双排桩支护结构的特点及其主要数值计算方法

龙　腾



双排桩支护结构的特点及其主要数值计算方法

龙腾

（湖南工业大学，湖南 株洲 412008）

在现有支护结构形式中，双排桩支护结构因其具有挡土结构受力条件好，工程造价低，施工工期短等优点，目前已在国内外工程建设中得到广泛的应用。通过剖析双排桩的特点和常见的布置型式，并总结了众多学者在双排桩支护结构关于数值计算方法与解析计算方法方面的研究成果。

双排桩；计算方法；数值分析

1　引　言

双排桩支挡结构是上世纪研究提出的新型支挡型式，该结构由顶部的冠梁连接前后两排平行布置的钢筋混凝土桩构成。在许多实际工程中，在一些特殊情况下锚杆、土钉等支护方式常常受到条件的限制而无法实施，而使用单排桩支护方案又无法达到设计要求的承载力和位移限制，此时双排桩支挡型式因其抵抗侧向位移的能力更强，可以明显减小基坑的变形，支护深度更大等优点得到了许多设计人员的青睐，近年来在我国基坑工程中得到了广泛应用[1]。

文章通过剖析双排桩支挡结构的特点从而解析主要的数值计算方法。

2　双排桩主要计算方法

2.1双排桩结构特点与型式

双排桩支挡结构作为一种使用时间较晚的新型支挡型式，其常见的平面布置型式有：梅花式、丁字式、矩形格构式等等诸多布置型式。与其他支挡方式对比，采用这种新型支挡型式有以下几方面优点：

（1）双排桩支挡体系主要由前、后两排桩以及桩顶的冠梁连结而成，整体具有较大刚度，能极大减小基坑的位移，而单排桩支挡结构通过插入地基土足够的长度来承担桩后侧的土压力并保持稳定，顶部的位移和变形较大。

（2）双排桩支挡结构为超静定结构，其内力能根据下部支持状况的改变而做出调节，能在各种条件复杂的环境下发挥功效，而单排桩支挡结构为静定结构，不具备这种作用。

（3）双排桩支挡结构与桩锚或桩撑支护型式相比，有对施工时的场所与附近环境要求不高，投资成本相对便宜，易于施工作业等优点。

2.2解析计算方法

在进行双排桩支挡结构进行计算时，主要有以下几种方式:一种是以经典土力学为基础的解析方法，第二种是依据Winkle假定的弹性地基梁法，最后一种是根据土抗力法和土拱理论来进行分析研究的方式。这三种方法具有各自的特点，同时根据结合工程实例来看，后两种方法的计算结果精确度更高。

（1）以经典土压力理论为基础的计算方法主要是从分配于前排、后排桩上的被动和主动土压力出发，通过经典土压力公式计算前后排桩土压力的大小，最后由静力平衡法计算出桩身所受最大弯矩以及弯矩在结构上的分布情况。此方法重点在于如何计算得出双排桩上的土压力分布情况。为此科研工作者们做出了长久的探究与努力，其中申永江等[2]对双排桩支挡结构的工作机理进行了分析，并依据极限平衡法与土拱理论提出了一种新的解决悬臂式双排桩上滑坡推力问题的解析方法，提出关于滑坡推力的分配方式，为以后此类支挡结构体系的设计研究打下了基础。程知言等[3]在原有双排桩设计基础上，假定双排桩整体为刚架，顶部连梁为刚体，不发生转动和压缩变形只能平移，并以此提出了一种新改进的设计计算方式。根据经典土压力理论针对双排桩上的土压力分布做出了分析研究，发现后排桩桩后土压力在整个土压力作用中起主导作用。双排桩支挡结构由于设置有后排桩使得土体破裂面发生了改变。双排桩钢架作用效应与排间距有关，并且在1到1.5倍桩间距时其作用效应最好。熊巨华[4]对排间距低于4倍桩径的双排桩结构提出使用等效抗弯刚度原理的弹性支点法，将前后排桩视为连续梁，推导出了等效抗弯刚度的解析方法，使得其能利用弹性支点法进行分析研究，并且通过实例验证，证明了该方法行之有效。

同时极限平衡法没有将桩与连梁之间的变形协调作用纳入计算范畴，只适用于土体结构即将失稳的情况，无法对双排桩支挡结构的变形进行相应的分析等劣势。

（2）基于Winkle假定的弹性地基梁法是目前运用较为广泛的一种计算方法，这类模型采用Winkle的假定进行计算分析，考虑了桩和土的相互作用，确定出双排桩结构的土压力分布和地基土的基床系数，通过结构力学的相关理论即可求得结构的内力和变形。范秋雁等[5]针对前后排桩没有土体的双排桩类型，根据弹性地基梁和幂级数法建立力法方程求解出钱后排桩各截面的内力，得出了此种情况下双排桩结构内力的计算方法。郑刚等[6]将桩间土视为一层薄压缩层，前后两排桩之间土的相互作用以弹簧模拟，而整个支护结构则视为刚架，依此原理提出的双排桩计算模型避免了以往计算模型在桩底假设条件上的缺陷，能较为合理的反馈土体对桩身的约束、土层的变化等关于桩土相互作用方便的问题。此外还对带水平支撑的双排桩工作性状进行了分析，总结了一些具有指导性的结论。并设计出一种由实践检验可行的双排桩节点刚度的增强方法。吴刚等[7]对冠梁在整个支挡体系中效果的研究成果表明，在双排桩支挡结构里，桩顶连系梁的空间效应对整个体系有着重要作用，冠梁的存在可以很好控制支护结构的位移，因此在设计计算时应该要把对结构有利的作用考虑在内。同时根据弹性地基梁法，探究了桩土相互作用和滑移面等诸多因素对双排桩上的土压力的影响，提出了一种具有工程实际价值的计算模型。

虽然基于Winkle假定的弹性地基梁法具有计算模式明确，计算结构简单等优点，但弹簧刚度取值仍值得进一步研究。

（3）最后一种方法通过土拱理论来计算。土拱效应在岩土工程中非常常见，它首次由太沙基通过实验得到系统论证。因为土层中的拱作用，将会导致支挡体系的应力进行重分布。所以合理利用土层中的拱作用能使双排桩支挡结构更为稳定。刘金龙等[8]研究发现在双排桩支护结构中前排桩的桩间土拱效应最为明显，整体所受荷载主要由前排桩承担，而且前后排桩的布设方式也会使土拱效应和土压力分布有较大改变，通过研究计算梅花型双排桩和按平行布置的双排桩两种不同形式下的土拱作用的区别，发现以梅花型布设的支挡结构能更好地促进前、后排桩联合形成土拱作用。通过深入研究发现，两排桩桩所承受的应力比值不相等，因此在对双排桩支挡结构进行设计计算时，可根据每一排桩的受力情况匹配对应的要求，从而达到降低工程造价的目的。吴昌将等[9]研究了土拱效应的机理，利用有限元软件建立模型，模拟了双排桩的土拱效应，证明桩间土的拱作用是一种普遍现象，发现不同布置型式下虽然前后排桩荷载分配情况不同，但整体的土拱效应所产生效果基本类似。同时发现随着桩与桩之间远近的变化土拱效应也将会随之改变，随后深入研究了在双排桩列间距固定的假定下，不同行间距对土的拱作用的改变，发现在列间距与行间距分别在3至8倍桩径和2至8倍桩径范围内改变时才会使得土拱效应作用造成较大变化，并且这种变化规律十分复杂。吴昌将等认为在实际工程中，要综合考虑各方面的因素合理布置双排桩的型式与规格，从而达到经济高效的目的。刘泉声等[10]分析了双排桩支护结构的受力机理，根据温克尔假定的弹性地基梁理论，建立了一种新型的有限元模型，该有限元模型考虑了桩土效应对双排桩支护结构的影响，并且针对弹性抗力系数和土压力分布这两项重要参数进行了深入的研究，通过位移反分析优化法与滑动比例系数法来确定弹性抗力系数与土压力分布规律，最后编制了相应的程序并进行了一些工程实例计算，论证了该计算模型具有适用价值。

2.3数值计算方法

目前，主流的有限元软件有ABAQUS、ANASYS、MARC、PLAXIS、FLAC等，他们在各个行业中均已得到较为广泛的运用，其中FLAC因其出众的非线性能力、众多的本构关系和方便的用户结构等优点而得到广泛的使用。

崔宏环等[11]选择ABAQUS软件对某一深基坑施工实例做出了推算，并对双排桩支挡结构的工作机理进行分析与探讨。结果表明：双排桩桩顶位移最大，而结构本身的刚度对桩身位移有较大作用，同时前后排桩距离的变化会使得的受力发生较大变化，合理设计的排间距能使前后排桩性能得到充分发挥，冠梁使前后排桩连接为一个整体，合理的提高冠梁的刚度可以显著的降低桩身的位移。史海莹[12]基于ABAQUS软件对地基土的模量、土压力分布形式、桩长等因素对桩顶变形的影响进行了深入研究，研究结果表明：排间距是影响双排桩桩顶位移重要因素，排间距在2至4倍桩径范围内时双排桩空间效应最强并且，当增大到某一临界值后后排桩将只发挥拉锚作用，临界排间距值与基坑开挖深度有关；在桩身嵌固深度、被动加固区、桩身刚度等众多影响桩侧位移因素中，被动加固区对减小桩侧位移的效果最为明显。

ANASYS因其性能高效、便于使用等特性，已成为全球范围内最使用率最高的有限元软件，在诸多领域都有着广泛的运用。应宏伟等[13]在针对国内外对深基坑带撑双排桩研究较浅的背景下，利用该软件，在假定桩土的接触类型为面面接触、土体选择D-P弹塑性本构模型等条件下对深基坑带撑双排桩支挡体系实行了数值模拟。发现该类双排桩中部侧向位移较大，端部及桩顶则与中部相反整体位移曲线为“中间大、两头小”形式，并且前排桩的最大位移量相对较大。同时还研讨了双排桩刚度、排间距、后排桩桩长及前后桩距离远近对此类支挡结构支护效果的变化，此中后排桩桩与桩之间的距离变化对该支挡体系支护效果起很大作用，而联系梁对此类支挡结构为非主要影响因素。申永江等[14]选择ABASYS分析软件，构思了锚索式双排桩与刚架双排桩的计算模型，并上述支挡结构的受力性能进行研究，期望找出抗滑移效果更好的结构形式，通过软件模拟分析这两种结构剪力分布情况与工程实例相结合可知，预应力锚索双排桩前后两排桩之间的弯矩及剪力分布区别很大，锚索对整个结构的支挡作用无较大影响，证明刚架双排桩支护中能更好的起到抗滑作用。

PLAXIS有限元软件因其具有专业、高效、能够模拟复杂的地质条件、稳定等特点从而在全世界范围内得到广泛运用。林鹏等[15]运用PLAXIS软件通过汕头某工程双排桩支挡体系对其应力分布及支护效果继续深入研究，认为连梁刚度、前后桩排距等对支护结构影响教大的因素应与施工方案实际情况相结合，才能发挥双排桩支护结构的性能优势。钱名[16]使用大型有限元软件PLAXIS对双排桩在基坑支护的整个过程进行了模拟，与实际工程环境中所测的水平位移变化规律进行比较，与此同时还与相同条件下使用单排桩支护结构进行支护情况做出详细对比，证明了双排桩支护对于限制水平位移能力的优越性。同时指出了在进行有限元模拟时如何选择土体模型和确定合适的参数是整个分析与模拟计算过程中十分关键的一步，这将直接影响到数值分析的最终成果是否准确可靠。孙涛等[17]从某一使用双排桩支挡结构进行基坑支护的工程实例出发，选择PLAXIS软件对双排桩支挡结构中排间距对整体支挡效果的影响进行了分析研究。发现对于不同的排距将对整体结构所受内力与位移产生较大影响，当排间距选择在2到4倍桩径范围内时，能使得前后排桩的变性协调能力得到最大化的发挥，从而使整体结构的内力分配处于较为良好的状态，最终达到在降低双排桩配筋率、减少施工成本的同时，还能保证整体结构具有良好的支护效果。这也验证了吴昌将等对于排间距对整体结构影响的理论研究。除此之外孙涛等通过与实际工程数据比较分析发现，设计时合理的利用双排桩支挡结构的空间效应和根据实际条件选择合理的双排桩支护型式同样也是减小整体结构变形，降低工程造价的重要手段。

由于土体自身本构关系复杂以及岩土工程边界条件确定困难、土体具有不均匀性等诸多问题，导致了数值模拟无法做到精确定量，但通过有效的数值模拟能对施工方案的选取和边坡的稳定性分析提供行之有效的帮助作用。

3　结束语

双排桩支挡结构是一类空间组合类支挡体系，具有在外力作用错综复杂的情况中调节自身结构的内力，使之能应对各种工程条件下的支护需求，从而降低整个体系的位移。目前在越来越多的边坡工程中得到应用足以说明双排桩支挡结构性能的优越性和实用性。

双排桩支挡结构在上世纪90年代开始在我国应用，相对于传统的支挡结构属于一种新型的支护形式，还存在着许多的理论及实际问题需要解决。因为桩土共同作用十分复杂，目前的理论分析与实际应用之间还存在着不小的差距，主要有以下几个方面：

双排桩支挡结构的研究解析所得结论很大程度上取决于对模型和土体参数的选取，往后的研究过程应与工程实际情况紧密联合起来，通过这样的方式对双排桩支挡结构各方面研究得出的成果将更为贴切实际，应引起广大学者足够的重视。

现在的数值模拟研究方法基本上将双排桩支挡结构作为一种二维的平面问题来进行处理，双排桩支挡结构具有很强空间效应的考虑，而目前的研究方向对双排桩支挡结构的三维模拟研究较少，是一大缺陷，同时在双排桩桩土界面的荷载传递规律上同样缺乏研究。

目前，在双排桩支挡结构的研究领域主要汇集在桩身的受力分析和桩身侧移上，对双排桩周围土体的凸起凹陷的现象形成机理缺乏重视，而这些被忽略的问题常常会对周边建筑及设施造成影响与破坏，这些尚未解决的问题的存在也时刻提醒着我们对双排桩支挡结构体系的研究需要不断地发展前进。

[1]蔡哀强,王立忠,陈云敏,等.软土地基深基坑开挖中双排桩式围护结构应用实录[J].建筑结构学报,1997,(4):70-76.

[2]申永江,孙红月,尚岳全,等.滑坡推力在悬臂式双排抗滑桩上的分配[J].岩石力学与工程学报,2012,(S1):2668-2673.

[3]程知言,裘慰伦,张可能,等.双排桩支护结构设计计算方法探讨[J].地质与勘探,2001,(2):88-90.

[4]熊巨华.一类双排桩支护结构的简化计算方法[J].勘察科学技术,1999,(2):32-34.

[5]范秋雁,许胜才,崔峰.一类双排桩支护结构内力计算[J].岩石力学与工程学报,2012,(S1):3152-3158.

[6]郑刚,李欣,刘畅,等.考虑桩土相互作用的双排桩分析口[J]建筑结构学报,2004,(1):99-106.

[7]吴刚,白冰,聂庆科.深基坑双排桩支护结构设计计算方法研究[J].岩土力学,2008,(10):2753-2758.

[8]刘金龙,王吉利,袁凡凡.不同布置方式对双排抗滑桩土拱效应的影响[J].中国科学院研究生院学报,2010,(3):364- 369.

[9]吴昌将,张子新.边坡工程中抗滑桩群桩土拱效应的数值分析[J].地下空间与工程学报,2007,(S1):1305-1309+1333.

[10]刘泉声,付建军.考虑桩土效应的双排桩模型及参数研[J].岩土力学,2011,(2):481-486+494.

[10]刘泉声,付建军.考虑桩土效应的双排桩模型及参数研究[J].岩土力学,2011,(2):481-486+494.

[11]崔宏环,张立群,赵国景.深基坑开挖中双排桩支护的的三维有限元模拟[J].岩土力学,2006,(4):662-666.

[12]史海莹.双排桩支护结构性状研究[D].浙江大学,2010.

[13]应宏伟,初振环.深基坑带撑双排桩支护结构有限元分析[J].岩石力学与工程学报,2007,(S2):4325-4331.

[14]申永江,孙红月,尚岳全,等.锚索双排桩与刚架双排桩的对比研究[J].岩土力学,2011,(6):1838-1842.

[15]林鹏,王艳峰,范志雄,等.双排桩支护结构在软土基坑工程中的应用分析[J].岩土工程学报,2010,(S2):331-334.

[16]钱明.双排混凝土灌注桩基坑支护的数值模拟分析[J].岩土工程学报,2014,(S2):136-139.

[17]孙涛,刘俊岩,刘燕.双排桩支护排距的优化研究[J].岩土工程学报,2012,(S1):616-620.

（责任编校：何俊华）

2017－05－16

龙腾（1994－），男，湖南省衡阳人，湖南工业大学土木建筑学院硕士研究生，研究方向为岩土工程。

TU31

A

1673-2219（2017）10-0068-03