田忠青　沈保根

摘 要： 雙排樁結(jié)構(gòu)已經(jīng)逐漸廣泛地應(yīng)用于深基坑工程支護(hù)中，但三排樁結(jié)構(gòu)應(yīng)用仍較少，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)尚無(wú)明確的規(guī)范可依、無(wú)成熟的經(jīng)驗(yàn)供參考，給工程設(shè)計(jì)和工程建設(shè)帶來(lái)了諸多困難。依托某市區(qū)航道整治工程中采用的新型三排樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)，結(jié)合基于反演計(jì)算參數(shù)得到的三排樁有限元計(jì)算結(jié)果，以及三排樁結(jié)構(gòu)受力變形機(jī)理的探討分析，研究提出了更符合工程實(shí)際的改進(jìn)理正三排樁計(jì)算模型，并對(duì)該改進(jìn)計(jì)算模型的土壓力分配、前中后排樁土彈簧m值、樁前岸坡的作用方法等進(jìn)行了探討，以為高深岸坡工程中三排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：三排樁；雙排樁；設(shè)計(jì)；計(jì)算方法

中圖分類號(hào)：U443.15 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2016）09-0073-03

在對(duì)沿河城市原有航道進(jìn)行整治和擴(kuò)建的施工過(guò)程中，會(huì)面臨鄰近高層建筑的河道深基坑與河岸高邊坡等開(kāi)挖施工帶來(lái)的眾多不可避免的安全與穩(wěn)定問(wèn)題。市區(qū)運(yùn)河工程周邊環(huán)境復(fù)雜，臨近密集的高層建筑群，受到嚴(yán)格的場(chǎng)地限制，于是適應(yīng)性強(qiáng)、剛度大且受力變形合理的多排樁支護(hù)阻滑結(jié)構(gòu)得到了較多的應(yīng)用。但是目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)理論和設(shè)計(jì)計(jì)算方法尚未有成熟統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，關(guān)于三排樁的受力變形機(jī)理與設(shè)計(jì)計(jì)算方法的研究成果則更是幾乎空白。因此探討岸坡工程中三排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力變形機(jī)理與合理設(shè)計(jì)計(jì)算模型，對(duì)指導(dǎo)實(shí)際的工程設(shè)計(jì)與建設(shè)有著重要的意義和價(jià)值。

由于三排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無(wú)規(guī)范可依，缺乏工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，方案設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)抗傾覆驗(yàn)算時(shí)，通常采用不能考慮中間一排樁有利作用的保守設(shè)計(jì)方法。設(shè)置三排樁實(shí)際上縮短了排樁的間距，增強(qiáng)了三排樁結(jié)構(gòu)整體剛度與空間組合效應(yīng)，同時(shí)影響了樁間土拱效應(yīng)。因此本文結(jié)合工程實(shí)際，針對(duì)三排樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)高深岸坡工程中普通三排樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算模型和樁前三角岸坡有利作用等效方法兩個(gè)方面進(jìn)行研究，提出更符合實(shí)際的修正三排樁計(jì)算模型，為高深岸坡工程中三排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

某運(yùn)河工程位于長(zhǎng)江三角洲河網(wǎng)地區(qū)，連接長(zhǎng)江與太湖，橫跨安徽、江蘇、上海兩省一市，全長(zhǎng)296公里。該運(yùn)河城區(qū)段長(zhǎng)約4.3公里，河槽底寬20～25m。因河段斷面較窄，為滿足限制性III級(jí)航道寬度要求，對(duì)河道進(jìn)行擴(kuò)挖，南岸的防洪墻采取退建。該段上跨多條重要橋梁，防洪墻退建距最近一處高層建筑僅約15米，基坑安全等級(jí)及周邊環(huán)境等級(jí)均為一級(jí)，地基復(fù)雜程度為復(fù)雜，基坑監(jiān)測(cè)等級(jí)為一級(jí)。

2 常用的雙排樁計(jì)算模型

本文主要借鑒學(xué)者們關(guān)于雙排樁結(jié)構(gòu)的研究成果開(kāi)展研究工作，常用的雙排樁設(shè)計(jì)計(jì)算模型主要包括修正系數(shù)模型，等效抗彎剛度模型，土體積比例系數(shù)模型，理正雙排樁模型，平面桿系有限元模型以及基坑支護(hù)規(guī)范模型。以下主要總結(jié)目前最為常用的理正雙排樁模型。

2.1 理正雙排樁模型特點(diǎn)

理正雙排樁模型是基于經(jīng)典土壓力理論與文克爾假定的計(jì)算模型，考慮了冠梁的變形協(xié)調(diào)作用以及排距對(duì)前后排樁土壓力分布的影響，計(jì)算簡(jiǎn)便，概念清晰。樁排距越大，后排樁承受的主動(dòng)土壓力越小，最后便成為拉錨式的雙排樁。但是，理正模型未考慮前樁-土-后樁的相互作用以及冠梁的空間效應(yīng)，且當(dāng)樁嵌固深度較淺時(shí)，樁底會(huì)發(fā)生一定的水平位移而非固定不動(dòng)。

本文參考工程設(shè)計(jì)常用的雙排樁計(jì)算模型，采用平面桿系結(jié)構(gòu)彈性支點(diǎn)法分析三排樁結(jié)構(gòu)的變形與內(nèi)力，即采用豎向放置的彈性地基梁模擬三排樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)，支撐和錨桿簡(jiǎn)化為彈性支座，基坑開(kāi)挖面以下的土體采用彈簧模擬，基坑外側(cè)土壓力與水壓力作為荷載施加在結(jié)構(gòu)上。工程設(shè)計(jì)常用的雙排樁計(jì)算模型包括理正模型與新規(guī)范模型，目前均只能用于雙排樁結(jié)構(gòu)計(jì)算，并未能計(jì)算三排樁結(jié)構(gòu)。因此本節(jié)結(jié)合基于荷載結(jié)構(gòu)模型的平面桿系彈性支點(diǎn)法，對(duì)此兩種模型進(jìn)行簡(jiǎn)單推廣后，采用同濟(jì)曙光有限元正分析軟件的桿系結(jié)構(gòu)模型計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

為分析模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性與合理性，由理正模型與有限元模型計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析可知：

推廣理正模型位移計(jì)算結(jié)果（7.38mm）與有限元模型（10.52mm）相比略小，內(nèi)力計(jì)算結(jié)果較大。理正模型計(jì)算主動(dòng)土壓力荷載時(shí)，未考慮樁間水泥攪拌樁加固土的有利作用，采用了未加固前的土層參數(shù)；其次理正模型是基于荷載結(jié)構(gòu)法計(jì)算樁基內(nèi)力的，將支護(hù)結(jié)構(gòu)與土層分開(kāi)來(lái)考慮，支護(hù)結(jié)構(gòu)是承載土體，巖土層作為荷載與彈性支撐，未能考慮樁土間的相互作用，而有限單元法的計(jì)算理論是基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)原理的地層結(jié)構(gòu)法，將支護(hù)結(jié)構(gòu)與土層視為一體，共同承受岸坡開(kāi)挖導(dǎo)致的不平衡土壓力。因此理正模型內(nèi)力計(jì)算結(jié)果比有限元模型大；

位移較小的原因在于中后排樁內(nèi)側(cè)彈簧剛度采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算會(huì)導(dǎo)致約束較為嚴(yán)格，采用對(duì)地彈簧模擬會(huì)夸大樁間土反力作用，但是兩者相差不大，并且理正模型各排樁樁身變形曲線與有限元結(jié)果是相符，可以對(duì)理正模型進(jìn)行調(diào)整使其計(jì)算結(jié)果與有限元結(jié)果更加吻合，并更加適用于工程設(shè)計(jì)。

3 三排樁修正計(jì)算模型的探討

理正雙排樁模型簡(jiǎn)單推廣后計(jì)算得到樁身變形曲線與有限元結(jié)果較為相符，內(nèi)力值較大，一定程度上適用于工程設(shè)計(jì)，但是變形計(jì)算結(jié)果仍不太理想。對(duì)于環(huán)境條件復(fù)雜的基坑工程，其設(shè)計(jì)已由傳統(tǒng)的強(qiáng)度控制轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃慰刂芠7]，若在進(jìn)行岸坡工程三排樁設(shè)計(jì)時(shí)，采用簡(jiǎn)單推廣的理正模型必然會(huì)得到較為不安全結(jié)果。因此本文在三排樁理正模型基礎(chǔ)上進(jìn)行研究和改進(jìn)，根據(jù)依托工程的特點(diǎn)、有限元模型的受力模式以及計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，對(duì)土壓力分配、前中后排樁土彈簧m值與樁前岸坡的作用方法等進(jìn)行調(diào)整，以探討更為合理的、更符合實(shí)際的岸坡工程設(shè)計(jì)計(jì)算的三排樁修正計(jì)算模型。

3.1 土壓力計(jì)算調(diào)整

通過(guò)有限元模型中樁土間的接觸面單元的正應(yīng)力直觀反映出側(cè)向土壓力，以此研究有限元模型前、中、后排樁的受力規(guī)律。通過(guò)分析前排樁基坑外側(cè)側(cè)向土壓力值與理論土壓力值對(duì)比可知：①理正模型在計(jì)算主動(dòng)土壓力大小時(shí)，為使計(jì)算結(jié)果偏于安全，不考慮采用水泥攪拌樁加固淤泥質(zhì)粘土層后土壓力的變化，采用原土層參數(shù)計(jì)算主動(dòng)土壓力，會(huì)導(dǎo)致該土層區(qū)域三排樁結(jié)構(gòu)受到的土壓力比有限元模型大；②三排樁樁間水泥攪拌樁加固深度達(dá)到硬土層，理正模型在三排樁結(jié)構(gòu)土壓力分配時(shí)未能考慮樁間加固土的剛度；③有限元結(jié)果表明，中后排樁內(nèi)力曲線圖一致，中排樁內(nèi)力值比后排樁稍大，表明在前中排排距與中后排排距相等情況下，兩個(gè)受力機(jī)理與位移變形規(guī)律相似，且區(qū)別于前排樁；理正模型將主動(dòng)土壓力按滑裂土體體積比例分配到前中排樁上，會(huì)導(dǎo)致中后排樁的受力模式不一致。

綜上，本節(jié)對(duì)土壓力做以下調(diào)整：①前排樁承受所有主動(dòng)土壓力，開(kāi)挖面以上采用主動(dòng)土壓力荷載，開(kāi)挖面以下采用矩形土壓力荷載（分層土則采用分段的矩形荷載）；中后排樁僅作用地面超載引起的側(cè)向土壓力荷載，內(nèi)側(cè)采用土彈簧模擬土抗力；②對(duì)前排樁所受主動(dòng)土壓力進(jìn)行折減，以此考慮樁間攪拌樁的有利作用，折減系數(shù)為坑底有限元土壓力與理論土壓力比值，因此當(dāng)樁排距為4m時(shí)，折減系數(shù)為100/136=0.74。

經(jīng)過(guò)土壓力分配調(diào)整后，中后排樁受力曲線一致且與有限元計(jì)算結(jié)果相符，但前排樁彎矩尤其負(fù)彎矩（坑外彎矩）有明顯增加；前排樁樁身最大水平位移為6.89mm，但各排樁樁頂水平位移僅有2mm左右，與有限元計(jì)算的樁身變形曲線有所不同，原因在于：模擬中后排樁受到的土抗力采用了對(duì)地彈簧，當(dāng)前后排樁樁排距較小時(shí)，約束較為嚴(yán)格，造成土層剛度過(guò)大則位移偏小，因此仍需對(duì)土彈簧的計(jì)算進(jìn)行調(diào)整。

3.2 土彈簧計(jì)算調(diào)整

調(diào)整土彈簧主要從兩個(gè)方面考慮，包括前排樁樁前岸坡作用方式以及中后排樁內(nèi)側(cè)彈簧的剛度調(diào)整。

（1）樁前岸坡作用方式調(diào)整

樁前被動(dòng)區(qū)土體為三角形岸坡，原理正模型考慮方法是將岸坡開(kāi)挖深度折減1/3岸坡高度的簡(jiǎn)化方法，但是由于不同岸坡斜率對(duì)于三排樁結(jié)構(gòu)的土抗力明顯不同，當(dāng)斜率越小時(shí)，岸坡越接近水平，土抗力應(yīng)該越大；而當(dāng)斜率越大時(shí)，土抗力應(yīng)該越小，最終失去岸坡的支撐，因此本節(jié)考慮通過(guò)設(shè)置m值經(jīng)過(guò)折減的土彈簧模擬岸坡的抗力作用。經(jīng)過(guò)試算，前排樁岸坡處土彈簧地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m的折減系數(shù)取值為0.2。

（2）中后排樁內(nèi)側(cè)彈簧剛度調(diào)整

當(dāng)樁排距較小時(shí)，樁間土與各排樁的相互作用較大，此時(shí)采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算彈簧剛度會(huì)導(dǎo)致約束較為苛刻，并且樁上部岸坡高度范圍內(nèi)的約束應(yīng)當(dāng)更小，為體現(xiàn)隨樁間距減少樁間土體抗力減弱的特性，結(jié)合有限元計(jì)算結(jié)果，經(jīng)過(guò)多次試算，得到不同樁排距時(shí)中后排樁內(nèi)側(cè)彈簧剛度的折減系數(shù)如表1所示。

4 合理的三排樁修正計(jì)算模型

綜合對(duì)理正雙排樁模型的簡(jiǎn)單推廣與計(jì)算調(diào)整結(jié)果，采用以上土壓力與土彈簧調(diào)整后得到適用于岸坡土方卸載工程的合理的三排樁修正計(jì)算模型，稱為“三排樁修正模型”，以此對(duì)工程設(shè)計(jì)斷面進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算模型如圖1所示。

三排樁修正模型與有限元模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表2所示，可知：

（1） 采用三排樁修正模型計(jì)算岸坡工程三排樁結(jié)構(gòu)得到樁身變形結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果略大，從位移為零處至位移最大點(diǎn)，兩種方法得到前排樁變形曲線是一致的，但采用三排樁修正模型得到樁頂處位移值較小，由于連梁與中后排樁的牽引作用導(dǎo)致變形曲線有拐點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果表明三排樁修正模型適用于變形控制的設(shè)計(jì)方法；

（2） 當(dāng)三排樁最大側(cè)移值相符時(shí)，分析前排樁最大彎矩與最大剪力兩個(gè)重要的設(shè)計(jì)值發(fā)現(xiàn)，采用三排樁修正計(jì)算模型得到的彎矩值比采用有限元計(jì)算結(jié)果相差不大，表明三排樁修正計(jì)算模型適用于強(qiáng)度控制的設(shè)計(jì)方法。

5 結(jié)論

本文采用常用的雙排樁計(jì)算模型進(jìn)行初步的分析計(jì)算，規(guī)范三排樁模型計(jì)算得到的變形與內(nèi)力較有限元模型大得多，與實(shí)際不符。理正三排樁模型計(jì)算得到的變形值較有限元模型偏小，內(nèi)力計(jì)算結(jié)果偏大，但變化趨勢(shì)一致，更符合實(shí)際受力模式?；诶碚p排樁模型，調(diào)整樁前岸坡作用方式、土壓力計(jì)算與分配以及中后排樁內(nèi)側(cè)彈簧剛度后，得到了三排樁修正計(jì)算模型，計(jì)算得到的樁身側(cè)移與樁身最大內(nèi)力結(jié)果與有限元模型一致，計(jì)算模型簡(jiǎn)單，適用于高深岸坡工程的三排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為高深岸坡工程中三排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)計(jì)算分析提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉乃盛， 李慧慧， 廉斌. 運(yùn)河工程壩坡失穩(wěn)模糊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究[J]. 人民黃河， 2016（2）： 95 - 98.

[2]林棟. 用雙排灌注樁做深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的嘗試[J]. 建筑施工， 1994， 16（4）：8-9.

[3]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）：32-34.

[4]何頤華， 楊斌， 金寶森等. 雙排護(hù)坡樁試驗(yàn)與計(jì)算的研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)， 1996（2）： 58-66.

[5]鄭剛， 李欣， 劉暢等. 考慮樁土相互作用的雙排樁分析[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)， 2004， 25（1）： 99-106.

[6]中華人民共和國(guó)住房和成鄉(xiāng)建設(shè)部. JGJ120-2012， 建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社， 2012.

[7]徐中華， 王衛(wèi)東. 深基坑變形控制指標(biāo)研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào)， 2010， 6（3）： 619-626.