康振兴

1 概述

随着我国地铁建设的蓬勃发展，如何安全合理对基坑开挖进行有效支护是开发利用地下空间的重要保证。双排桩门架式支护结构(简称双排桩支护结构)是基坑工程中常用的一种支护形式，它由前、后两排平行的钢筋混凝土桩以及压顶梁、前后排桩桩顶之间的连梁(或板)形成类似门架的空间结构。与单排桩悬臂式支护结构相比，双排桩支护结构具有更大的侧向刚度，可以明显减小基坑的侧向变形，因而支护的深度一般也更大，而且施工方便、投资少，目前在一些实际工程中已经取得了较好的效果［1，2］。但是对双排桩工作机制方面的研究，特别是如何采用数值模拟技术更好的反映实际开挖行为还存在不足，值得深入研究。

选择一个合适的能反映土体应力—应变—强度特性的本构模型，对于预测基坑开挖引起的地层变形至关重要［3］。土体变形性质的一个突出特征是其模量与应力水平有关。由于在基坑开挖过程中土体的正应力水平是减小的，卸载模量应大于加载模量［4］。建议基坑分析中宜采用考虑土体的塑性和应变硬化特征、能区分加荷和卸荷且刚度依赖于应力水平的硬化类弹塑性模型。

本文采用有限差分软件FALC3D对双排桩支护形式下基坑开挖过程进行了内力和变形计算，对连梁与排桩的连接形式进行了研究，同时对比了分别代表硬化塑性和弹—理想塑性的修正剑桥模型和摩尔—库仑模型在基坑数值计算中的适用性。

2 工程概况和计算模型

2.1 工程概况

某地铁车站深基坑地下一层为开挖范围160 m×250 m、最大开挖深度约为7.2 m的地下停车场。基坑开挖区域原属于海湾沉积地貌的滨海沼泽地，地形开阔，现为垃圾填埋场。根据勘察报告，该区域广泛分布着第四系人工弃填土，以建筑垃圾、生活垃圾等杂填土为主;以下为海相沉积的淤泥质粘土，粉质粘土以及全风化砂岩;下伏基岩为火山多次喷发—冲积相地层白垩系下统青山组中亚强、全风化流纹岩和强风化凝灰岩。场地地下水埋深一般为0.60 m～5.40 m，地下水赋存方式主要为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水两类。人工弃填土和海相沉积的含砂类土层为主要含水层，其他土层与风化岩层含水贫乏，透水性差。

根据设计，围护结构采用双排钻孔灌注桩+桩后高压旋喷桩止水帷幕，无内支撑悬臂桩方案。前、后排桩桩长18.3 m、桩径1 m、桩间距1.5 m，排距为3 m。在基坑坑部被动土体区域采用水泥搅拌桩进行加固，搅拌桩采用无侧限抗压强度为1.2 MPa的水泥土。

2.2 数值计算模型

计算过程中，忽略围护桩桩后止水帷幕对土体的加固作用以及地下水渗流对基坑稳定造成的影响，且断面采用一次性开挖至坑底。计算模型及网格划分如图1所示。为消除模型边界对计算结果的影响，模型竖向深度为2倍围护桩桩长，坑外模型宽度取4倍～5倍左右的基坑开挖深度。同时为提高运行速度，根据对称性，仅选取1/2区域进行分析。整个计算模型的区域为0≤x≤40 m，0≤y≤3.2 m，－40 m≤z≤0。模型底面边界固定，左右边界约束横向水平位移，地表为自由边界。

模型中围护钻孔灌注桩采用Pile单元模拟，连梁和冠梁采用Beam单元模拟，连/冠梁与桩顶的连接分别采用刚接形式。各围护结构服从线弹性应力应变关系，混凝土类结构弹性模量均取为30 GPa，泊松比取为0.2。

计算中，假设基坑开挖前土体为正常固结土，各土层的应力—应变关系近似采用修正剑桥模型(MCC)。在确定剑桥模型屈服面和应力—应变关系时只需3个试验常数：各向等压固结系数λ、回弹系数κ和破坏常数M，其中λ和κ可以通过各向等压试验确定，也可以采用式(1)中前两个式子确定。M可以采用常规三轴压缩试验确定，也可由式(1)中第3式确定［5］。

其中，Cc为压缩指数;Cs为回弹指数，一般取(1/5～1/3)Cc，本文取1/4。

3 结果与讨论

3.1 变形分析

图2a)和图2b)分别为基坑开挖完成后土体竖向位移和水平位移分布云图。从图2中可知，在基坑顶部土体水平位移最大，达到了21 mm，沿着开挖深度土体水平位移逐渐减少，至坑底时约为16 mm，同时基坑坑底最大隆起量约为48 mm。

图3为基坑开挖完成后前、后排桩侧向变形与实测数据对比。可以看出，实际工程中测斜管埋在前排桩外侧，计算的后排桩变形曲线和实测值吻合较好，最大侧向位移均发生在桩顶，约为21 mm，小于规范要求的0.4%H=28.7 mm(其中，H为开挖深度)的控制标准。在桩顶位置由于连梁将前后两排桩紧密连接在一起，前、后排桩位移相等。随着深度的增大，侧向位移逐渐减小，在桩身中上部，前排桩的位移要稍大于后排桩的位移，桩身下部两者位移基本一致，这与有限元分析得到的结论一致［6］。所以，可以初步认为采用修正剑桥模型得到的双排桩支护结构计算模型是合理的。

3.2 内力分析

双排桩支护结构作为空间结构体系，在沿着基坑边的方向，每一榀双排桩都分担一定程度的土压力。基坑开挖后桩身的弯矩分布见图4。从图4中可知，后排桩的内力分布与前排桩有较大不同，前排桩弯矩沿桩身存在两个反弯点，上端反弯点出现在基坑开挖面附近，在桩顶和桩端附近弯矩较小。后排桩在基坑开挖范围内弯矩较大，最大弯矩发现在桩顶位置。这是因为土压力主要作用在前排桩，后排桩通过连梁，起到拉锚的作用，相当于在后排桩桩顶施加一个较大的横向拉力。

3.3 不同结构连接形式的影响

将桩顶和连梁的连接条件由刚接变成铰接，得到的侧向位移结果如图5所示。当排桩和桩顶连梁铰接桩身变形明显增大，前排桩的最大变形量从21 mm增加到了44 mm左右，远远超过了实际桩身变形。显然这种铰接条件下，降低了结构间的实际连接刚度，也低估了整个支护结构的整体性，使得后排桩的作用与拉锚比较接近，可知，支护结构间采用刚性连接能更好的反映实际开挖特性，得到合理的基坑变形结果。

3.4 本构模型的影响

图6为采用摩尔—库仑模型(MC模型)和修正剑桥模型(MCC模型)计算得到的前排桩侧向变形图。由图可知，采用MC模型，围护桩发生了较大的整体侧移，桩端水平位移达到了28 mm之多，与测斜管得到的实测值相去甚远。其原因在于，在MC模型中土体加荷和卸荷模量相同，且该本构无法考虑应力路径的影响，这导致MC模型产生很大的坑底回弹，从而带动围护结构底部产生较大的侧移，使计算得到的围护结构位移失真。而修正剑桥模型以塑性体积应变作为硬化参数，考虑了固结压力和体积应变对土体应力应变的影响，卸荷时较加荷具有更大的模量，在土体开挖卸载的分析中，较MC模型具有更高的优越性。

4 结语

1)相比单排桩支护方案，双排桩支护结构将连梁与前后排桩组成一个超静定结构，具有较大的侧向刚度，能有效地控制基坑侧向变形和减小桩身弯矩，减少基坑开挖工程对周边环境的影响。

2)桩顶和连梁采用铰接连接形式低估了整个支护结构的整体性，将得到与实际不符的过大侧向位移，建议数值模拟中按刚接形式来考虑结构间连接。

3)采用能区分加荷和卸荷的硬化类高级分析模型如MCC模型，能得到较为合理的围护结构变形量，反之，由于MC模型采用单一刚度往往导致得到的基坑变形失真，设计时不建议使用。

［1］ 郭永成，吴永红.泰达当代艺术博物馆、公园及公寓深基坑支护工程实例与分析［J］.天津勘察，2005(2)：34-39.

［2］ 龚晓南，高有潮.深基坑工程设计施工手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，1998：187-188.

［3］ Tang Yu-Geng，Kung Gordon Tung-Chin.Investigating the effect of soil models on deformations caused by braced excavations through an inverse-analysis technique［J］.Computers and Geotechnics，2010(37)：769-780.

［4］ 徐中华，王卫东.敏感环境下基坑数值分析中土体本构模型的选择［J］.岩土力学，2010，31(1)：258-326.

［5］ Itasca.FLAC3D-User’s Manual.Itasca Consulting Group Inc.，Minneapolis，MN，2005.

［6］ 蔡袁强，阮连法，吴世明，等.软粘土地基基坑开挖中双排桩式围护结构数值分析与工程应用［J］.建筑结构学报，1999，20(4)：65-71.