傳統(tǒng)雙排樁基坑支護結(jié)構(gòu)是在土體中設(shè)置前后兩排平行樁，兩排樁呈矩形或梅花形分布，在前后兩排樁樁頂用剛性冠梁連接，形成空間門架式的支護結(jié)構(gòu)[1]，以門式結(jié)構(gòu)的大剛度抵抗土層壓力。一般情況下，門式雙排支護樁呈懸臂式，且兩排樁間距通常在3～5m。門式雙排樁常用鋼筋混凝土灌注樁，冠梁采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，前、后排樁與冠梁剛性連接，形成空間結(jié)構(gòu)[2-4]。
多層連接雙排樁支護結(jié)構(gòu)是一種新型的基坑支護形式，有別于傳統(tǒng)雙排樁支護結(jié)構(gòu)。多層連接雙排樁支護結(jié)構(gòu)體系是由前、后兩排平行樁和排樁間水平連接組成，鋼絞線作為水平連接，其一端錨固于后排樁樁身上，另一端水平延伸，從前排樁相鄰兩根樁間的空隙穿出，并錨固于前排樁上，對鋼絞線施加一定的預(yù)緊力，形成整體空間結(jié)構(gòu)。
水平多層連接雙排樁，在土層中設(shè)置兩排平行樁，前后排樁多為預(yù)制樁、型鋼樁以及加肋鋼板樁，其中前排樁橫截面大多為圓形或三角形，同一排樁與樁之間間隔為80mm左右，方便鋼絞線通過。通過特殊方式，多層水平連接將前后兩排樁連接起來。
1多層連接雙排樁支護結(jié)構(gòu)
多層連接雙排樁支護結(jié)構(gòu)中，用鋼絞線作為水平連接，將鋼絞線錨固在前、后排樁的樁身之上，水平連接的錨固位置根據(jù)基坑開挖深度和土層物理力學(xué)性質(zhì)及厚度而定。當(dāng)基坑開挖深度較大，則可以設(shè)置多層水平連接，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
采用FLAC3D分析軟件，建立了多種排距和樁長的深基坑多層水平連接雙排樁支護形式的計算模型，對這些模型開挖過程進行了三維動態(tài)模擬計算，并對計算結(jié)果進行對比分析，為深入探究多層水平連接雙排樁支護結(jié)構(gòu)提供了有益指導(dǎo)。
1.后排樁；2.前排樁；3.水平連接；4.錨具
圖1多層水平連接雙排樁結(jié)構(gòu)
2三維數(shù)值模擬分析模型
21選用的結(jié)構(gòu)單元
多層連接雙排樁支護結(jié)構(gòu)中的樁，采用FLAC3D中的樁結(jié)構(gòu)單元（pile）模擬。樁結(jié)構(gòu)單元是通過材料參數(shù)、幾何參數(shù)和耦合彈簧參數(shù)來定義的[5]。樁提供了與實體單元剪切方向和法線方向發(fā)生的相互摩擦作用。在這點上，樁實際上是組合了梁和錨索的作用，適合于模擬法向和軸向都有摩擦的樁基[6]。樁與實體單元之間的相互作用是通過耦合彈簧來實現(xiàn)的，耦合彈簧為非線性、可滑動的連接體，能夠在樁身節(jié)點和實體單元之間傳遞力矩[7]。切向彈簧的作用同灌漿錨桿的切向作用機理是相同的。法向彈簧可以模擬法向荷載的作用、樁身與實體單元節(jié)點之間縫隙的形成以及樁周邊土對樁身的擠壓作用[8-9]，故采用樁結(jié)構(gòu)單元模擬樁符合工程實際。
水平連接采用FLAC3D中的錨索單元（cable）模擬。錨索單元由幾何參數(shù)、材料參數(shù)和水泥漿特性定義[10]。錨索構(gòu)件是彈塑性材料，在拉壓中屈服，但不能抵抗彎矩。錨索與樁之間的連接設(shè)置為鉸連接。用錨索結(jié)構(gòu)模擬水平連接是符合實際要求的。
22土體的本構(gòu)關(guān)系及邊界條件
土體的本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb模型，這種模型是最通用的巖土本構(gòu)模型，模型參數(shù)少，計算簡單，且考慮了巖土材料的剪脹性[11]。
邊界條件采用模型周邊側(cè)向約束，限制水平方向變形，模型底面約束鉛直方向位移，底面采用固定支座邊界類型，側(cè)面采用可動滾軸支座邊界條件，并設(shè)其為大變形情形[12-13]。
23計算模型
為消除邊界效應(yīng)，考慮深基坑的具體形態(tài)特征和客觀的工程水文地質(zhì)條件，選取模型的計算范圍，基本上為基坑相應(yīng)尺寸的25倍。因本文計算的基坑形狀是規(guī)則的矩形，選取基坑一側(cè)建立模型。計算模型東西長560m（x軸方向），南北寬200m（y軸方向），深310m（z軸方向）。
基坑計算模型具有23560個實體單元，26208個實體單元節(jié)點。運用FLAC3D編制程序，建立的基坑模型如圖2所示。
在多層連接雙排樁支護結(jié)構(gòu)中，前、后排樁樁徑為800mm，樁長300m；同一排樁間的間距為1000mm，間隙200mm，前、后排各設(shè)20根樁，共40根樁。
本文選用圓形鋼管樁作為支護樁，采用FLAC3D中的樁單元（pile）模擬支護樁，樁單元節(jié)點通過link單元與周圍土層連結(jié)，模擬樁土耦合效應(yīng)。樁單元參數(shù)主要包括抗彎性能參數(shù)和樁土耦合效應(yīng)參數(shù)，根據(jù)支護樁所用材料性質(zhì)、幾何尺寸和土層性質(zhì)對這些參數(shù)進行選擇。
為便于多層連接雙排樁支護結(jié)構(gòu)模型的創(chuàng)建，模擬水平連接的錨索單元（cable）分別與前、后排樁的樁單元節(jié)點連接，設(shè)置節(jié)點為鉸接。因水平連接（鋼絞線）直徑較小，與土體之間的摩擦力較小，故模擬過程中忽略了錨索單元與土層之間的耦合效應(yīng)，只考慮軸向強度。根據(jù)實際選用的預(yù)應(yīng)力鋼絞線對錨索單元相應(yīng)的參數(shù)進行選擇。
多層水平連接雙排樁支護結(jié)構(gòu)，自樁頂向下，每隔30m設(shè)置一層水平連接，共設(shè)置5層，第5層水平連接距坑底20m，基坑開挖深度140m，各層水平連接施加相同的預(yù)緊力，運用FLAC3D編制程序，建立的雙排樁模型如圖3所示。
圖3FLAC-3D多層連接雙排樁模型3基坑開挖及計算結(jié)果分析
為探究各種因素對多層水平連接雙排樁支護結(jié)構(gòu)支護效果的影響，本文應(yīng)用FLAC-3D模擬軟件分別對不同排距和樁長的計算模型進行了計算分析。
運用FLAC3D模擬軟件對基坑進行分層開挖三維動態(tài)模擬計算，基坑開挖部分的尺寸為：東西方向長146m，南北方向?qū)?00m，開挖深度140m。
共設(shè)5層水平連接，在地面樁頂處設(shè)置第一層水平連接，并施加預(yù)緊力，然后基坑分5步開挖，前4步每步開挖30m，第5步開挖20m。第1步開挖30m，此步開挖完成后，自地面向下，在樁身30m處設(shè)置第2層水平連接，并施加預(yù)緊力；進行第2步開挖，深度為30m，此步開挖完成后，在樁身60m處設(shè)置第3層水平連接，并施加預(yù)緊力；進行第4步開挖，深度為30m，此次開挖完成后，在樁身90m處設(shè)置第3層水平連接，并施加預(yù)緊力；進行第4步開挖，深度為30m，此步開挖完成后，設(shè)置第5層水平連接，并施加預(yù)緊力；最后進行第5次開挖，深度為20m，至此，開挖結(jié)束。
31不同排距計算結(jié)果分析
本節(jié)對樁長為300m，預(yù)緊力為1800kN，排距為30～80m的計算模型分別進行了計算，不同排距下基坑側(cè)向水平位移（x軸方向）如圖4所示。
1.排距3.0m；2.排距4.0m；3.排距5.0m；
4.排距6.0m；5.排距7.0m；6.排距8.0m
圖4基坑側(cè)向水平位移由圖4可見，最大側(cè)向水平位移發(fā)生在基坑開挖面中部位置，自樁頂向下，水平位移先逐漸增大，當(dāng)達到最大值之后，水平位移逐漸減小。當(dāng)排距為30m時，支護結(jié)構(gòu)側(cè)向水平位移最大，相對于排距為40m時偏大較明顯；隨著排距增加，支護結(jié)構(gòu)的側(cè)向水平位移逐漸減小，但減小的趨勢越來越緩慢，在排距從60m到80m時，側(cè)向水平位移變化很微弱。排距60m時基坑側(cè)向水平位移如圖5所示。
圖5排距60m基坑側(cè)向水平位移云圖
由此可得，排距與基坑開挖深度之比的最優(yōu)值為043～050。
對不同排距的計算模型，水平連接施加的預(yù)緊力為1800kN，基坑開挖結(jié)束后，各層水平連接的軸力均為拉力（見圖6）。相同排距水平連接中的軸力隨深度的增加而增大。最大軸力為2328kN，未達到水平連接（鋼絞線）的屈服強度。隨著排距的增加，同層水平連接的軸力變化不大。
水平連接/層
1.排距3.0m；2.排距4.0m；3.排距5.0m；
4.排距6.0m；5.排距7.0m；6.排距8.0m
圖6水平連接軸力32水平連接對支護效果的影響
排距為60m，樁長300m，土層內(nèi)無水平連接雙排樁支護的基坑，開挖結(jié)束后基坑側(cè)向水平位移如圖7所示。
圖7無水平連接基坑側(cè)向水平位移云圖
圖7與圖5對比可以看出：當(dāng)土層內(nèi)無水平連接時，基坑側(cè)向最大水平位移達到193cm，基坑變形過大；當(dāng)土層內(nèi)加設(shè)水平連接時，基坑側(cè)向最大水平位移為386cm，相比減少了1544cm，減少較明顯；土層內(nèi)加設(shè)水平連接時樁間土的側(cè)向位移分布較不加水平連接更為均勻。
排距為60m，樁長300m，土層內(nèi)無水平連接雙排樁支護結(jié)構(gòu)和土層內(nèi)有水平連接雙排樁支護結(jié)構(gòu)中部的前后兩根樁的樁身彎矩分布如圖8所示。
1.有水平連接；2.無水平連接
圖8前后排樁彎矩
由圖8可知，土層中加設(shè)水平連接的雙排樁支護結(jié)構(gòu)與不加水平連接的雙排樁支護結(jié)構(gòu)相比，土層中加設(shè)水平連接的雙排樁支護結(jié)構(gòu)能夠有效減小樁身最大彎矩。
由此可見，土層中加設(shè)水平連接雙排樁支護結(jié)構(gòu)可以有效限制基坑的變形，減小支護結(jié)構(gòu)的最大彎矩，達到良好的支護效果。
33樁長對支護效果的影響
為分析樁長對深基坑支護效果的影響，此處重點對排距為60m，樁長分別為285，270，255，240，225，210m的計算結(jié)果進行分析，其基坑側(cè)向水平位移變化如圖9所示。
1.樁長21.0m；2.樁長22.5m；3.樁長24.0m；
4.樁長25.5m；5.樁長27.0m；6.樁長28.5m
圖9不同樁長的基坑側(cè)向水平位移
由圖9可看出，樁長從210m變化到255m，基坑開挖面中部最大水平位移減小明顯，但樁長從255m變化到285m時，最大水平位移減小很微弱。當(dāng)樁長為255～270m時，結(jié)果較理想，故樁長與基坑深度比值的合適范圍為18～20。故選擇合適的樁高，可以增強支護結(jié)構(gòu)的支護效果。
4結(jié)論
1）基坑最大側(cè)向水平位移發(fā)生在基坑開挖面中部位置，沿基坑深度方向，側(cè)向水平位移先逐漸增大，當(dāng)達到最大值之后，逐漸減小。
2）與普通雙排樁支護結(jié)構(gòu)相比，多層水平連接雙排樁支護結(jié)構(gòu)可以有效控制基坑的側(cè)向變形，減小樁身最大彎矩。
3）排距的變化直接影響多層水平連接雙排樁支護結(jié)構(gòu)樁體兩側(cè)土壓力的變化，進而影響支護效果。排距增加，可使基坑側(cè)向水平位移減小，當(dāng)增大到一定值后，對基坑側(cè)向變形的控制作用不明顯。當(dāng)排距與基坑深度的比值為043～050時，模擬計算的位移和彎矩較理想，能夠使多層水平連接雙排樁支護結(jié)構(gòu)發(fā)揮較好的支護作用。
4）在同一排距的多層水平連接雙排樁支護結(jié)構(gòu)中，水平連接的軸力隨深度增加而增大。對于不同排距的多層水平連接雙排樁支護結(jié)構(gòu)，其同層水平連接的軸力變化不大。
5）樁長的改變會影響支護結(jié)構(gòu)的性狀?；铀轿灰埔驑堕L的改變而發(fā)生變化，當(dāng)樁長與基坑深度的比值為18～20時，支護效果較好。
參考文獻：
[1]聶慶科，梁金國，韓立君.深基坑雙排樁支護結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008：86-89.
[2]鄭剛，焦瑩.深基坑工程設(shè)計理論及工程應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010：120-121.
[3]鄭剛，李欣，劉暢.考慮樁土相互作用的雙排樁分析[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2005，25（1）：99-106.
[4]林鵬，王艷峰，范志雄.雙排樁支護結(jié)構(gòu)在軟土基坑工程中的應(yīng)用分析[J].巖土工程學(xué)報，2010，
32（2）：331-334.
[5]王星華，謝李釗，章敏.深基坑開挖中雙排樁支護的數(shù)值模擬及性狀[J].中南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2014，45（2）：596-602.
[6]陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實例[M].北京：中國水利水電出版社，2013：82-86.
[7]彭文斌.FLAC3D實用教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011：99-102.
[8]孫書偉，林杭，任連偉.FLAC3D在巖土工程中的應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2011：66-68.
[9]劉繼國，曾亞武.FLAC3D在深基坑開挖與支護數(shù)值模擬中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)，2006，27（3）：505-508.
[10]楊欽發(fā).雙排樁支護結(jié)構(gòu)若干問題的探討[J].廣東建材，2007（5）：21-23.
[11]PHAMHTA，F(xiàn)REDLUNDDG.Theapplicationofdynamicprogrammingtoslopestabilityanalysis[J].CanadianGeotechnicalJournal，2006，40（4）：830-847.
[12]GUOWD.ONlimitingforceprofile，slipdepthandresponseoflateralpile[J].ComputersandGeotechnics，2006，33（1）：46-47.
[13]國振喜，曲昭嘉.建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008：36-39.
成功提示
錯誤提示
警告提示
評論 （0）