第２３卷第１期 ２０１３年２月天津建设科技 Ｔｉａｎｊｉｎ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 建筑工程 Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 基坑工程中双排灌注桩支护结构的 有限元模拟及分析 口文／樊继良 任彦华 吴永红 高丽丽 摘要：深基坑双排灌注桩支护结构是近年来新发展起来的一种基坑支护型式和技术。 双排灌注桩支护结构本质上为一悬臂超静定结构，这种形式的围护结构尚缺乏 合理的计算模型和方法。文章借助有限元软件Ｐ１ａｘｉ Ｓ，采用平面应变非线性塑 性有限元法，分析和研究双排灌注桩围护结构的内力和变形特征，探讨了双排灌 注桩不同结点处理方式以及前后排桩间距对双排灌注桩支护结构内力和变形的 影响。 关键词：深基坑；双排灌注桩；有限元；Ｐｌａｘｉ Ｓ 基坑工程是个古老而又具有时代特点的岩土工 种关系也被用于著名的双曲线模型（Ｄｕｎｃａｎ＆ｃｈａｎｇ， 程课题，同时也是一个综合性的岩土工程难题，它既 １９７０）。标准排水三轴试验会得到如下曲线： 涉及土力学中典型的强度、变形与稳定问题，又涉及到 １ 几 一土与支护结构的共同作用。随着不同的建筑形式的出 ￡１＝ ｝＿ 一 ２氏ｑ＜ｑ， （０卜ｑ／ｑ 一 １） 现、不同建筑功能的要求及不同建设环境的限制，对基 式中：ｑ 是极限抗剪强度的渐进值； 是主加载下 坑支护形式提出了不同的要求，深基坑双排灌注桩支 与围压相关的刚度模量；ｑ，是极限偏应力。 护结构就是近年发展起来的一种新的基坑支护形式和 Ｈａｒｄｅｎｉｎｇ—Ｓｏｉｌ模型不仅能反应出土体的剪切变 技术。 形，而且能够反映出在静水压力作用下引起的塑性体 双排灌注桩式支护结构是在桩数不变的前提下， 积应变。该模型由剪切屈服面和帽子屈服面构成并且 将单排桩每隔一根移至后排，形成前后排对应并列式 剪切屈服轨迹和屈服帽都有着经典Ｍｏｈｒ—Ｃｏｕｌｏｍｂ破 排列或前后搭纵向错开一定距离的梅花式排列并在桩 坏准则的六角锥形形状。 顶用刚性联系梁把前后排桩连接起来，沿基坑长度方 ２基本算例 向形成双排支护桩ｎ］，从结构上看，属于超静定悬臂式 ２．１基本参数 支护结构。目前双排灌注桩支护结构尚缺乏合理的计 １）土性指标。Ｃ－－１５ ｋＰａ，‘Ｄ＝２０。， １９ ｋＮ／ｍ。， 算模型和方法，无法考虑双排灌注桩和土的共同作用， ５ ＭＰａ，不考虑地下水的影响，采用单一均匀土层进行 工程实践也缺乏必要的设计原则＿２吲，实测数据还不 计算。 多，受力机理不够清楚。本文采用有限元软件ＰｌａｘｉＳ， ２）基坑开挖深度６．５ ｍ，前排桩入土深度８ ｍ，桩长 选用Ｈａｒｄｉｎｇ—ｓｏｉｌ双屈服面的硬化模型，考虑桩土之 ｌ４．５ ｍ，西６００ ｍｉｌｌ，桩间距１．５ ｍ；后排桩入土深度８ ｍ， 间的相互作用，分析双排灌注桩不同结点处理方式以 桩长ｌ４．５ ｍ，西６００ ｍｉｌｌ，桩问距１．５ ｍ，前后排桩呈矩形 及前后排桩间距对双排灌注桩支护结构内力和变形的 布置，两排桩间距离４ｄ＝４×０．６＝２．４（ｍ）。 影响。 ３）联梁尺寸６００ ｍ×８００ ｍｍ，桩顶与联梁按刚性连 １土体本构模型 接考虑。 Ｈａｒｄｅｎｉｎｇ—ｓｏｉｌ模型是用于模拟包括软土和硬土 ４）地面超载。后排桩外均匀布置大小为１０ ｋＰａ的 等多种不同属性土体的高级模型，其基本思想是三轴 荷载。 加载下竖向应变ｅ 和偏应力ｑ之间为双曲线关系，这 ５）模型及其基本尺寸见图１。 １ ６ 建筑工程 Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ——— — ——ｔ— ——— — — 樊继良，等：基坑工程中双排灌注桩支护结构的有限元模拟及分析 … … ————— …第２９卷 第１期 点在基坑地面附近，前排桩的最大负弯矩位于桩顶 以下３～４ ｍ，而后排桩的最大弯矩位于桩顶；前后排桩 的最大正弯矩均位于坑底以下，只不过前排桩的数值 大于后排桩。 ２．３节点处理方式不同对双排灌注桩性状的影响 节点处理采用图４的４种形式。 图１基本算例模型 ｑ ｛ 。） 二＝ 挺嫂螋 ２．２计算结果 按照上述算例并采用图ｌ所示的计算模型得到位 移及弯矩，见图２和图３。 灌注桩水平位移／珂 ｏ．０４ ｏ．０３ ｏ．０２ ｏ．Ｏｌ ｏ ｃ后排铰接 图２位移 弯矩／（ｋＮ・ｍ） ｄ前后铰接 图４不同节点处理方式 刚前后前刚前后前 接排排后接排排后 前铰铰排后铰铰排 接接铰接接铰 前前接后后接 由图５和图６可以看出，桩顶与横梁的连接方式 对于支护结构的位移和弯矩产生非常大影响。 双排桩水平位移／珂 十前排 －Ｑ． 一４０ 目 ’、‘～ ｎ ｎ 一ｎ ｎ４ 一ｎ ｎ， ０ ｏ－后排 ５｛ ６ ８ １５ １６ 日 。 ｌ１ 图３弯矩 后 １４ １５１）由图２可以看出，双排灌注桩桩顶位移是一样 的，主要是因为联梁的线刚度比较大，从而相对压缩变 形较小，导致前后排桩桩顶位移几乎是一致的。前后排 桩由于基坑的开挖主要受主动土压力作用，从而导致 弯矩／（ｋＮ・ｍ） １６ 图５双排灌注桩水平位移 ３００—２００一ｌＯ０ ０ １００ ２００ ３００ 偏向基坑一侧的位移，但是由于桩问土的影响，表现 出前排桩的位移大、后排桩的位移小。 ２）对于弯矩，前后排桩均受交变应力的影响，桩体 上部与下部弯矩符号相反，桩体上部靠近桩顶处有较 一一吐 宣 一前排铰接 后排铰接 前后排铰接 大的负弯矩产生，这与单排桩支护结构有支撑体系存 在时的弯矩图相似。由图３可以看出，前后排桩的反弯 ａ前排 １ ７ 建筑工程 第２９卷第１期 天津建设科技 Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔ ｉｏｎａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 弯矩／（ｋＮ・ｍ） 、． ‘ 一排距太大双排灌注桩的整体受力和变形性能将会逐渐 削弱。当排距非常大时，联梁对前后排桩的作用不能看 成是一个整体的刚架体系，失去了双排灌注桩的意义， 形成了类似拉锚体系的支护结构；而且随着双排灌注 一一刚接 前排铰接 后排铰接 一前后排铰接 １６ 桩间距的增大，使前后排桩的土压力重新分配，前 后排桩的水平位移有着明显的差异，尤其是排距较大 时更是显而易见。所以双排灌注桩的排距对其整体性 ｂ后排 图６前后排桩弯矩 １）对变形的影响。支护结构的最大位移都发生在 支护桩桩顶且与各种双排灌注桩支护结构计算模型的 变形趋势很相似。总体而言，双排灌注桩的变形值在基 坑底面以上差异性比较大，基坑底面以下基本相同。联 梁与前后排桩端全部铰接时桩顶位移最大，前排刚接 后排铰接时次之，前排铰接后排刚接时再次之，刚接时 最小。这说明增强桩与联梁的节点设计能够明显改善 双排灌注桩的变形性能，提高其抵抗变形的能力。 ２）对弯矩的影响。 （１）前排桩。刚接时，基坑底面以上范围内灌注桩 存在较大负弯矩，相对其他３种情况其负弯矩最大，但 是其正弯矩是最小；铰接时，虽然支护桩顶的弯矩为 零，但是在桩顶以下一定范围内仍有较大负弯矩存在， 前排桩的弯矩图与悬臂式单排桩支护结构有着明显的 差异，而类似于带支撑的支护结构。 （２）后排桩。铰接时，后排桩主要受正弯矩影响；刚 接时，虽然后排桩桩顶存在较大负弯矩，但是减小了后 排桩的正负弯矩差值，使桩体的正负弯矩值接近，受力 更加合理，减少结构配筋。 从分析结果看，增强桩梁的连接能够调整双排灌 屯 书 注桩的变形和内力特征，减小结构位移，调整正负弯矩 ｛ 醛 癸 值，减少配筋，降低造价。 ２．４前后排桩间距对双排灌注桩性状的影晌 前后排桩的桩距是工程设计人员最为关心的问题 之一，它直接关系到能否使双排灌注桩和桩间土共同 作用。 １）对位移的影响。图７为桩间距２ｄ、３ｄ、４ｄ、５ｄ、６ｄ、 ８ｄ、９ｄ、ｌＯｄ（ｄ为灌注桩直径）时的水平位移。当排距为 ２ｄ（１．２ ｍ）时双排灌注桩桩顶位移最大并随着排距的加 大其水平位移有减小的趋势，当排距＞４ｄ时其减小值 不是很明显，当排距＞９ｄ时其水平位移基本上变化不 大。究其根本原因，主要是因为当双排灌注桩问距很小 时，双排灌注桩通过联梁形成的门式刚架结构空间性 能不能很好发挥，没能充分发挥联梁协调变形和受力 的作用；随着排距的增大，双排灌注桩与联梁形成的整 体结构整体性能得到了体现，位移逐渐减小，但是如果 １ ８ 能的发挥有相当重要的影响。 双排桩水平位移／ｍ Ｏ．Ｏ６～０．０４ —０．Ｏ２ Ｏ 图７双排灌注桩水平位移 ２）对弯矩的影响。由图８可以看出，前后排桩端顶 部均有弯矩先增大后减小的趋势，主要是因为当排距 一一一一 较小时联梁处于受压状态，对前排桩起到前推的作用，一 一刚一 刖 叫 随着排距的增大，联梁由受压转化为受拉，桩顶的弯矩 一二一 叫 也随之减小。后后后后 一一一一 跗 重 （１）前排桩。当桩间距由２ｄ～ｌＯｄ变化时，由于其所 受到的主动土压力是逐渐增大的，而其被动土压力不变，一一｝ｊ 从而导致前排桩的最大负弯矩逐渐增大而正弯矩逐渐 减小，进而使其反弯点的位置不断下移。 （２）后排桩。受力比较复杂规律性不是很明显。最大 负弯矩发生在桩顶，由于联梁的拉拽作用桩顶的负弯矩 逐渐减小，随着排距的增大后排桩的负弯矩逐渐减小，桩 身主要受正弯矩的作用，从而使其反弯点逐渐上移。 弯矩／（ｋＮ・ｍ） 弯矩／（１【Ｎ－ｍ） ２５０一ｌ５０—５Ｏ ０ ５Ｏ ｌ５０ —２５０ １５０ —５０ ０ ５Ｏ ｌ５Ｏ ４ ６世 ２ｄ ——－ ２ｄ ——３ｄ －４ｄ ＝ｉ９ —一５ｄ ５ｄ ——６ｄ 一６ｄ 一８ｄ 二８８ 一９ｄ —１０ｄ —ｌＯｄ ｉＲ ａ前排 ｂ后排 图８前后排桩弯矩 ３工程实例 天津阳光壹佰国际新城西园６ ～１４ 住宅楼基坑 建筑工程 Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 樊继良，等：基坑工程中双排灌注桩支护结构的有限元模拟及分析 第２９卷第１期 ，。 —， 。 — 支护工程位于南开区华苑住宅区东侧、外环线北侧与 红旗南路东侧之问。地下水静止水位埋深２．０ ｍ。基坑 采用双排灌注桩位置处坑深８．９３ ｍ，地貌属第四系 滨海相冲积、海积地貌单元，见表１。 表１场地土层参数 成因 力学 土层名称 Ｙ｛ Ｃ ｆ ０。 ／ 层底 厚度／ Ｅ；｝ 分层 （ｋＮ・ｍ ） ｋＰａ （。） 标高／ｍ ｍ ＭＰａ ｏ Ｉ 杂填土 １７．Ｏ ５ １２ 一Ｏ．１３ ４．７９ ３．Ｏ０ ０４。 ＩＩ 粉质粘土 １９．６ ２０ １７ －１．０２ Ｏ．８９ ５．６４ ０抽 ＩⅡ． 粉质粘土 １９．Ｏ ｌ７ １６ —６．２１ ５．１９ ５．Ｏ３ ４ＩＩＩ２ｂ 粉质粘土 ｌ８．９ １６ １４ —１Ｏ．３３ ４．１２ ５．３１ Ⅳｌ 粉质粘土 ２Ｏ．Ｏ １９ ２０ —１３．４５ ３．１２ ５．１３ ０ ４ Ⅳ２ 粉质粘土 ２Ｏ．３ ２２ ２２ —１４．９５ １．５Ｏ ５．６７ ０ Ｖｌ 粉土 ２Ｏ．３ ｌ０ ２７ 一ｌ６．９５ ２．Ｏ０ ７．８４ ３ Ｖ ２ 粉质粘土 ２０．１ ２３ ２２ —２３．３ｌ ６．３６ ６．Ｏ０ ０ ３如 Ⅵ 粉质粘土 １９．９ ２３ ２３ ２６．４３ ３．１２ ６．Ｏ０ ３．１计算模型 双排灌注桩支护结构的实际尺寸见图９。 ×７００联梁 ｏｏ×７００冠梁 深层 搅拌桩 单位：尺寸ｍｍ 高程ｍ 图９双排灌注桩尺寸 使用有限元软件Ｐｌａｘｉｓ建立计算模型见图ｌ０，桩 顶水平位移见图１１。 图１０计算模型 双排桩水平位移／皿 ０ Ｏ．Ｏ２ ０．０４ ０．Ｏ６ Ｏ．０８ ｛一５ ｛趟一１Ｏ 鉴 琵锄 ２５ 图１１水平位移 由图１０可以看出，桩顶的最大位移为５７．６ ｍｍ，双 排灌注桩的实际监测值为５４ ｍｍ，相差仅３．６ ｍｍ。 … ， —！ — — —— — … 双排灌注桩的内力见图１２和图１３。 剪力／ｋＮ 弯矩／ｋＮ・ｍ １５Ｏ一１Ｏ０ ５０ ０ ５０ １Ｏ０ ３００一１００ ０ｌ００ ３００ ｌ ｌ 一３， 一々 前排 。 一后排 一前排 一１５裂 一后排 《 ・一—２１ｌ１３ ５７９ 矬 ９Ｒ 图１２前后排剪力 图１３前后排弯矩 ４结论 １）联梁与前后排桩端全部铰接时桩项位移最大，全 部刚接时最小。桩顶与联梁的连接方式对于弯矩的影 响比较复杂，前排桩与联梁铰接时，其弯矩特征完全类 似于单排悬壁式支护结构；后排桩与联梁铰接时，后排 桩主要受正弯矩的影响。前排桩与联梁的连接方式不 仅能影响前后排桩的最大正负弯矩，而且能影响正负 弯矩在桩两侧的分配，因此增强桩梁的连接，能够调整 双排灌注桩的变形和内力特征，减小结构位移，调整 正负弯矩值，减少配筋，降低造价。 ２）排距的变化对前后排桩的协调变形和内力分配 有很大影响。从位移来看，排距过ｄ，Ｎ双排灌注桩相当 于悬臂结构，只不过截面面积是原先单排桩截面的两 倍；排距过大则相当于拉锚结构。对于内力而言， 弯矩和剪力无论是排距过大还是排距过小，其在整根 桩的分配都是不合理的。 ３）当排距在３ｄ￣６ｄ之间，其桩体的变形和受力是 比较合理的，双排灌注桩的整体性能能够得到充分 发挥。 口■ 参考文献： ［１］杨晶．双排灌注桩支护结构的数值分析［Ｄ］．天津：天津大 学，２００３． ［２］李永盛．上海博物馆基坑围护结构的受力与变形［Ｊ］．岩土工 程学报，１９９６，１８，（３）：５５－６１． ［３］林栋．用双排灌注桩作深基坑围护结构的尝试［Ｊ］．建筑施 工，１９９４，１６（４）：ｌ１—１２． 口中图分类号：ＴＵ７５３ 口文献标识码：Ｃ 口文章编号：１ ００８—３１ ９７（２０１ ３）０１—１ ６—０４ 口ＤＯｌ编码：１０．３９６９４．ｉｓｓｎ．１００８—３１９７．２０１３．０１．００６ 口收稿日期：２０１２—１０—１５ 口作者简介：樊继良／男，１９８１年出生，工程师，天津市勘察院，从 事岩土工程设计工作。 口任彦华、吴永红、高丽丽／天津市勘察院。 １ ９