張京，李大華，王鑫，張自光

雙排樁在深基坑工程中的應用與分析

張京1，李大華1，王鑫2，張自光1

（1.安徽建筑大學 土木工程學院，合肥 230601；2.江蘇雷威建設工程有限公司，南京 210003）

既有圍護樁于一體的雙排樁支護結構是一種新型的基坑支護結構。該結構體系在實際工程中應用較少，為了驗證其在實際工程中的合理性與安全性，基于合肥市某深基坑工程，對雙排樁結構計算的模型、方法以及前后排樁的受力進行闡述和計算；對施工過程進行監(jiān)測并運用有限元軟件MIDAS GTS模擬分析基坑開挖后前排樁及周圍土體的位移，通過監(jiān)測值和模擬值對比分析，二者較為接近。該工程的順利實施，證實了既有圍護樁于一體的雙排樁支護結構在實際工程中是適用的成熟的。同時可以為以后類似實際工程提供參考。

基坑支護；雙排樁；監(jiān)測；有限元

近年來，隨著城市建筑的快速發(fā)展，地下空間開發(fā)規(guī)模越來越大，這推進了基坑工程技術水平的快速發(fā)展，在基坑支護結構方面，呈現(xiàn)出新的特點和形式。例如內(nèi)支撐、單排樁、樁錨、土釘墻、雙排樁等[1-3]。本工程考慮到周圍場地的特性、工程造價、基坑的用途等實際情況，采用既有圍護樁于一體的雙排樁作為基坑支護形式。既有圍護樁于一體的雙排樁支護結構是一種新型的基坑支護結構，它與單排樁相比，具有更大的側向剛度，受力性能和控制變形能力更強[3-4]；與單排樁錨式支護體系相比，對周圍環(huán)境的影響更小[5]；與內(nèi)支撐相比，雙排樁支護施工更加方便，對基坑用途沒有太多的要求。

目前，雙排樁結構的計算模型有：經(jīng)典土壓力理論模型、比例系數(shù)法計算模型、溫克爾地基計算模型、土拱理論計算模型[1-5]。然而這些計算模型中，對于雙排樁而言，研究前后排樁的受力大小，不僅可以對前后排樁的設計剛度和樁徑、樁間距進行把控，而且能極大的提高雙排樁對深基坑支護的安全性，土體積比例系數(shù)法就可以解決這個問題。土體積比例系數(shù)法是通過雙排樁的樁間滑動土體體積占樁后滑動土體總體積的比例來對比例系數(shù)進行相應的確定[2-6]，從而計算出土壓力對前后排樁的分配情況[7]。

但這種研究方法在“雙排樁對深基坑支護的應用”中還不是很多。本文通過對既有圍護樁于一體的雙排樁結構計算方法在合肥地區(qū)實際工程應用的論述、計算和有限元的模擬分析，一是豐富了國內(nèi)地區(qū)對于雙排樁支護形式的應用研究，二是還原實際情況，以實際當中的監(jiān)測過程，研究在雙排樁支護的情況下，基坑開挖完成后的樁體位移以及周邊環(huán)境安全性的影響。

本文基于合肥市某深基坑工程，詳細介紹了雙排樁結構計算方法中的土體積比例系數(shù)法以及通過有限元軟件MIDAS GTS模擬分析了基坑開挖完成后樁體位移和周圍土體沉降[4-8]，利用該工程實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，論證了既有圍護樁于一體的雙排樁結構在深基坑支護應用中的合理性[8-10]。

1 工程背景

1.1 工程概況

合肥市某深基坑工程基坑面積約為8309m2，基坑總延長約為400m，基坑開挖的深度為12.96~13.50m，安全等級為一級，設計使用年限為一年。該工程在區(qū)間K663.7~K694.9段線路左側距離框架結構邊23.9m為一層混凝土結構房屋；線路K666.6~K702.3右側距離框架結構邊18.6m為油庫廠房，其周圍可能埋設輸油管路；線路K722.2~K781.5右側為運轉機調(diào)、整備車間，帶有地下室，地下室大約7m深，前期已采用懸臂式鉆孔灌注樁進行支護，既有的支護樁距離最近的框架結構外邊線約2.4m，線路兩端頭為頂進工作坑掌子面。

根據(jù)建筑場地的地質(zhì)條件，基坑的開挖深度以及周邊環(huán)境等情況，支護方式應分段進行設計，如圖1所示。

圖1 基坑平面布置圖

1.2 地質(zhì)水文狀況

根據(jù)現(xiàn)場的勘察報告，場地巖土層從上而下劃分為：第1層是耕作土，層厚為1.5~1.8m，灰-褐灰色，松散，含有較多植物的根莖；第2層是雜填土，層厚為0.8~3.2m，褐-黃灰色，松散，含有少量的建筑垃圾；第3層是黏土，土層厚度為22.79~31.69m，堅硬，含有一些高嶺土和粉質(zhì)土等。

工程場地地下水是上層滯水。它主要存在于填土中，受地表水徑流等影響，地下水主要以地面蒸發(fā)方式排泄，水量小，易于疏干。

1.3 工程特性

某工作坑箱涵制造圖如圖2所示。

（1）土釘支護由于安全性不夠好，其在城市重要深基坑支護中的應用受到了控制，本基坑工程安全等級為一級，因此不考慮土釘支護；

（2）樁錨支護因本工程在線路K666.6~K702.3右側距離框架結構邊18.6m為油庫廠房，其周圍可能埋設輸油管路，在本基坑工程中也受到限制；

（3）考慮到本基坑的用途是用來制造箱涵，因此內(nèi)支撐支護結構同樣受到一定的限制；

（4）本工程若采用單排樁支護，經(jīng)分析計算，它的抗傾覆穩(wěn)定性不能滿足規(guī)范要求；

（5）基坑放坡邊緣處距離已有建筑物大約1m，建筑物地下有圍護樁，本基坑支護正好借助于已有建筑物地下的圍護樁做成雙排樁支護，這樣不僅減少了工程造價，也提高了施工效率，縮短了施工工期，此項措施為該工程的特色；

（6）通過以上該工程特性的論述，采用雙排樁支護結構作為基坑的支護形式更合理、更經(jīng)濟、更安全。

圖2 工作坑箱涵制造圖

2 工程實例應用

2.1 雙排樁結構計算模型及方法

2.1.1 計算模型

雙排樁在深基坑支護結構中應用廣泛，主要在于它受周圍地質(zhì)環(huán)境影響較小，施工方便，對主體結構的施工進度影響不大?；娱_挖時，前后排樁都受到一定的土壓力作用，但是土壓力對前后排樁的分配力是不同的，這就導致對前后排樁的剛度、樁徑以及樁間距設計要求不同。因此，研究土壓力對雙排樁的分配顯得至關重要。土體積比例系數(shù)法就是基于前后排樁的土壓力分配系數(shù)，它由我國著名學者所提出的，是按照室內(nèi)模型的試驗以及工程的實際測試結果推算了該方法。土體積比例系數(shù)法是采用雙排樁樁間滑動土體體積占樁后滑動土體總體積的比例來對比例系數(shù)進行相應的確定。這種方法計算簡便，因而成為現(xiàn)階段設計過程中采用的方法之一。

針對以下計算模型是建立在如下4個基本假設條件之上。

（1）把前排樁和后排樁當作成為了一個頂端和連梁剛接的門式鋼架結構；

（2）雙排樁之間的連梁受力不會產(chǎn)生拉伸和壓縮變形，僅僅只作平移并不會轉動；

（3）雙排樁受力時樁頂水平位移一致；

（4）在進行土壓力的計算時，主要采用朗肯土壓力進行計算。

分配系數(shù)的確定（見圖3）：

雙排樁在進行布樁的時候通常有兩種布樁形式，分別為矩形布樁和三角形布樁。

①三角形布樁（見圖4）

圖3 比例系數(shù)確定方法

圖4 三角形布樁土壓力傳遞圖

(2)

②矩形布樁（見圖5）

(3)

圖5 矩形布樁土壓力傳遞圖

2.1.2 雙排樁土壓力分析

按照土體積比例系數(shù)法的基本假設，將雙排樁分成前排樁和后排樁分別進行土壓力計算。

前排樁（圖6）的被動土壓力合力為

式中，表示土體重度，0表示樁長，表示樁嵌入土體的深度，K表示主動土壓力系數(shù)，K表示被動土壓力系數(shù)，表示土體粘聚力。

后排樁（圖7）主動土壓力合力為

圖7 后排樁結構計算簡圖

被動土壓力合力為

式中，表示土體粘聚力，表示樁長，K表示主動土壓力系數(shù)，K表示被動土壓力系數(shù)。

2.2 雙排樁在工程中的具體應用

下面選取基坑線路FG段進行分析，F(xiàn)G段從地面按1∶1.25的坡率放坡4m，坡面掛設8@200mm×200mm鋼筋網(wǎng)，噴射80mm厚C20混凝土。支護樁采用雙排樁，前排樁為1000@1500mm鉆孔灌注樁，樁頂設1200mm×800mm鋼筋混凝土冠梁，后排樁為既有800@1500mm鉆孔灌注樁（已施做完成），冠梁之間設置500mm厚連板。

結合上文提到的雙排樁結構計算模型和方法，對此次實際工程進行分析計算，以驗證基坑工程在雙排樁支護的情況下，不會發(fā)生坍塌，滿足受力變形要求，保證工程的安全性。根據(jù)工程地質(zhì)條件，雙排樁結構處于粘土層范圍內(nèi)。下文為雙排樁受力情況的具體分析計算。

圖8 雙排樁支護結構刨面圖（mm）

2.2.1 雙排樁分配系數(shù)

在進行雙排樁土壓力計算時，首先應確定它們之間的分配系數(shù)。

分配系數(shù)取下式計算

2.2.2 前排樁土壓力計算

主動土壓力系數(shù)為

被動土壓力系數(shù)為

該工程雙排樁排樁形式采用的是三角形布樁，采用式(4),(5)計算

主動土壓力：

被動土壓力：

即雙排樁連梁受到的軸力=2132.5-1496.8=635.7kN方向向基坑外側。

2.2.3 后排樁土壓力計算

對后排樁的主動土壓力大小和被動土壓力大小分別進行計算，采用式(6),(7)：

主動土壓力：

被動土壓力：

即雙排樁連梁受到的軸力′=18002.8-751.2=17251.6kN方向向基坑內(nèi)側。

由于′遠大于，因此，雙排樁不會發(fā)生傾斜，對深基坑的支護是安全可靠的。

2.2.4 抗傾覆穩(wěn)定性

根據(jù)《建筑基坑支護技術規(guī)范》，雙排樁支護體系應該滿足抗傾覆要求。假如雙排樁支護體系繞前排樁底部發(fā)生轉動，這時前排樁就會受到基坑內(nèi)側的被動土壓力作用，阻止雙排樁轉動，同時后排樁受到主動土壓力的作用也阻止它轉動，這兩個力的協(xié)同作用增強了雙排樁支護結構的穩(wěn)定性。雙排樁以及樁間土的重力會產(chǎn)生傾覆作用（圖9）。

圖9 雙排樁支護結構抗傾覆穩(wěn)定性驗算

抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)：

大于K=1.25，滿足規(guī)范要求。

2.2.5 抗滑移穩(wěn)定性

本工程雙排樁支護結構體系處于粘土層的范圍內(nèi)，因此采用圓弧滑動條分法進行計算。按照一定比例繪制該基坑的截面圖，滑動圓弧的圓心可以任意選取。

經(jīng)計算整體穩(wěn)定安全性系數(shù)大于1.3，滿足要求。

3 數(shù)值分析

3.1 模型建立

為了進一步驗證既有圍護樁于一體的雙排樁支護結構在深基坑工程應用中的合理性與成熟性，本文選用MIDAS GTS NX有限元軟件建立基坑雙排樁支護數(shù)值模擬模型圖（圖10）。材料采用修正摩爾庫倫本構模型，模型邊界條件設置為頂面自由，其它面法向約束。模擬基坑開挖時，雙排樁采用梁單元，其彈性模量為31.5GPa，泊松比為0.2。為了精確計算，本文在使用MIDAS GTS時采用了定義線性梯度的方法，使得雙排樁附近的網(wǎng)格相對密集、而邊界網(wǎng)格相對稀疏。表1為各土層參數(shù)性質(zhì)。

圖10 雙排樁模型

表1 土層的參數(shù)表格

3.2 結果分析

當基坑開挖到坑底位置時，基坑周圍土體的位移分布如圖11所示。水平最大位移發(fā)生在樁的上半部分、且最大為3.45mm，由于基坑沒有設置內(nèi)支撐，因此，最大位移發(fā)生在支護樁的上半部分。豎直最大沉降為8.75mm，且最大沉降位置發(fā)生在距后排樁約6m處，水平以及沉降位移都相對較小，因此雙排樁支護是安全的。由豎直位移分布圖可以看出，雙排樁支護下基坑開挖對周邊土體影響范圍大，達到了約30m，因此在采用雙排樁支護時，要加大土體表面沉降的監(jiān)測范圍，從而保證基坑更加安全可靠。

圖11 基坑開挖完成后周圍土體的位移分布云圖

3.3 工程實施效果

（1）本工程基坑圍護結構采用既有圍護樁于一體的雙排樁形式，即后排樁借助于相鄰建筑物地下圍護樁做成既有圍護樁于一體的雙排樁結構，使得附近建筑物地下的圍護樁得到了二次利用，極大降低了工程建造成本、縮短了工期，滿足環(huán)境友好、建筑節(jié)能與可持續(xù)發(fā)展的理念，會對社會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。

（2）通過雙排樁結構計算方法中的土體積比例系數(shù)法，計算出了雙排樁在基坑支護中、它的前后排樁的受力合乎實際情況，不會發(fā)生傾覆，滿足工程的安全性。

（3）在施工過程中，通過對雙排樁結構與基坑邊坡頂部水平位移、周圍土體沉降等數(shù)據(jù)的監(jiān)測，與模擬值進行比較，二者數(shù)值相差比較小且都在預警值范圍內(nèi)，進一步驗證了雙排樁支護在本基坑工程應用中是安全的，成熟的。

（4）本工程的完成取得了良好的效果，為其他類似工程提供了參考。

4 結論

通過雙排樁支護結構在合肥市某深基坑工程中的應用，現(xiàn)得到以下重點結論：

（1）基坑面積大，周邊環(huán)境復雜且不具備錨桿施工的條件下，可以考慮采用雙排樁支護。

（2）采用既有圍護樁于一體的雙排樁形式，使得附近建筑物地下的圍護樁得到了二次利用，極大降低了工程建造成本、縮短了工期，滿足環(huán)境友好、建筑節(jié)能與可持續(xù)發(fā)展的理念，會對社會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。

（3）通過雙排樁結構計算方法中的土體積比例系數(shù)法，得出前、后排樁的受力大小，并分析滿足實際情況，不會發(fā)生傾覆，保證了本工程在雙排樁支護的條件下是安全可靠的。

（4）運用有限元軟件MIDAS GTS NX模擬基坑開挖完成后雙排樁水平位移及周圍土體沉降值，模擬結果與實測結果吻合良好，表明該有限元分析方法是可行的。

（5）雙排樁最大水平位移發(fā)生在樁的上半部分且最大為3.45mm，周圍土體最大沉降為8.75mm，且最大沉降位置發(fā)生在距后排樁約6m處，。

（6）通過基坑工程的監(jiān)測和有限元模擬，結果表明，基坑開挖引起的雙排樁和周圍土體的位移都在控制范圍內(nèi)，說明該工程基坑支護是可靠的，可為類似工程提供參考。

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Application and analysis of double row piles in deep foundation pit engineering

ZHANG Jing1，LI Da-hua1，WANG Xin2，ZHANG Zi-guang1

(1.School of Civil Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601, China; 2.Jiangsu Leiwei Construction Engineering Co., Ltd., Nanjing 210003, China)

The double row pile supporting structure with existing retaining piles is a new type of foundation pit supporting structure. In order to verify its rationality and safety in practical engineering, based on a deep foundation pit project in Hefei, this paper expounds and calculates the calculation model and method of double row pile structure and the stress of front and back row piles; monitors the construction process and uses the finite element software MIDAS. The displacement of front row pile and surrounding soil after foundation pit excavation is simulated by GTS. Through the comparative analysis of monitoring value and simulation value, the two are close. The successful implementation of the project proves that the existing double row pile retaining structure is suitable and mature in practical engineering. At the same time, it can provide reference for similar practical projects in the future.

foundation ditch support；double-row piles；monitor；finite element

2021-02-24

安徽建筑大學校引進人才及博士啟動基金項目（2019QDZ24）；中安華力建設集團有限公司產(chǎn)學研合作項目（HYB20190152）

張京（1993-），男，安徽蚌埠人，碩士，主要從事工程結構的現(xiàn)代施工技術研究，616003506@qq.com。

TU753

A

1007-984X(2021)04-0076-09