双排桩支护结构在软土地区基坑中的应用

摘要：针对h型双排桩基坑变形的问题，开展固结不排水三轴试验以及数值模拟试验，得到含水率对黏土参数的影响，并明确了岩土参数与支护桩参数对基坑变形的影响。试验结果表明：黏土试样的黏聚力、内摩擦角以及抗剪强度均随着含水率增大而减小，且从减小幅度可以看出，含水率对岩土参数影响较大；通过数值模拟试验可知，岩土参数的变化对基坑稳定性影响较大，而支护桩参数对基坑稳定性影响较小。此外，与前排桩相比，后排桩受各因素影响较大。

关键词：h型双排桩；三轴试验；数值模拟；基坑变形

0 引言

针对双排桩基坑稳定性影响问题，众多科研工作者通过不同手段，如现场监测、理论解析、有限元法、室内试验等对此展开了一系列的研究，并取得了丰硕的成果。

任建国[1]针对基坑变形、边坡失稳等问题，使用h型双排桩预应力锚杆进行支护，得到了h型双排桩对基坑力学性能以及安全性能的影响。罗忠行等[2]通过非极限状态的土压力理论，结合支护桩土相互作用以及非极限土压力理论，得到了支护结构水平位移计算方法以及地面沉降公式，并将理论数据与实际工程进行对比分析。

目前来看，我国学者对基坑稳定性研究成果比较丰富，但对h型双排桩研究较少，且针对黏土地区h型双排桩对基坑影响并不明确。基于此，本文依托某黏土基坑为研究背景，通过三轴剪切试验与数值模拟试验得到黏土地区h型双排桩基坑的变形影响，得出各因素对基坑变形的影响规律。

1 基坑工程背景

某基坑开挖深度为17.5m，使用双排桩。其中前排桩桩直径为1.2m，长度为8m，间距为2m。后排桩桩直径为1.2m，长度为21.5m。悬臂段长度为9.5m，间距为2m。锚索长度为19m，位于桩顶以下4m处，入射角度为20°，间距为5m。使用连系梁连接，连系梁尺寸为800mm×800mm。基坑北侧支护及开挖剖面如图1所示。地层岩土参数如表1所示。表1中，ω表示含水率，γ0表示重度，ωP表示液限，ωL表示塑限，c0表示粘聚力，φ0表示内摩擦角。

在此基坑北侧布置两测点WY7#与WY8#，基坑开完成后至2019年3月20号，两测点累计变形量分别为27.2mm与30.1mm。2019年4月1日时，基坑发生较大的突发裂缝，且基坑变形速度加快。2019年4月8—15日，测点WY7#累计变形量大于100mm。在2019年5月20日时，所有测点累计变形量均比报警变形量大30mm。

利用现场测量尺寸、钻孔电视成像等一系列方法分析基坑变形原因，结果发现主要原因为桩顶冠梁处与排桩之间存在较多裂缝，桩间渗水以及桩内出现破裂。

2 黏土力学特性分析

2.1  含水率对黏聚力的影响

含水率对黏聚力影响趋势如图2。根据图2可得到含水率和黏聚力拟合曲线：

c=222.486-10.905ω+0.145ω2 （1）

对式（1）求导数得出：

（2）

从图2可以看出，黏聚力与含水率呈现一元二次减小趋势，随着含水率的增大，黏聚力逐渐减小。根据式（1）、（2）可知，相较于含水率为22.4%，当含水率为37.603%时，试样的黏聚力减小了66.12%，说明含水率对黏聚力的影响较大。

2.2 含水率对内摩擦角的影响

含水率对内摩擦角的影响趋势如图3所示。根据图3可得到含水率和内摩擦角拟合曲线：

φ=79.065-3.694ω+0.047ω2 （3）

对式（3）求导数得：

（4）

从图3可以看出，内摩擦角与含水率呈现一元二次减小趋势，随着含水率的增大，内摩擦角逐渐减小。根据式（3）、（4）可知，相较于含水率为22.4%，当含水率为39.297%时，试样的内摩擦角减小了67.60%，说明含水率对内摩擦角的影响较大。

3 黏土基坑数值模拟

为了得到黏土参数对基坑变形关系，通过强度折减系数法和正交实验法建模。

3.1 数值建模方案

黏土主要参数有黏聚力ci0、内摩擦角φi0、重度γi0，其中i为地层层数，且假设内摩擦角比Fφ、黏聚力比Fc、重度比Fγ公式如下：

（5）

式中：φ'i0为i层土的内摩擦角；c'i0为i层土的黏聚力；γ'i0为i层土的重度。3个参数的比值见表2。

支护桩的主要参数有桩径、前后排桩长，参数设置如表3所示。按照表2与表3参数开展正交试验，试验方案见表4。

3.2 数值建模方法

使用数值模拟软件对基坑最危险截面处进行建模。基坑模型使用线弹性本构模型，单元为1D梁单元，模型参数如下：长为200m、宽为75m，其中锚杆锚固段、连梁与排桩采用C30混凝土。岩土模型使用修正摩尔-库伦模型，单元为2D平面应变单元，参数如表5所示。表5中，E50ref、Eoedref、Eurref均为修正摩尔-库伦模型计算输入参数，分别表示材料在50%应变时的杨氏模量、参考压强下的弹性系数、卸载/加载时的弹性系数。

3.3 支护桩受力及变形影响分析

3.3.1 基坑稳定性的影响分析

基坑稳定性系数影响分析曲线如图4所示，从图4可以看出，黏聚力对基坑稳定性影响最大，其次为内摩擦角，影响最小的为桩径，岩土参数对基坑变形影响最大。

3.3.2 最大水平位移smax的影响分析

图5为支护桩最大水平位移影响分析曲线，从图5可以看出，黏聚力对内摩擦角影响最大，其次为内摩擦角，岩土参数对支护桩最大水平位移影响最大。此外，各参数之间变化对后排桩影响较大。

3.3.3 最大剪力FPmax的影响分析

图6为支护桩最大剪力影响分析曲线。从图6可以看出，对前排桩影响最大的参数为岩土重度与桩径，对后排桩影响最大的因素为黏聚力与内摩擦角，说明岩土参数对后排桩影响较大，支护桩参数影响次之。

3.3.4 支护桩最大弯矩Mmax影响分析

图7为支护桩最大弯矩的影响分析曲线。从图7可以看出，对前排桩影响最大的参数为岩土重度与黏聚力，对后排桩影响最大的因素为黏聚力与内摩擦角，说明岩土参数对桩身最大弯矩影响最大。此外，与前排桩相比，后排桩受各因素影响较大。

4 结束语

本文依托某黏土基坑为研究背景，通过三轴剪切试验与数值模拟试验得到黏土地区h型双排桩基坑变形影响，并得到各因素对基坑变形规律。

研究表明，黏聚力、内摩擦角以及抗剪强度与含水率的关系曲线呈一元二次减小趋势。随着含水率的增大，黏土试样的黏聚力、内摩擦角以及抗剪强度均逐渐减小。

通过数值模拟软件进行建模分析可知，黏聚力、内摩擦角对基坑稳定性、最大水平位移、桩身平均最大弯矩影响较大，支护桩桩长与桩径对基坑稳定性、最大水平位移、桩身平均最大弯矩影响较小。黏土参数对基坑稳定性影响大于支护桩参数对基坑稳定性的影响。

参考文献

[1] 任建国.复杂地质下H型双排桩复合预应力长锚杆支护结构施工技术[J].煤矿机械，2022，43（7）：161-165.

[2] 罗忠行，牛建东，李泽玮，等.深基坑h型双排桩的变形计算及优化分析[J].铁道科学与工程学报，2020， 17（7）：1720-1727.