2结果来看，5种类型双排桩控制土体变形效果由强到弱的排序为：前后排桩分别外倾15°>前排桩外倾15°>后排桩内倾15°>后排桩外倾15°>双排竖直桩。在开挖至基底后，前后排桩分别外倾15°与前排桩外倾15°时土体变形相差不大，考虑造价、施工难度与所需施工空间等因素，推荐应用前排桩外倾15°这类双排桩支护形式，即前排外倾后排垂直双排桩形式。

从图3结果来看，前桩桩身弯矩出现反弯点位置大约在0.5L～0.6L处，在开挖面以下，反弯点以上桩身后侧受拉，反弯点以下桩身前侧受拉。通过弯矩数值对比可知，前桩倾斜时，前桩桩身弯矩明显减小，对桩身受力有利。综合考虑位移与弯矩数值对比结果与施工难度和造价，推荐采用前桩倾斜后桩垂直的组合形式。

3 材质对前排倾斜双排桩的支护效果影响分析

针对前桩倾斜、后桩垂直双排桩，考虑前排倾斜桩桩体材料对支护效果影响，以寻求桩身材料与施工工艺的相互替代。本计算模型中(见图4)，后桩桩径都为1m，桩间距1.2m，前后桩桩长都为30m，开挖深度都为12m。

图4 前排倾斜双排桩有限元模型

共考虑了5种材质的桩体，分别为PHC管桩、钢管混凝土桩、钢管水泥土桩、钢管桩和混凝土桩(钻孔灌注桩)，具体桩型规格如表2所示。

表2 不同材质桩体参数

具体5种桩的截面尺寸如图5所示。

图5 不同材质前桩大样图

开挖12m时不同材质前排桩桩身位移如图6所示。由图可见，开挖12m时桩身最大位移并不在桩顶，而是在距离桩顶0.3L～0.4L位置处，说明斜桩支护控制土体变形效果类似于带有顶部1道支撑的支护体系。5种材质下，支护效果强弱为：钢管混凝土桩>混凝土桩>钢管水泥土桩>钢管桩> PHC管桩。在12m左右的开挖深度，钢管混凝土桩(劲性结构)与混凝土桩为比较理想的材料结构。

图6 开挖12m时不同材质前排桩桩身水平位移

分析前排桩桩身弯矩可以发现(见图7)，不同材质桩身弯矩排列顺序与位移一致，说明挡土效果越强的桩体所要承受的弯矩会更大，所需桩身材质刚度也需更大。

图7 开挖12m时不同材质前排桩桩身弯矩

4 前排倾斜桩倾角对支护效果影响分析

本计算模型形式同图4，前后桩都用混凝土桩，前后桩桩径都为1m，桩间距1.2m，前后桩桩长都为30m，开挖深度都为12m，改变前桩倾斜角度，计算结果如下。

前排桩不同倾角下开挖至6，12m时桩身最大水平位移值如图8所示，显然，前排桩倾角越大桩身最大水平位移越小。就最不利工况(开挖12m)而言，前排桩倾角从0°～15°增大时最大水平位移减小，在0°～5°桩身最大水平位移下降最大，为96mm；10°～15°桩身最大水平位移下降值最小，只有5.5mm，随角度增大位移差呈逐步收敛趋势，针对特定基坑工况，存在最优经济角度。在本开挖深度时15°为最优经济角度。

图8 不同前排桩倾角下开挖至6，12m时前桩最大水平位移

不同倾角下前桩最大弯矩值如图9所示，在前排桩倾角逐步增大时，桩身弯矩逐步减小，可以理解为角度增大，前排桩除抗弯外，还提供了支撑作用，提供轴力，减小位移，对支护有利。

图9 开挖至6，12m时前桩最大弯矩值

5 反压留土对倾斜双排桩性状影响分析

计算模型如图10所示，前后桩桩径都为1m，桩间距1.2m，前后桩桩长都为30m，开挖深度都为15m，留土采用加固体。

图10 反压土对倾斜双排桩影响分析有限元模型

5.1 留土高度的影响

分析留土高度对支护桩变形控制影响，考虑不同留土高度分别为4，6，8，10m和12m，留土平台宽度为8m，基坑开挖深度15m。桩身位移与弯矩随留土高度变化关系如图11所示。

图11 留土高度对桩身水平位移与弯矩影响

前排桩桩身最大位移与最大弯矩随留土高度变化规律如图12所示。从拟合曲线来看，随留土高度的增加，桩身最大位移变化接近二次函数规律，在留土高度达到10m左右趋近稳定；桩身最大弯矩随留土高度变化呈现线性变化规律，留土高度增加，桩身最大弯矩下降。

图12 前排桩桩身最大位移与最大弯矩随留土高度变化

5.2 留土宽度的影响

考虑留土宽度分别为5，10，15m和20m情况下，留土高度为8m，对应的前排桩水平位移和桩身弯矩如图13所示，桩身最大位移与最大弯矩随留土宽度变化关系如图14所示。

图13 不同留土平台宽度开挖15m时桩身水平位移与弯矩

图14 前排桩桩身最大位移与最大弯矩随留土平台宽度变化

从图14可以看出，随着留土宽度增大，桩身水平位移和弯矩持续减小，留土宽度与高度对桩身位移与弯矩影响规律相似。

5.3 留土宽度与高度选取

从上述计算结果中可以看出，结合坑内留土，前排倾斜双排桩可应用于武汉长江I级阶地二元软土地层，开挖深度在15m左右的深基坑工程。

坑内留土可明显提供前排倾斜双排桩支护效果，水平位移随留土高度和宽度增大都呈现二次函数型减小并趋于收敛。同时考虑设计与施工中的经济效益，选取经济合理的留土高度和宽度。如本案例中，开挖深度15m，留土高度8～10m，宽度10～15m较为合理。

6 结语

利用有限元软件，针对双排桩组合形式、前桩倾斜双排桩材质与倾角、坑内留土高度与宽度等参数对倾斜双排桩支护效果的影响进行了分析，得出以下结论，以便于对倾斜双排桩支护性状有更深一步了解。

1)在倾斜双排桩组合形式中，前后桩同时外倾与前桩外倾两种形式支护效果最为理想，鉴于造价、施工难度、所需施工空间，在倾斜双排桩组合支护中推荐应用前桩倾斜双排桩，即前桩外倾后排垂直的形式。

2)前桩桩身弯矩反弯点出现位置大约在0.5L～0.6L深度处，在开挖面以下；反弯点以上桩身后侧受拉，反弯点以下桩身前侧受拉。在前桩倾斜时，前桩桩身弯矩明显减小，对桩身受力有利。

3)在本文所取土层中，在开挖12m左右时，前排倾斜桩采用钢管混凝土桩(劲性结构)与混凝土桩为比较理想的材料结构。

4)前排倾斜双排桩支护位移随角度增大逐步减小并收敛，在本文所取地层与开挖深度中，比较经济的角度为15°；在前排桩倾角逐步增大时，桩身弯矩逐步减小，角度增大后前排桩除抗弯外，还提供了支撑作用。

5)结合留土，前排倾斜双排桩可应用于开挖深度在15m左右的深基坑工程。前排桩桩身最大位移随留土高度与宽度的增加呈现二次函数型减小，弯矩随留土高度与宽度增加呈现线性减小，从位移支护效果考虑，存在经济性留土高度和宽度。