吴兵 吕宝 丁斌 向文涛 吕晶日

摘要：排桩支护是深基坑支护的一种常用形式，在成都的建筑深基坑中有着广泛的应用。文章以成都某地铁车站深基坑工程为依托，应用大型有限元软件对该工程的开挖、支护进行数值模拟，计算各个工况下围护桩的变形、内力、桩后土压力、支撑轴力等，并与现场实测数据进行对比，以分析支护结构的受力变形特征。

[作者简介]吴兵（1981—），男，硕士，高级工程师，从事岩土工程工作。

排桩支护结构是国内深基坑普遍应用的一种支护形式，在成都地区深基坑工程中有着广泛的应用。本文以某工程实例为依托，应用有限元软件对其开挖、支护进行数值模拟，计算得到围护结构的变形、内力、桩后土压力等，并与现场监测数据进行对比，分析排桩支护结构的受力变形特征。

1 工程概况

1.1 工程特点

成都地铁某广场站深基坑开挖深度约23.54 m，采用“排桩+内支撑”支护体系。排桩采用1200@2 200 mm钢筋混凝土桩，桩长为27 m，嵌固深度为3.5 m;内支撑采用603×12 mm钢管，水平间距2.7～3.5 m，竖向设置4道;桩间土体采用8@150 mm×150 mm钢筋网片加150 mm厚C20混凝土防护。明挖基坑标准段围护结构剖面见图1。

1.2 工程地质及水文地质条件

站区地处成都平原岷江Ⅲ级阶地，为山前台地地貌。场地范围内上覆第四系人工填土层，第四系中、下更新统冰水沉积（Q2-1fgl）黏土、粉砂、含卵石黏土和含黏土卵石，下伏基岩为白垩系灌口组泥岩。

地下水主要有4种类型：一是赋存于黏土层之上的上层滞水，二是赋存于黏土中的裂隙水，三是第四系松散土层（含卵石黏土和含黏土卵石）的孔隙潜水，四是基岩裂隙水。

2 有限元数值模拟

2.1 基本假设及计算模型

（1）该工程属于典型的长条型基坑，计算时假设沿基坑长度方向无限长，取其中1根桩及1倍桩间距土体为研究对象。

（2）由于在基坑开挖时通过降水使地下水位一直处在坑底以下，故不考虑地下水的渗流作用。

（3）不考虑桩间挂网喷射混凝土对桩间土的支护作用。

（4）砂卵石、泥岩采用Mohr-Coulomb模型;黏性土采用线性Drucker-Prager模型;围护桩和钢支撑均采用线弹性本构关系。土体和围护桩采用实体建模，采用C3D8R单元;钢支撑采用仅压杆单元T3D2。

（5）本文采用接触面加摩擦的方式来模拟支护结构与土之间的接触特性，摩擦系数统一取值0.35。

整个模型土体共计11 841个单元，支撑40个单元和围护桩1 242个单元，桩土界面建立7个接触对（图2）。

2.2 材料参数选取

（1）土岩的物理力学参数。为简化计算，对实际地层进行了适当简化，将地层分为黏性土、卵石、泥岩3层，根据工程勘察资料，其计算参数如表1所示。

（2）钢筋混凝土灌注桩。混凝土强度等级C30，桩身纵筋为2525 mm，钢筋等级为Q235，围护桩的弹性模量E近似取值为30 GPa，泊松比υ取值为0.2，密度取值为2 400 kg/m3。

（3）钢管内支撑。弹性模量E取值为210 GPa，泊松比υ取值为0.2。

2.3 计算工况

根据基坑开挖和加撑的施工工序，每层土体开挖和加撑均单独作为一个工序，工况划分：开挖至1.5 m—加第一道支撑—开挖至7.5 m—加第二道支撑—开挖至13.5 m—加第三道支撑—开挖至18.5 m—加第四道支撑—开挖至23.5 m（基底）—拆除第四道支撑。

各道支撑安装完成后，立即施加预加轴力。因取1根桩（间距为2.2 m）进行计算分析，所以应按支撑水平间距（3.5 m）对支撑施加轴力进行折减，折减比为2.2/3.5=0.63。计算模型中预加轴力取值自上而下依次为40 kN、200 kN、350 kN、350 kN。

3 计算结果及分析

選取的计算模型近似于基坑长边中部的围护桩及桩周土体，所以计算结果与基坑长边中部的围护桩的实测结果进行比较分析（图3～图7）。

3.1 围护桩水平位移

计算结果表明：在开挖第一层土体（工况2）后，由于及时加撑并施加预加轴力，使得桩顶发生向坑外方向的水平位移，随着开挖深度的增大和支撑的设置，桩顶位移不会明显增大，桩身中部向坑内凸出，桩身最大水平位移也相应地逐渐下移，开挖至基坑底部时，最大水平位移发生于桩顶以下约16.0 m处，其位移计算值约32.0 mm。

实测结果表明：在开挖第一层土体（工况2）后，桩顶水平位移向坑内方向约7 mm，之后施工过程中，桩顶水平位移逐渐减小，桩身最大水平位移位置逐渐下移，开挖至基底，最大水平位移发生于桩顶以下约15.0 m处，其位移值约为35.0 mm。由于实际施工中第一道支撑未及时架设，围护桩悬臂深度过大，导致桩顶水平位移实测值大于计算值。

比较计算结果和实测结果的桩身水平位移曲线，形状较为相似，呈“鼓肚”形状，计算与实测的桩身最大水平位移及发生位置较为接近。总体来讲，计算结果所反映的围护桩的变形趋势与实际较为吻合的。

3.2 桩身弯矩

（1）由计算结果可知：在弯矩有拐点的位置基本上都是在支撑位置附近，说明支撑的设置并施加合理的预加轴力能有效减小桩身弯矩。最大弯矩值随开挖深度的增加而增大，最大弯矩值的位置随开挖深度的增加而往下移。桩身的最大正弯矩出现在开挖第四层土体时（工况8），最大值1 300 kN·m 发生深度在桩顶以下15 m处;最大负弯矩出现在开挖至基底（工况10）时，最大值-1 400 kN·m发生深度在桩顶以下25 m处。

（2）实测结果表明：基坑开挖结束时，桩身钢筋计最大拉应力实测值为35.64 MPa，换算成弯矩值为1 115.5 kN·m，发生深度在桩顶以下16 m处;最大压应力实测值为-20.85 MPa，换算成弯矩值为-652.6 kN·m，发生深度在桩顶以下23 m处。计算结果与实测结果存在差异，尤其是桩的嵌固段，计算的弯矩值比实测值大很多。

3.3 支撑轴力

（1）计算结果表明：随着下一道支撑发生作用，上一道支撑的轴力趋势发生明显的减小，这是因为下道支撑分担上道支撑承受的压力。支撑1在支撑3发生作用时其轴力几乎为零，支撑2在支撑3参加工作以前轴力不断上升，且轴力增幅较大;随着支撑3发挥作用，其轴力变化趋势为缓慢下降并在后续工况趋于稳定;支撑3的情况则与支撑2比较类似;支撑4因为加入体系后的工况较少，只剩下基坑开挖至底部这一工况，所以只能看出其轴力的上升过程。

（2）从实测结果可看出，在基坑开挖整个开挖过程中，支撑1始终没有轴力为零，只是在支撑2和支撑3发生作用后，轴力在减小。支撑2、3的轴力没有经历减小的过程而是在一直增大，最后趋于稳定。在计算模型中支撑是用杆单元与桩共节点连接作用，与实际中钢管支撑与桩的相互作用存在差异;另外实际施工过程中支撑会应力松弛、损耗，导致实测值比计算值小。计算结果与实测结果在数值上有所差异，但总体变化趋势是一致的。

（3）计算结果表明：基坑开挖结束，第3道支撑轴力最大，其值为1 050 kN;第1道支撑轴力最小，其值为0，计算值小于设计容许值。

3.4 桩后土压力

（1）桩后土压力的大小和分布是随着基坑的开挖和支撑的设置而变化的，并非朗肯土压力理论中墙后土压力分布形式，而是呈“R”形非线性分布的。

（2）基坑开挖的整个过程，桩后土压力有限元计算值基本上都小于朗肯主动土压力计算值的，由于朗肯土压力理论忽略挡土墙与墙后填土存在摩擦力的事实，使得主动土压力计算值偏大。实际工程设计中桩后土压力采用朗肯主动土压力分布模式，导致设计偏于保守。

4 结束语

（1）计算结果和实测结果的桩体水平位移曲线，形状较为相似，呈“鼓肚”形状。桩体最大水平位移值的计算值与实测值相差较小，最大水平位移发生位置也比较接近。

（2）桩体的最大正弯矩计算值为1 300 kN·m，实测值为1 115.5 kN·m，发生深度均在桩顶以下15 m附近; 围护桩嵌固段，桩体最大负弯矩計算值与实测值存在较大差异。

（3）钢支撑轴力计算值与实测结果在数值上有所差异，但总体变化趋势是一致的。

（4）桩后土压力有限元计算值基本上都小于朗肯主动土压力计算值的，若实际工程设计中桩后土压力采用朗肯主动土压力分布模式，将导致设计偏于保守。

（5）由于影响基坑围护体系的内力与变形的因素非常复杂，工程实际条件与有限元计算假定的条件有较大差别，施工过程又会受到各种因素的影响等原因，使得计算值与实测值存在一定的差别，但整体上看，计算值与实测值基本吻合。

参考文献

[1] 吴兵.成都地区地铁车站深基坑排桩支护结构受力规律研究[D]. 成都：西南交通大学，2011.

[2] 吴兵.成都排桩支护结构对土层参数敏感性分析[J].四川建筑.2019（3）：158-161.

[3] 费康，张建伟.ABAQUS在岩土工程中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

[4] 刘成宇.土力学[M].北京：中国铁道出版社，2006.