基坑局部设置双排桩桩长桩径对连续变形控制效果影响研究

曾 诚

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311100）

0 引言

随着城市建设如火如荼，地下空间的开发成为建设的重点，深基坑工程也就面临严峻的挑战，其具有较高的不确定性、复杂性以及偶然性，另外，基坑支护结构属于临时性结构，安全储备较低。由于双排桩支护结构存在侧向刚度大、不需要内支撑等优点，因此，双排桩在土质较差、基坑深度深、变形控制要求高的基坑支护工程中应用广泛。目前，对双排桩的研究来说，一些研究者通过一些设计参数来提升双排桩的支护效果，例如桩距和桩径等[1]。另外，一些研究者对双排桩支护结构连续变形进行研究，提出了阻断单元法的概念，即间隔设置连续破坏的阻断单元，从而防止局部超挖或堆载问题[2-3]。

总体来说，虽然对双排桩的连续破坏机理要有一定的研究，但是目前尚缺乏基坑双排桩连续破坏控制技术的系统研究。该文在研究阻断单元的基础上，考虑对阻断单元进行加强，以提升阻断效果，主要采用双排桩并且探究提升桩长桩径对阻断效果的影响。研究结果可以为实际工程提供参考。

1 工程概况

该工程位于平阳县水头镇，东面为水头自来水二厂，西面为居民区，南面距离大滩路约200 m。拟建项目规划用地面积约15 092 m2，总建筑面积约58 805 m2，地下建筑面积约13 529m2，主要建筑物为4 幢住宅楼，层数为24F，设一层整体地下室。基坑开挖深度约4.3 m~5.0 m，采用钻孔灌注桩排桩支护，局部采用双排桩支护，采用水泥土搅拌桩止水，基坑支护剖面如图1 所示。由于基坑平面尺寸大，基坑边长超过140 m，基坑发生连续性破坏的风险高，因此排桩支护结构的变形和破坏的控制是该项目的重点。

图1 基坑支护剖面图（单位：mm）

2 数值模型与模拟方法

2.1 土体和支护结构参数

土体参数参照工程勘测报告，支护结构参数根据经验取得，见表1。由于基坑周围土体视为弹塑性材料，因此土体的本构采用莫尔-库伦模型，该本构模型所需的参数少，但是结果精度可以满足工程要求。支护形式及尺寸如图2 所示，支护结构采用弹性模型。

表1 土体参数

图2 双排桩阻断单元

2.2 模拟方法

2.2.1 模型建立

模型建立步骤如下：1）根据场地情况建立几何模型，由于实际工程基坑尺寸比较大，因此为了减少数值模拟时间，选取基坑一侧的一个剖面进行建模并且土层界面简化为平面，如图3 所示。2）建立材料和属性，材料参数主要根据表1，土体属性用3D 实体模拟，支护结构属性用1D梁单元模拟，并根据图2 中支护结构截面尺寸填写截面参数。3）划分网格，根据经验取得网格尺寸，采用高阶次线性四边形单元进行网格划分。4）进行边界约束和施加重力，基坑zx剖面采用对称边界，其他采用自动边界。约束冠梁连梁xy向转动，约束桩z向转动。

图3 有限元模型

2.2.2 开挖过程模拟

根据基坑深度，将开挖步骤划分为4 个，每层开挖1.1m，基坑开挖主要通过钝化相应土体实现，支护结构通过激活冠梁、连梁、桩单元实现。具体步骤见表2。

表2 开挖过程模拟步骤

2.3 工况介绍

考虑到单排桩连续性变形和破坏，在排桩中间设置双排桩阻断单元，并研究桩长桩径对阻断单元效果的影响，见表3。

表3 工况介绍

3 桩径增宽情况下阻断单元效果

3.1 基坑位移变化

基坑开挖完成后的Y向位移云图如图4 所示，Z向位移云图如图5 所示。从图4 可以看出靠近支护结构的坑底Y向位移较大，最大Y向位移为6.78 mm。这是因为基坑开挖卸荷破坏了原始的应力平衡状态，使开挖面产生侧向力，进而会产生较大位移，由于支护结构的作用，这种位移被限制在1 cm 内保障安全。但是，为了避免施工中可能存在的超挖或堆载等现象，进一步保障基坑安全，这次数值模拟特采用双排桩阻断单元，从图4 中可以看出阻断区的开挖面Y向位移更小并且距离阻断区越远的开挖面Y向位移越大。这充分说明双排桩阻断单元具有良好的效果，可应用于工程实践。

图4 基坑Y 向位移云图（B1）

图5 基坑Z 向位移云图（B1）

从图5 可以看出，基坑内部土体存在较大隆起，最大隆起量为47 mm，而支护结构也存在微隆起，隆起远离开挖面越大。这是因为基坑开挖完成后，基坑土体原有平衡状态遭到扰乱，基坑土体承受上部荷载作用消失，坑内土体产生回弹，从而基坑底部表现出向上隆起。坑内土体的隆起，引发双排桩向上移动，由于双排桩与桩间土体的相互摩擦作用，导致基坑边缘土体呈现微隆起，远离基坑土体几乎不受该影响。

3.2 桩位移变化

工况一：不同阻断形式的前排桩#15 的水平位移如图6 所示，前排各桩在整体标高-4.03 m 处的水平位移如图7 所示。从图6 可以看出，随着桩径增加，桩的最大水平位移均有所减少，B1~B4 的最大水平位移分别为5.19 mm、5.16 mm、4.91 mm、4.98 mm，其中B4 比B1 位移减少了11.75%。这是因为桩径的增加可以提升桩的整体刚度，进而限制了前排桩的位移。图7 反应了随着桩径的增加，前排阻断区范围内的桩位移逐渐减少。因此，通过桩径增宽可以提升阻断单元效果。

图6 桩#15 水平位移（Y 向）

图7 整体标高-4.03 m 处各桩水平位移（Y 向）

3.3 桩轴力和弯矩变化

工况一：不同阻断形式的前排桩#15 的弯矩如图8 所示，轴力如图9 所示。从图8 中可以看出，随着桩径增加，坑底附近弯矩逐渐减少，而桩底附近弯矩逐渐增大。这说明桩径的增加很好地约束了基坑开挖造成的水平滑移力并且将荷载大部分被导向桩嵌固深度的土体，保障基坑的安全。随着桩径的增加，前排桩#15 的轴力变化不大并且依然受压，如图9 所示。

图8 桩#14 弯矩（My）

图9 桩#14 轴力

4 桩长增长情况下阻断单元效果

4.1 桩位移变化

工况二：不同阻断形式的前排桩#15 的水平位移如图10 所示，前排各桩在整体标高-4.03 m 处的水平位移如图11 所示。从图10、图11 可以看出，桩长加长4 m 能有效控制位移变大，当桩长超过4 m 时，水平位移反而有所增加。因此，通过增加桩长的方式提高阻断单元效果，需要将桩长控制在合理范围内，如果太长，不仅会影响加固效果，而且会增加造价。

图10 桩#15 水平位移（Y 向）

图11 整体标高-4.03m 处各桩水平位移（Y 向）

4.2 桩轴力和弯矩变化

工况二，不同阻断形式的前排桩#15 的弯矩如图12 所示，轴力如图13 所示。图12 中，随着桩长的增加最大负弯矩处的值变化不大，而最大正弯矩处的值则有所减少。这是因为C1~C4 组后排桩的嵌固土体分别为圆砾、圆砾、含粉质黏土圆砾、含粉质黏土圆砾，由表1 可知圆砾比含粉质黏土圆砾弹性模量高，嵌固效果更好，即C3、C4 比C1、C2 最大正弯矩小。而C1 和C2 在同一土层内，随着桩长增加，嵌固有效区域增长，桩身嵌固区弯矩更小，即C2 比C1 最大正弯矩小。从图13 中可以得出，随着桩长增加，轴力也有所增加。但是仅有桩长从原始到增加4 m时轴力增加较大，与弯矩的规律一致。

图12 桩#15 弯矩（My）

图13 桩#15 轴力

5 结论

该文根据实际工程，采用数值模拟的方式来研究双排桩阻断单元的效果，具体结论如下：1）双排桩后排桩径的增加可有效降低桩身位移，减少坑底附近弯矩，是一种可行的阻断单元。但是，桩径最好增加1 m 以上，1.8 m 以下比较合理。2）双排桩后排桩长的增加体现为存在一个长度“限值”，但超过该值桩身位移变大，不超过则相反，这主要和土层参数有关。但是从实际情况出发，桩长也不宜过大，过长会导致施工难度和成本增加。3）根据该工程的数值模拟情况，推荐采用双排桩，后排桩桩径为1.4 m，桩长加长4 m 最优。