双排桩在深基坑工程中的应用与分析

张京，李大华，王鑫，张自光

双排桩在深基坑工程中的应用与分析

张京1，李大华1，王鑫2，张自光1

（1.安徽建筑大学 土木工程学院，合肥 230601；2.江苏雷威建设工程有限公司，南京 210003）

既有围护桩于一体的双排桩支护结构是一种新型的基坑支护结构。该结构体系在实际工程中应用较少，为了验证其在实际工程中的合理性与安全性，基于合肥市某深基坑工程，对双排桩结构计算的模型、方法以及前后排桩的受力进行阐述和计算；对施工过程进行监测并运用有限元软件MIDAS GTS模拟分析基坑开挖后前排桩及周围土体的位移，通过监测值和模拟值对比分析，二者较为接近。该工程的顺利实施，证实了既有围护桩于一体的双排桩支护结构在实际工程中是适用的成熟的。同时可以为以后类似实际工程提供参考。

基坑支护；双排桩；监测；有限元

近年来，随着城市建筑的快速发展，地下空间开发规模越来越大，这推进了基坑工程技术水平的快速发展，在基坑支护结构方面，呈现出新的特点和形式。例如内支撑、单排桩、桩锚、土钉墙、双排桩等[1-3]。本工程考虑到周围场地的特性、工程造价、基坑的用途等实际情况，采用既有围护桩于一体的双排桩作为基坑支护形式。既有围护桩于一体的双排桩支护结构是一种新型的基坑支护结构，它与单排桩相比，具有更大的侧向刚度，受力性能和控制变形能力更强[3-4]；与单排桩锚式支护体系相比，对周围环境的影响更小[5]；与内支撑相比，双排桩支护施工更加方便，对基坑用途没有太多的要求。

目前，双排桩结构的计算模型有：经典土压力理论模型、比例系数法计算模型、温克尔地基计算模型、土拱理论计算模型[1-5]。然而这些计算模型中，对于双排桩而言，研究前后排桩的受力大小，不仅可以对前后排桩的设计刚度和桩径、桩间距进行把控，而且能极大的提高双排桩对深基坑支护的安全性，土体积比例系数法就可以解决这个问题。土体积比例系数法是通过双排桩的桩间滑动土体体积占桩后滑动土体总体积的比例来对比例系数进行相应的确定[2-6]，从而计算出土压力对前后排桩的分配情况[7]。

但这种研究方法在“双排桩对深基坑支护的应用”中还不是很多。本文通过对既有围护桩于一体的双排桩结构计算方法在合肥地区实际工程应用的论述、计算和有限元的模拟分析，一是丰富了国内地区对于双排桩支护形式的应用研究，二是还原实际情况，以实际当中的监测过程，研究在双排桩支护的情况下，基坑开挖完成后的桩体位移以及周边环境安全性的影响。

本文基于合肥市某深基坑工程，详细介绍了双排桩结构计算方法中的土体积比例系数法以及通过有限元软件MIDAS GTS模拟分析了基坑开挖完成后桩体位移和周围土体沉降[4-8]，利用该工程实际监测数据进行对比分析，论证了既有围护桩于一体的双排桩结构在深基坑支护应用中的合理性[8-10]。

1 工程背景

1.1 工程概况

合肥市某深基坑工程基坑面积约为8309m2，基坑总延长约为400m，基坑开挖的深度为12.96~13.50m，安全等级为一级，设计使用年限为一年。该工程在区间K663.7~K694.9段线路左侧距离框架结构边23.9m为一层混凝土结构房屋；线路K666.6~K702.3右侧距离框架结构边18.6m为油库厂房，其周围可能埋设输油管路；线路K722.2~K781.5右侧为运转机调、整备车间，带有地下室，地下室大约7m深，前期已采用悬臂式钻孔灌注桩进行支护，既有的支护桩距离最近的框架结构外边线约2.4m，线路两端头为顶进工作坑掌子面。

根据建筑场地的地质条件，基坑的开挖深度以及周边环境等情况，支护方式应分段进行设计，如图1所示。

图1 基坑平面布置图

1.2 地质水文状况

根据现场的勘察报告，场地岩土层从上而下划分为：第1层是耕作土，层厚为1.5~1.8m，灰-褐灰色，松散，含有较多植物的根茎；第2层是杂填土，层厚为0.8~3.2m，褐-黄灰色，松散，含有少量的建筑垃圾；第3层是黏土，土层厚度为22.79~31.69m，坚硬，含有一些高岭土和粉质土等。

工程场地地下水是上层滞水。它主要存在于填土中，受地表水径流等影响，地下水主要以地面蒸发方式排泄，水量小，易于疏干。

1.3 工程特性

某工作坑箱涵制造图如图2所示。

（1）土钉支护由于安全性不够好，其在城市重要深基坑支护中的应用受到了控制，本基坑工程安全等级为一级，因此不考虑土钉支护；

（2）桩锚支护因本工程在线路K666.6~K702.3右侧距离框架结构边18.6m为油库厂房，其周围可能埋设输油管路，在本基坑工程中也受到限制；

（3）考虑到本基坑的用途是用来制造箱涵，因此内支撑支护结构同样受到一定的限制；

（4）本工程若采用单排桩支护，经分析计算，它的抗倾覆稳定性不能满足规范要求；

（5）基坑放坡边缘处距离已有建筑物大约1m，建筑物地下有围护桩，本基坑支护正好借助于已有建筑物地下的围护桩做成双排桩支护，这样不仅减少了工程造价，也提高了施工效率，缩短了施工工期，此项措施为该工程的特色；

（6）通过以上该工程特性的论述，采用双排桩支护结构作为基坑的支护形式更合理、更经济、更安全。

图2 工作坑箱涵制造图

2 工程实例应用

2.1 双排桩结构计算模型及方法

2.1.1 计算模型

双排桩在深基坑支护结构中应用广泛，主要在于它受周围地质环境影响较小，施工方便，对主体结构的施工进度影响不大。基坑开挖时，前后排桩都受到一定的土压力作用，但是土压力对前后排桩的分配力是不同的，这就导致对前后排桩的刚度、桩径以及桩间距设计要求不同。因此，研究土压力对双排桩的分配显得至关重要。土体积比例系数法就是基于前后排桩的土压力分配系数，它由我国著名学者所提出的，是按照室内模型的试验以及工程的实际测试结果推算了该方法。土体积比例系数法是采用双排桩桩间滑动土体体积占桩后滑动土体总体积的比例来对比例系数进行相应的确定。这种方法计算简便，因而成为现阶段设计过程中采用的方法之一。

针对以下计算模型是建立在如下4个基本假设条件之上。

（1）把前排桩和后排桩当作成为了一个顶端和连梁刚接的门式钢架结构；

（2）双排桩之间的连梁受力不会产生拉伸和压缩变形，仅仅只作平移并不会转动；

（3）双排桩受力时桩顶水平位移一致；

（4）在进行土压力的计算时，主要采用朗肯土压力进行计算。

分配系数的确定（见图3）：

双排桩在进行布桩的时候通常有两种布桩形式，分别为矩形布桩和三角形布桩。

①三角形布桩（见图4）

图3 比例系数确定方法

图4 三角形布桩土压力传递图

(2)

②矩形布桩（见图5）

(3)

图5 矩形布桩土压力传递图

2.1.2 双排桩土压力分析

按照土体积比例系数法的基本假设，将双排桩分成前排桩和后排桩分别进行土压力计算。

前排桩（图6）的被动土压力合力为

式中，表示土体重度，0表示桩长，表示桩嵌入土体的深度，K表示主动土压力系数，K表示被动土压力系数，表示土体粘聚力。

后排桩（图7）主动土压力合力为

图7 后排桩结构计算简图

被动土压力合力为

式中，表示土体粘聚力，表示桩长，K表示主动土压力系数，K表示被动土压力系数。

2.2 双排桩在工程中的具体应用

下面选取基坑线路FG段进行分析，FG段从地面按1∶1.25的坡率放坡4m，坡面挂设8@200mm×200mm钢筋网，喷射80mm厚C20混凝土。支护桩采用双排桩，前排桩为1000@1500mm钻孔灌注桩，桩顶设1200mm×800mm钢筋混凝土冠梁，后排桩为既有800@1500mm钻孔灌注桩（已施做完成），冠梁之间设置500mm厚连板。

结合上文提到的双排桩结构计算模型和方法，对此次实际工程进行分析计算，以验证基坑工程在双排桩支护的情况下，不会发生坍塌，满足受力变形要求，保证工程的安全性。根据工程地质条件，双排桩结构处于粘土层范围内。下文为双排桩受力情况的具体分析计算。

图8 双排桩支护结构刨面图（mm）

2.2.1 双排桩分配系数

在进行双排桩土压力计算时，首先应确定它们之间的分配系数。

分配系数取下式计算

2.2.2 前排桩土压力计算

主动土压力系数为

被动土压力系数为

该工程双排桩排桩形式采用的是三角形布桩，采用式(4),(5)计算

主动土压力：

被动土压力：

即双排桩连梁受到的轴力=2132.5-1496.8=635.7kN方向向基坑外侧。

2.2.3 后排桩土压力计算

对后排桩的主动土压力大小和被动土压力大小分别进行计算，采用式(6),(7)：

主动土压力：

被动土压力：

即双排桩连梁受到的轴力′=18002.8-751.2=17251.6kN方向向基坑内侧。

由于′远大于，因此，双排桩不会发生倾斜，对深基坑的支护是安全可靠的。

2.2.4 抗倾覆稳定性

根据《建筑基坑支护技术规范》，双排桩支护体系应该满足抗倾覆要求。假如双排桩支护体系绕前排桩底部发生转动，这时前排桩就会受到基坑内侧的被动土压力作用，阻止双排桩转动，同时后排桩受到主动土压力的作用也阻止它转动，这两个力的协同作用增强了双排桩支护结构的稳定性。双排桩以及桩间土的重力会产生倾覆作用（图9）。

图9 双排桩支护结构抗倾覆稳定性验算

抗倾覆稳定安全系数：

大于K=1.25，满足规范要求。

2.2.5 抗滑移稳定性

本工程双排桩支护结构体系处于粘土层的范围内，因此采用圆弧滑动条分法进行计算。按照一定比例绘制该基坑的截面图，滑动圆弧的圆心可以任意选取。

经计算整体稳定安全性系数大于1.3，满足要求。

3 数值分析

3.1 模型建立

为了进一步验证既有围护桩于一体的双排桩支护结构在深基坑工程应用中的合理性与成熟性，本文选用MIDAS GTS NX有限元软件建立基坑双排桩支护数值模拟模型图（图10）。材料采用修正摩尔库伦本构模型，模型边界条件设置为顶面自由，其它面法向约束。模拟基坑开挖时，双排桩采用梁单元，其弹性模量为31.5GPa，泊松比为0.2。为了精确计算，本文在使用MIDAS GTS时采用了定义线性梯度的方法，使得双排桩附近的网格相对密集、而边界网格相对稀疏。表1为各土层参数性质。

图10 双排桩模型

表1 土层的参数表格

3.2 结果分析

当基坑开挖到坑底位置时，基坑周围土体的位移分布如图11所示。水平最大位移发生在桩的上半部分、且最大为3.45mm，由于基坑没有设置内支撑，因此，最大位移发生在支护桩的上半部分。竖直最大沉降为8.75mm，且最大沉降位置发生在距后排桩约6m处，水平以及沉降位移都相对较小，因此双排桩支护是安全的。由竖直位移分布图可以看出，双排桩支护下基坑开挖对周边土体影响范围大，达到了约30m，因此在采用双排桩支护时，要加大土体表面沉降的监测范围，从而保证基坑更加安全可靠。

图11 基坑开挖完成后周围土体的位移分布云图

3.3 工程实施效果

（1）本工程基坑围护结构采用既有围护桩于一体的双排桩形式，即后排桩借助于相邻建筑物地下围护桩做成既有围护桩于一体的双排桩结构，使得附近建筑物地下的围护桩得到了二次利用，极大降低了工程建造成本、缩短了工期，满足环境友好、建筑节能与可持续发展的理念，会对社会产生巨大的经济效益。

（2）通过双排桩结构计算方法中的土体积比例系数法，计算出了双排桩在基坑支护中、它的前后排桩的受力合乎实际情况，不会发生倾覆，满足工程的安全性。

（3）在施工过程中，通过对双排桩结构与基坑边坡顶部水平位移、周围土体沉降等数据的监测，与模拟值进行比较，二者数值相差比较小且都在预警值范围内，进一步验证了双排桩支护在本基坑工程应用中是安全的，成熟的。

（4）本工程的完成取得了良好的效果，为其他类似工程提供了参考。

4 结论

通过双排桩支护结构在合肥市某深基坑工程中的应用，现得到以下重点结论：

（1）基坑面积大，周边环境复杂且不具备锚杆施工的条件下，可以考虑采用双排桩支护。

（2）采用既有围护桩于一体的双排桩形式，使得附近建筑物地下的围护桩得到了二次利用，极大降低了工程建造成本、缩短了工期，满足环境友好、建筑节能与可持续发展的理念，会对社会产生巨大的经济效益。

（3）通过双排桩结构计算方法中的土体积比例系数法，得出前、后排桩的受力大小，并分析满足实际情况，不会发生倾覆，保证了本工程在双排桩支护的条件下是安全可靠的。

（4）运用有限元软件MIDAS GTS NX模拟基坑开挖完成后双排桩水平位移及周围土体沉降值，模拟结果与实测结果吻合良好，表明该有限元分析方法是可行的。

（5）双排桩最大水平位移发生在桩的上半部分且最大为3.45mm，周围土体最大沉降为8.75mm，且最大沉降位置发生在距后排桩约6m处，。

（6）通过基坑工程的监测和有限元模拟，结果表明，基坑开挖引起的双排桩和周围土体的位移都在控制范围内，说明该工程基坑支护是可靠的，可为类似工程提供参考。

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Application and analysis of double row piles in deep foundation pit engineering

ZHANG Jing1，LI Da-hua1，WANG Xin2，ZHANG Zi-guang1

(1.School of Civil Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601, China; 2.Jiangsu Leiwei Construction Engineering Co., Ltd., Nanjing 210003, China)

The double row pile supporting structure with existing retaining piles is a new type of foundation pit supporting structure. In order to verify its rationality and safety in practical engineering, based on a deep foundation pit project in Hefei, this paper expounds and calculates the calculation model and method of double row pile structure and the stress of front and back row piles; monitors the construction process and uses the finite element software MIDAS. The displacement of front row pile and surrounding soil after foundation pit excavation is simulated by GTS. Through the comparative analysis of monitoring value and simulation value, the two are close. The successful implementation of the project proves that the existing double row pile retaining structure is suitable and mature in practical engineering. At the same time, it can provide reference for similar practical projects in the future.

foundation ditch support；double-row piles；monitor；finite element

2021-02-24

安徽建筑大学校引进人才及博士启动基金项目（2019QDZ24）；中安华力建设集团有限公司产学研合作项目（HYB20190152）

张京（1993-），男，安徽蚌埠人，硕士，主要从事工程结构的现代施工技术研究，616003506@qq.com。

TU753

A

1007-984X(2021)04-0076-09