续 辰 翁勃航 苏丽媛

（中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京 100083）

0 引言

随着我国西南地区城市化的不断发展，城市地下工程迎来了新热潮，基坑工程也日益增多，支护结构要求也进一步提高。由于膨胀土地区土质具有遇水膨胀，失水收缩的特殊性，使该地区基坑支护较其他地区困难；再加上城市用地紧张，支护空间狭小，施工红线限制等因素，如何安全经济地解决膨胀土地区基坑支护问题，成为该地区的一个研究重点和发展方向。

双排桩支护结构在膨胀土地区得到了广泛应用，取得了较好的效果。其作为超静定结构优点显著，具有整体刚度大、侧向位移小、占地面积少、不超用地红线、施工期较短等特点［1-4］。

但双排桩的研究还远滞后于其工程运用，尤其是膨胀土胀缩性使双排桩的相互作用关系更加复杂。对于桩身膨胀力在水平方向分布形式的确定，学者们众说纷纭，没有统一的标准。有的认为符合三角形分布，也有的认为是矩形分布或是梯形分布［5-6］。其设计施工考虑的因素也比一般情况要复杂得多。因此如何结合膨胀土特性，研究双排桩支护结构的受力变形，使双排桩在膨胀土地区充分发挥其独特优势，成为当前研究的重点。

笔者依托成都某深基坑工程展开研究，基于FLAC3D结合强度折减法进行分析。通过建立数值模型，研究加锚双排桩支护结构的桩身位移，分析在加锚双排桩支护结构作用下，基坑的整体水平位移。

1 工程概况

该工程位于成都市武侯区音乐学院，基坑最大深度21.0 m，其部分采用加锚双排桩支护结构。加锚双排桩桩长25.6 m，桩径1.0 m，桩间距2.5 m，排距5.0 m，桩身布置4 道锚索，分别位于距桩顶-5.0 m、-8.5 m、-12.0 m、-15.5 m 位置处，其支护结构剖面图如图1所示。

图1 加锚双排桩支护剖面示意图

场地自上而下分为三部分，其一为人工填土层，其二为河流冲洪积层，其三为白垩系上统灌口组泥岩。岩土层参数如表1所示。

表1 岩土层参数

由于膨胀土具有遇水抗剪强度减小的特点，必须对其相关参数进行折减［7-8］，该研究将强度折减法引入有限差分法计算中［9］，对加锚索双排桩支护结构进行分析。

2 数值模型的建立

基于摩尔—库伦准则建立数值模拟，考虑到基坑开挖的影响范围通常为开挖深度的2～3 倍，因此模型尺为100.0 m×19.5 m×63.0 m，基坑开挖深度为20.8 m，开挖面后侧影响区58.0 m。该模型范围涵盖16根双排桩、32道锚索。

数值模拟基于以下基本假定：①钻孔灌注桩、冠梁、连梁、锚索为均匀、连续性材料；②土体视为理想弹塑性体，服从摩尔—库伦准则，且其弹性模量和泊松比不会随施工的进行而产生变化；③假设基坑已经完成降水，不考虑地下水的影响；④模型的建立不考虑降雨与地面动荷载的影响。

FLAC3D对于基坑支护结构的模拟给出了两种方法。实体单元方法通过生成网格来模拟桩单元，在桩侧设置interface 命令来实现桩土的相互作用。其优点是便于观察桩体位移且参数较少。但其如果为不规则实体单元则不容易提取出数据，且实体单元与结构单元的连接处理较为困难。结构单元方法则通过节点、直线段等较为抽象的方法来定义桩、锚索等，通过连接桩体单元节点的法向和切向弹簧模块来实现桩土相互作用，其优点是可以轻松实现群桩的分析，数据易于提取，但其参数较多，不同结构单元节点与节点的连接较为复杂且易出错。

故为更好地贴合工程实际，将支护结构用实体单元进行模拟，采用interface 命令来模拟桩体相互作用。数值模型如图2所示。

图2 模型建立图

3 数值模型计算分析

土层性质对桩身的位移内力影响占主导地位，土层性质受到现场复杂环境的影响其参数会发生一定的变化。在我国西南膨胀土地区，膨胀性岩土体在平常状态下显示出良好的抗剪强度，但其一旦遇水膨胀，膨胀土内摩擦角与黏聚力便会发生大幅度折减，强度会大幅度下降，导致基坑失稳破坏。为了能更好地为设计施工提供借鉴，这里选取两点即内摩擦角与黏聚力进行研究分析。为探究内摩擦角、黏聚力折减对基坑整体水平位移及支护结构桩身位移的影响，按照0.8、0.9 两种折减率来创立工况进行对比分析。

3.1 不同黏聚力分析

在设计施工中，土体黏聚力对支护结构影响较大，故在其他参数条件不变的前提下，在原模型基础上新增粉质黏土层黏聚力为22 Pa、25 Pa、28 Pa三种工况。通过FLAC3D软件进行分析计算，得到不同黏聚力情况下，加锚双排桩桩身位移云图，如图3所示。

由图3 可知，随着黏聚力的减小，桩身位移小幅增加，且桩身最大水平位移位置始终位于桩顶附近。当黏聚力从22 kPa增加至25 kPa时，桩身最大水平位移从20.00 mm 减小到18.56 mm，其减幅为7.76%；当黏聚力从25 kPa 增加至28 kPa 时，桩身最大水平位移从18.56 mm 减小到16.70 mm，其减幅为11.13%。由此可知，桩身位移随黏聚力的增加，其降幅逐步增加。

图3 不同黏聚力下加锚双排桩桩身位移

3.2 不同内摩擦角分析

不同内摩擦角取值见表2。由图4 可知，随着内摩擦角的减小，桩身位移小幅增加，且桩身最大位移位置始终位于桩顶附近。当内摩擦角从14°增大到16°时，桩身最大水平位移从17.84 mm 减小到17.42 mm，其降幅为2.4%；当内摩擦角从16°增大到18°时，桩身最大水平位移从17.42 mm 减小到16.70 mm，其降幅为4.3%。由此可知，桩身位移随内摩擦角的增加，其降幅逐步增加。

图4 不同内摩擦角下加锚双排桩桩身位移

表2 不同黏聚力及内摩擦角取值

综上所述，土体内摩擦角与黏聚力的减小都会导致支护结构整体水平位移增大，且土体黏聚力减小导致加锚双排桩支护结构桩身水平位移的增幅要大于土体内摩擦的减小导致加锚双排桩支护结构桩身水平位移的增幅。故在膨胀土设计中要格外注意膨胀土的分布，确定膨胀土的性质，合理选取土体内摩擦角与黏聚力的折减系数。尤其要注意降雨导致的土体含水量的变换，必要时可以采取换填加固等方法避免膨胀土的影响。

4 结语

结合成都地区某基坑工程进行数值模拟分析研究，考虑膨胀土特性，对c、φ值进行一定程度的折减得到了基坑整体水平位移及加锚水平支护结构桩身位移的位移云图对比，得到以下结论。

①土体黏聚力减小会大幅增加桩身水平位移。随着黏聚力的减小，支护结构水平位移小幅减小。建议实际设计中要明确膨胀土分布情况及性质，以便结合膨胀率试验对土体黏聚力进行合理折减。

②内摩擦角减小会小幅增加桩身水平位移。随着黏聚力的减小，支护结构水平位移小幅减小。建议实际设计中要明确膨胀土分布情况及性质，以便结合膨胀率试验对内摩擦角进行合理折减。

③该研究虽然对c、φ值进行一定程度的折减，但没有考虑大气影响下水平膨胀力的作用，且没有考虑降雨的影响，今后会继续开展研究。