楊保全，丘 濱，陳先威

（1.河海大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210098；2.江蘇省電力設(shè)計(jì)院勘測(cè)部，南京 211100）

雙排樁結(jié)構(gòu)特性及樁體位移有限元計(jì)算分析

楊保全1，丘 濱2，陳先威1

（1.河海大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210098；2.江蘇省電力設(shè)計(jì)院勘測(cè)部，南京 211100）

分析了雙排圍護(hù)樁的工程效應(yīng)及其結(jié)構(gòu)受力特性，結(jié)合工程實(shí)例，利用ADINA有限元軟件建立了雙排圍護(hù)樁的三維模型，對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中樁體位移及不同排距情況下的樁體結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行了計(jì)算分析。結(jié)果表明，樁體位移法計(jì)算值與實(shí)測(cè)值接近，說(shuō)明模擬效果較好，對(duì)于類似工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)施工具有一定的指導(dǎo)作用。

雙排圍護(hù)樁；排距；有限元計(jì)算；變形

目前城市建設(shè)中地下工程越來(lái)越多，尤其是深基坑工程，其圍護(hù)樁的結(jié)構(gòu)對(duì)樁體位移及變形影響較大，目前所采用的雙排圍護(hù)樁是一種新型的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有較大的側(cè)向剛度，可以有效地限制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形，因而其圍護(hù)深度比一般懸臂式圍護(hù)結(jié)構(gòu)深。從結(jié)構(gòu)上分析，雙排圍護(hù)樁如同嵌入土中的門(mén)式框架，與單排懸臂結(jié)構(gòu)、內(nèi)撐式圍護(hù)結(jié)構(gòu)相比，具有施工方便、擋土結(jié)構(gòu)受力條件好等優(yōu)點(diǎn)，因此在工程中得到了廣泛的應(yīng)用［1～3］。

然而，作為一種較新型的支護(hù)形式，目前其設(shè)計(jì)計(jì)算理論尚不成熟，對(duì)于開(kāi)挖過(guò)程中樁體結(jié)構(gòu)的位移和受力情況研究也很少，且大多局限于二維分析；因此，作者結(jié)合具體工程，建立了雙排圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)的三維模型，對(duì)玄武湖 九華山隧道工程一基坑開(kāi)挖過(guò)程中雙排圍護(hù)樁樁體的位移情況進(jìn)行了模擬計(jì)算，并分析了不同排距對(duì)樁體結(jié)構(gòu)變形的影響，其結(jié)果對(duì)于優(yōu)化設(shè)計(jì)和指導(dǎo)工程實(shí)踐都具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 雙排圍護(hù)樁支護(hù)結(jié)構(gòu)特性

雙排圍護(hù)樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移主要受樁間土、樁周土及其自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的控制。它通過(guò)對(duì)樁間土的合理利用，發(fā)揮前后排樁之間的協(xié)調(diào)作用，綜合利用空間效應(yīng)，產(chǎn)生大的側(cè)向剛度，使支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移能力大大提高。樁間土對(duì)前后排樁的土壓力大小與前后排樁的排距有關(guān)，故雙排圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)可看成前后排樁都受到大小不等土壓力作用的平面剛架。當(dāng)排距較小時(shí)，土壓力主要由后排樁承擔(dān)，前排樁只承受樁間土對(duì)其產(chǎn)生的較小的土壓力，同時(shí)橫梁對(duì)前排樁產(chǎn)生推力；隨著排距的增大，前排樁承受的土壓力也隨之增大，直到承受幾乎全部土壓力，而橫梁也由受壓變?yōu)槭芾?］。

當(dāng)雙排圍護(hù)樁樁徑與前后排樁排距變化時(shí)，其工作性狀也發(fā)生變化，如圖1、圖2所示：當(dāng)排距較小時(shí)，只能視雙排圍護(hù)樁為增加自身剛度的疊合樁，樁土協(xié)同作用難以發(fā)揮；而當(dāng)排距較大時(shí)，則可認(rèn)為趨于拉錨樁，后排樁利用土抗力起到錨拉支撐作用，無(wú)從談及樁土協(xié)同空間效應(yīng)；只有當(dāng)排距在某一范圍內(nèi)，雙排圍護(hù)樁才能發(fā)揮其受力條件好、位移小的特點(diǎn)［4，5］。

圖1 雙排圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.1 Profile of the double-row piles

圖2 排距變化對(duì)雙排圍護(hù)樁工作性狀影響示意圖Fig.2 Diagrams of the double-row piles with different row spacings

2 工程概況及計(jì)算模型

2.1 工程概況

南京玄武湖 九華山隧道工程是南京市城市快速內(nèi)環(huán)的重點(diǎn)段，其主體結(jié)構(gòu)分為湖中段及陸地段，其中湖中段兩側(cè)基坑垂直開(kāi)挖段與放坡開(kāi)挖段過(guò)渡段采用雙排圍護(hù)樁支護(hù)結(jié)構(gòu)?；悠矫鏋榫匦危_(kāi)挖深度9.4 m，據(jù)地質(zhì)勘查及《基坑設(shè)計(jì)支護(hù)施工圖》，施工范圍土體分為3層：一層以淤泥、雜填土、素填土為主；二層為淤泥質(zhì)亞粘土、粉土、粉砂；三層為粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土混碎石、礫石。支護(hù)結(jié)構(gòu)樁體采用鉆孔灌注樁，前后兩排樁共23根，呈“丁”字型布置，樁長(zhǎng)均為19.15 m，樁徑為1.1 m，前排樁樁間距為1.3 m，后排樁為2.6 m，前后排樁排距為3.6 m，樁頂以連梁連接，連梁厚0.4 m①南京市測(cè)繪勘查研究院有限公司.九華山隧道工程基坑支護(hù)設(shè)計(jì)施工圖.2004年11月.。

2.2 三維有限元模型

本文利用ADINA（Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis）有限元分析軟件建立模型并進(jìn)行有限元計(jì)算，該軟件是對(duì)固體、結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)-流體系統(tǒng)作靜、動(dòng)位移和應(yīng)力分析的一個(gè)計(jì)算機(jī)程序，對(duì)于分析靜力的線性、非線性問(wèn)題具有較強(qiáng)的適應(yīng)性②ADINA北京辦事處.ADINA使用手冊(cè).。

根據(jù)矩形基坑的對(duì)稱性，為了減小計(jì)算規(guī)模，取1／4基坑為研究對(duì)象建立模型；同時(shí)將研究區(qū)域豎向邊界擴(kuò)大至開(kāi)挖面以下28.2 m，水平邊界范圍自基坑邊緣向外延伸28.2 m?？紤]到前排樁樁間凈距只有0.2 m，相對(duì)于1.1 m的樁徑而言較小，根據(jù)文獻(xiàn)［6］中等效抗彎剛度的方法，將前排樁等價(jià)成連續(xù)介質(zhì)，后排樁、圈梁以實(shí)體建模。三維計(jì)算域4個(gè)側(cè)面邊界采用法向約束，計(jì)算域地面采用固定約束。為分析基坑開(kāi)挖過(guò)程中不同階段樁體位移情況，利用ADINA程序中的單元生死功能來(lái)模擬基坑開(kāi)挖過(guò)程，計(jì)算過(guò)程中將基坑設(shè)置為分3步開(kāi)挖：第1步開(kāi)挖至3.4 m，第2步、第3步再分別開(kāi)挖3 m。

有限元分析中，土體選用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型，樁體、蓋梁選用線彈性材料［7，8］；采用水土合算的方法來(lái)考慮地下水；劃分單元時(shí)，采用對(duì)模型手工劃分單元的方法，在基坑周圍支護(hù)結(jié)構(gòu)區(qū)域劃分較密，離基坑較遠(yuǎn)處網(wǎng)格劃分漸疏；單元?jiǎng)澐诌x用八結(jié)點(diǎn)平行六面體單元，最終樁體共劃分3 040個(gè)3D單元，蓋梁共劃分710個(gè)3D單元，土體共劃分50 370個(gè)3D單元，整個(gè)模型共58 499個(gè)結(jié)點(diǎn)。剖分后的有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元計(jì)算模型Fig.3 Model of the finite element method

2.3 計(jì)算參數(shù)選擇

計(jì)算模型中土層的物理力學(xué)參數(shù)及支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)取值見(jiàn)表1、表2。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 The physical and mechanical parameters of soil

表2 樁體、蓋梁物理力學(xué)參數(shù)Table 2 The physical and mechanical parameters of the pile and bent cap

3 計(jì)算結(jié)果及分析

通過(guò)計(jì)算，得到在基坑開(kāi)挖至3.4 m，6.4 m和9.4 m時(shí)對(duì)應(yīng)的前、后排樁樁體水平方向最大位移量及最大變形出現(xiàn)的位置，如表3所示。

表3 基坑開(kāi)挖不同階段支護(hù)結(jié)構(gòu)位移結(jié)果Table 3 Displacements of supporting structures in different stages of the foundation pit

從表中可以看出，在基坑開(kāi)挖深度由3.4 m到6.4 m再到9.4 m時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)相應(yīng)的最大位移從-9.06 mm到-19.95 mm再到-31.34 mm，可見(jiàn)開(kāi)挖深度對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響非常明顯，而且相同的是，在3個(gè)時(shí)刻支護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形位置均出現(xiàn)在基坑中部樁頂處。當(dāng)基坑開(kāi)挖完畢至9.4 m時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移云圖及變形云圖分別如圖4、圖5所示。

圖4 開(kāi)挖9.4 m支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移云圖Fig.4 Nephogram of horizontal displacement at the depth of 9.4m

圖5 開(kāi)挖9.4 m支護(hù)結(jié)構(gòu)變形云圖Fig.5 Nephogram of deformation at the depth of 9.4 m

可以看出：由于支護(hù)結(jié)構(gòu)前排樁連續(xù)分布，為主要受力部分，而后排樁間隔分布，為空間協(xié)同受力，通過(guò)樁間土體力的傳遞作用共同抵抗變形，此時(shí)前排樁底部位移較后排樁大許多。

通過(guò)不同時(shí)刻支護(hù)結(jié)構(gòu)位移圖對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)在其拐角處側(cè)向位移最小，向基坑中部側(cè)向位移逐漸增大，沿基坑深度方向，基坑開(kāi)挖面以上支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移增大較快，在樁頂處位移達(dá)到最大值；在圈梁作用下，前后排樁樁頂水平位移相等，說(shuō)明連梁在協(xié)調(diào)前后排樁變形方面起有一定作用。

將開(kāi)挖9.4 m后雙排圍護(hù)樁前排第15根樁、后排第8根樁的位移計(jì)算結(jié)果與其樁體上所設(shè)置的測(cè)斜管實(shí)測(cè)位移進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6、圖7所示［9］。

圖6 前排第15根樁水平位移對(duì)比Fig.6 Comparison diagram of horizontal displacements of the the 15th pile in front row

圖7 后排第8根樁水平位移對(duì)比圖Fig.7 Comparison diagram of horizontal displacements of the 8th pilein back row

從圖中可以看出：有限元計(jì)算位移與實(shí)測(cè)位移分布規(guī)律基本符合，反應(yīng)了基坑開(kāi)挖過(guò)程中支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形特征，但是兩者仍存在一定差異：① 基坑開(kāi)挖面以上有限元計(jì)算水平位移值普遍偏小，而實(shí)測(cè)位移值相對(duì)較大。分析其原因，是在有限元計(jì)算過(guò)程中，基坑外側(cè)未考慮荷載作用，而實(shí)際施工過(guò)程中，施工機(jī)械在基坑周圍施加的外荷載，坑邊堆放的大量建材，都有可能導(dǎo)致基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)上部水平位移變大；②基坑開(kāi)挖面以下計(jì)算位移值較測(cè)斜管實(shí)測(cè)位移值大，其原因可能是基坑開(kāi)挖到設(shè)計(jì)深度以后，根據(jù)設(shè)計(jì)與監(jiān)測(cè)要求，現(xiàn)場(chǎng)立即施工隧道底板，避免了基坑在無(wú)支撐狀態(tài)下暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，底板對(duì)支護(hù)樁起到很好的限制水平位移的作用，因此，在開(kāi)挖面以下實(shí)測(cè)樁體側(cè)向位移值較計(jì)算值偏小，也說(shuō)明基坑開(kāi)挖施工過(guò)程中對(duì)基底軟土處理和及時(shí)施工底板對(duì)基坑穩(wěn)定意義重大。

4 排間距對(duì)樁體位移影響分析

在雙排圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，排距是對(duì)其工作性狀影響較大的一個(gè)因素，因此，作者在上面模型的基礎(chǔ)上以排距2 d，3 d，4 d，5 d，6 d，8 d（d為樁徑，以下同）分別建立三維模型，來(lái)分析不同情況下的樁體位移。經(jīng)計(jì)算，其結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 不同排距時(shí)前排樁位移Fig.8 Displacements of the front piles with different row spacings

圖9 不同排距時(shí)后排樁位移Fig.9 Displacements of the back piles with different row spacings

通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析可以看出：當(dāng)前后排樁排距較小時(shí)，如S=2 d～3 d，雙排圍護(hù)樁可視為增加自身剛度的疊合樁，前后排樁空間協(xié)同作用較弱，排樁、蓋梁和樁間土組成的圍護(hù)結(jié)構(gòu)抗彎剛度相對(duì)較小，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形相對(duì)較大；當(dāng)前后排樁排距較大，如S＞6 d時(shí)，后排樁所受樁后土壓力減小，對(duì)前后排樁間土作用減弱，協(xié)同前排樁共同抵抗變形的作用減弱，只是通過(guò)樁頂蓋梁作用來(lái)保持樁頂變形一致，此時(shí)的后排樁受力類似拉錨樁。因此，綜合分析前后兩排樁的位移，本文認(rèn)為最合理排距為S=4 d。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）利用ADINA有限元軟件，以南京玄武湖九華山隧道工程為背景建立雙排圍護(hù)樁三維模型，經(jīng)計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)位移計(jì)算值與實(shí)測(cè)值接近，變化特征基本一致，較好地反映了工程實(shí)際情況，計(jì)算結(jié)果可靠。

（2）雙排圍護(hù)樁是一種空間門(mén)架式支護(hù)結(jié)構(gòu)，前后排樁變形存在顯著的空間效應(yīng)，以基坑中部樁為最大，向基坑拐角處逐漸減小，呈拋物線形分布。

（3）開(kāi)挖深度對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)位移影響明顯，同時(shí)，連梁在協(xié)調(diào)前后排樁位移方面作用顯著。

（4）通過(guò)不同排距的樁體位移計(jì)算結(jié)果對(duì)比，前后排樁排距為4 d時(shí)樁體與蓋梁協(xié)同抵抗變形的能力較好，為雙排圍護(hù)樁設(shè)計(jì)施工提供可靠依據(jù)。

［1］ 龔曉南，高有潮.深基坑工程設(shè)計(jì)施工手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1998.

［2］ 黃 強(qiáng).深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與施工［M］.武漢：中國(guó)建材工業(yè)出版社，1995.

［3］ 余志成，施文華.深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與施工［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997.

［4］ 孫家樂(lè)，張欽喜，許寶華.深基空間組合支護(hù)樁設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用［J］.工業(yè)建筑，1995，（9）：8-10.

［5］ 楊建斌，潘秋元，朱向榮.深基坑開(kāi)挖雙排圍護(hù)樁支護(hù)性狀分析［J］.浙江建筑，1995，（1）：9-10.

［6］ 熊巨華.一類雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化計(jì)算方法［J］.勘察科學(xué)技術(shù)，1999，（2）：32-33.

［7］ 錢(qián)家歡，殷宗澤.土工原理與計(jì)算（第二版）［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，1996.

［8］ 陳惠發(fā)［美］，薩里普A.F.土木工程材料的本構(gòu)方程（第一卷）［M］.余天慶，王勛文譯.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2001.

［9］ 周云東.南京市快速內(nèi)環(huán)東線工程標(biāo)段三陸地段及湖中段基坑監(jiān)測(cè)總結(jié)報(bào)告［R］.南京：河海大學(xué)，2005.

Deformation Analysis of Double-row Piles by Finite Element Method

YANG Bao-quan1，QIU Bin2，CHEN Xian-wei1

（1.College of Civil Engineering，HoHai University，Nanjing 210098，China；2.Survey Department，Jiangsu Electric Power Design Institute，Nanjing 211100，China）

The deformations of the double-row piles are analyzed in this paper.A 3D finite element model is introduced based on an engineering illustration.The displacement of the piles during excavation is computed by ADINA（automatic dynamic incremental nonlinear analysis）.The results are compared to the observed values and in good agreement with the observed data.Parametric studies are conducted to optimize the pile structure.

double-row pile；row spacing；finite element method；deformation

TU67

A

1001-5485（2009）07-0052-04

2008-09-01；

2008-12-29

楊保全（1964-），男，湖北廣水人，副教授，博士研究生，主要從事工程基礎(chǔ)處理及地下水研究工作，（電話）13505169866（電子信箱）yang bao quan＠163.com。

（編輯：劉運(yùn)飛）