第 7 卷增刊 II Vol.7 Sup.II 工程力学 年 月 Dec. ENGINEERING MECHANICS 文章编号 :-75()Sup.II--5 双排桩支护结构优化设计与工程应用研究 * 杨德健 1, 1, 王铁成 (1. 天津大学建筑工程学院, 天津 37;. 天津城市建设学院天津市软土特性与工程环境重点实验室, 天津 33) 摘要 : 基于双排桩支护结构设计的基本理论 简化模型及内力计算方法, 运用 ANSYS 有限元分析建立平面应 变模型, 对双排桩支护结构进行了分析, 研究前后排桩排距等因素对围护结构侧向位移及桩身内力的影响 比较 分析表明 : 前排桩 后排桩与桩间土协同作用效果明显, 双排支护桩结构具有较大的侧向刚度, 可有效地限制围 护结构的侧向变形 ; 排距对双排桩支护结构受力影响较大, 合理选择排距可获得较好的支护效果 关键词 : 双排桩 ; 支护结构 ; 受力分析 ; 影响因素 ; 优化设计 中图分类号 :TU3; TU9 +. 文献标识码 :A RESEARCH ON OPTIMUM DESIGN AND APPLICATION OF DOUBLE-ROW PILE RETAINING STRUCTURE * YANG De-jian 1,, WANG Tie-cheng 1 (1. School of Constructional Engineering, Tianjin University, Tianjin 37, China;. Tianjin Key Laboratory of Soft Soil Characteristic and Engineering Environment, Tianjin Institute of Urban Construction, Tianjin 33, China) Abstract: A fundamental theory, simple model and stress analysis method for the double-row pile retaining structure design are introduced. The finite element software ANSYS was used to set up the model of double-row pile retaining structure. By analyzing the effects of the spacing, pile rigidity and other factors on the deformation and bending moment of the structure, some conclusions were obtained. Through effective co-action of double-row piles and soil, the double-row pile retaining structure has larger lateral stiffness. The performance of pile retaining structure is influenced by the spacing between pile lines, so the spacing should be reasonable. Key words: double-row pile; retaining structure; stressed analyses; affected factors; optimum design 随着高层建筑和地下结构的快速发展, 地下工程规模日趋加大, 深基坑支护设计与施工等方面的问题日益突出, 深基坑工程己成为工程界所面临的一个重大问题 [1 3] 安全 合理的基坑支护结构是开发利用地下空间的重要保证 双排桩支护结构作为一种新型的支护形式, 在基坑开挖工程应用中取得了良好的效果 [ 7] 双排桩支护结构体系属于悬臂类空间组合支护结构 双排桩支护结构可理解为将密集的单排悬臂支护桩中的部分桩向后移, 并在桩顶用刚性连梁把前排桩 后排桩连接起来, 沿基坑长度方向形成双排支护的空间支护结构体系 双排桩相当于一个插入土体的刚架, 能够靠基坑以下 桩前土的被动土压力和刚架插入土中部分的前桩抗压 后桩抗拔所形成的力偶来共同抵抗倾覆力矩, 桩土之间的相互作用不容忽略 [ 9] 在荷载作用下, 后排桩向坑内运动, 势必受到桩间土的抗力 ; 同时, 桩间土也对前排桩产生推力 1 双排桩支护结构受力特征分析 双排桩支护结构作为一空间组合支护结构, 受力复杂, 影响其支护性能的因素较多, 本文利用有限元软件对双排桩支护结构体系进行分析计算, 根据天津地区的一般土质情况, 设定计算模型的有关基本参数为 : 土体粘聚力 C=15kPa, 内摩擦角 收稿日期 :9--; 修改日期 :9-- 基金项目 : 天津市重点实验室建设项目 (SYSYTC) 作者简介 :* 杨德健 (19 ), 男, 北京人, 教授, 博士, 主要从事结构工程及工程场地抗震研究 (E-mail: yangdejian@tjuci.edu.cn); 王铁成 (195 ), 男, 河北人, 教授, 博士, 博导, 主要从事结构工程理论与设计研究 (E-mail: wangtiecheng@eyou.com).
工程力学 5 j = o, 弹性模量 E=5MPa, 泊松比 n =.35, 前后 排灌注桩均采用 f7@15, 桩长 L =m, 前后排 桩间距 B =.5m, 联系梁长度为.5m, 截面为 7mm 5mm, 混凝土强度等级为 C5, 考虑 kpa 的地面施工超载 ( 工况 1) 基坑开挖深度为 m, 宽度为 3m, 计算范围为 3m 深,m 宽, 取一半范围 ( 对称 ) 进行计算, 有限元单元网格划分, 如图 1 所示 计算结果如图 图 3 所示, 分别为 对称约束 图 1 有限元单元网格划分图 Fig.1 FEM meshing 桩身侧移 /mm - 1 1 1 工况 1, 前排 工况 1, 后排 图 工况 1 桩身侧向位移 Fig. The lateral displacement of pile body for case 1 桩身弯矩 /(kn m) - - - 1 1 1 工况 1, 前排 工况 1, 后排 图 3 工况 1 桩身弯矩分布 Fig.3 The bending moment distribution of pile body for case 1 前排桩 后排桩侧向位移图及前排桩 后排桩弯矩 分布图 ( 图中 f b 分别表示前排桩 后排桩, 下同 ) 由图 可知, 前排桩 后排桩桩顶位移量相等, 且桩身最大侧移发生在桩顶处 ; 靠近桩顶 m m 范围内, 前排桩 后排桩的侧移量基本一致, 但此 点以下的后排桩桩身侧移大于前排桩, 表明桩间土 体受到挤压, 双排桩靠前排桩 后排桩与桩间土的 变形协调来传递土压力 根据前排桩 后排桩弯矩 图 ( 图 3) 的分析, 前排桩 后排桩均受到交变应力作 用, 存在反弯矩点, 且此点分布在基坑开挖面附近, 后排桩的最大弯矩出现在桩顶 1.1 双排桩与单排桩及桩顶铰结体系受力情况的 对比分析 如果将后排桩与连梁去掉, 同时前排桩的桩身 刚度增加一倍, 则转变为单排桩体系 ( 工况 ); 若双 排桩桩顶与连梁的连接部位只能传递轴力与剪力, 不能传递弯矩则成为铰结体系 ( 工况 3), 对上述两种 情况分别进行计算, 并与原双排桩体系 ( 工况 1) 计算 结果进行对比分析, 如图 图 5 所示 桩身侧移 /mm - 1 1 1 工况 1, 前排工况, 前排工况 3, 前排 图 连梁刚结 铰结及单排桩对前排桩侧移的影响 Fig. The influence to lateral displacement of case & case 3 桩身弯矩 /(kn m) - - - 1 1 1 工况 1, 前排工况, 前排工况 3, 前排 图 5 连梁刚结 铰结及单排桩对前排桩弯矩的影响 Fig.5 The influence to bending moments of case & case 3
工程力学 由图 可知, 与单排桩相比, 在用桩量相同的 条件下, 双排桩支护结构具有较大的侧向刚度, 桩 顶侧移可减小 % 左右 连梁与桩顶铰结时, 桩身的侧移有所增加, 但 只是发生在基坑开挖面以上部位, 基坑开挖面以下 没有变化, 说明桩顶的刚性节点可以减小开挖面以 上桩身的侧移 ; 单排桩与双排桩相比, 虽然桩身的 总刚度相同, 但桩身侧移增加很大, 且分布于桩身 全长范围内 从图 5 可以看出, 连梁与桩顶铰结时 桩顶弯矩为零, 导致前排桩的基底以下部分桩身的 弯矩值增大, 偏于不安全 与单排桩相比, 桩身最 大弯矩减小 1/3, 说明双排桩门式刚架在基坑支护 过程中优于单排桩, 且双排桩桩顶与连梁的刚性连 接优于铰结 1. 双排桩排距的影响 为考察双排桩排距的影响, 取排距 B 分别等于 1.5m.5m 3.5m.5m 和 m 等工况, 对双排桩支 护结构进行对比分析, 结果如图 图 7 所示 侧移 /mm 图 桩顶下 5m 处桩身侧移 Fig. The lateral displacement under pile top 5m 弯矩 /(kn m) 5 75 7 5 55 5 5 35 3 1 3 5 7 排距 /m 桩顶下 5m 桩顶下 m 前排桩 后排桩 1 3 5 7 排距 /m 图 7 前排桩桩顶下 5m 与 m 处桩身弯矩 Fig.7 The lateral displacement under pile top 5m and m 由图 图 7 分析可知, 当排距较小时, 侧向 位移较大, 桩身变形趋势与单排桩相似, 双排桩门 式刚架作用不明显, 抵抗侧向弯曲和变形的能力较 低 ; 随着排距的增大, 排桩的侧移减少, 门架作用 越来越明显, 前排桩 后排桩侧移的差值增大, 桩 间土受到挤压作用, 说明桩间土与排桩共同作用, 前排桩基坑开挖面以上最大弯矩增加愈来愈缓慢, 开挖面以下桩身最大弯矩增加到一定值后减小, 总 体上变化不大 分析结果表明, 合理选用排距能使 双排桩较好地发挥共同抵抗侧向变形的能力, 由 图 图 7 可以看出, 合理排距在 3 倍 倍桩径范 围, 排距选取应同时考虑基坑开挖深度的影响 双排桩支护结构土压力分析 基坑开挖工程中支护体所受土压力一直以来 都是岩土工作者所关心的问题 [ 11], 土压力的正确 取值直接影响到计算结果与设计方案, 同时也影响 到工程的安全性及工程造价 而刚塑性体法是建立 在极限平衡理论之上来确定土压力的方法, 故按此 方法所得被动土压力的理论计算值与实际状态存 在较大偏差 因为若使基坑支护结构达到极限变形 状态, 则远远超出相关规范的允许变形值 本文通 过有限元计算, 对前排桩 后排桩所受土压力进行 了分析, 结果如图 图 11 所示 - 1 1 1 前排桩土压力 /kpa 排距为.5m 排距为 m 图 前排桩所受主动土压力 Fig. The active soil pressure of frount row pile 后排桩土压力 /kpa - 排距为.5m 排距为 m 1 1 1 图 9 后排桩所受主动土压力 Fig.9 The active soil pressure of back row pile
工程力学 7 前排桩土压力 /kpa -7-5 -3 - 排距为.5m 排距为 m 图 前排桩所受被动土压力 Fig. The passive soil pressure of frount row pile 后排桩土压力 /kpa 图 11 后排桩所受被动土压力 Fig.11 The passive soil pressure of back row pile 由图 图 9 可知, 前排桩 后排桩的主动土 压力分布为 : 基坑开挖面以上桩身所受主动土压力 与值相近, 开挖面以下桩身所受土 压力介于与静止土压力之间, 并随 着深度的增加, 愈来愈接近静止土压力值 由此, 本文建议对前排桩 后排桩的主动土压力采用折线 土压力进行取值, 即 : 开挖面以上部分桩身所受土 压力为主动土压力, 桩底所受土压力为静止土压 力, 开挖面以下各点土压力值采用插值法取值 由图 图 11 可知, 前排桩 后排桩所受的 被动土压力与理论被动土压力值相差较大, 前排桩 所受的被动土压力分布为 : 基坑开挖面以下桩身中 间部分所受土压力值最大, 开挖面处与桩底处较 小, 呈圆弧状分布 ; 后排桩被动土压力值接近静止 土压力 因基坑支护结构达到被动极限状态所需要 的位移值为 (..)H, 远远大于地基基坑工程 1 1 1-7 -5-3 - 排距为.5m 排距为 m 1 1 1 技术规范规定的最大水平位移允许值 3 双排桩支护结构工程实测与数值计算对比分析 [] 泰达当代艺术博物馆 公寓工程位于天津开 发区泰达大街与黄海路交口西南侧 公寓地上 层, 高 5.m, 地下 层, 基底埋深.75m, 采用 剪力墙结构及桩基础 基坑周边场地条件较为狭 小, 且场地土质较差 基坑如采用悬臂式排桩支护 方案, 支护结构位移较大, 无法满足工程及周边条 件的要求 ; 如采用悬臂式排桩支护方案, 则要求支 护桩嵌固的深度较大, 工程造价较高 本工程根据 拟建建筑物的实际情况, 因地下车库基坑西北角 东北角 东侧及东南角部位周边场地条件较为狭 小, 只能采用带支撑单排桩支护方案, 其他部位则 采用双排桩支护方案 本文对该工程双排桩支护部 分, 建立了平面应变有限元来模拟双排桩的工作性 状, 并进行了优化设计 支护桩与连梁之间考虑为 刚接点, 工程采用 f@15, 排距为 mm 的 双排桩支护结构, 并采用截面为 的连梁和 的冠梁将双排桩支护连接形成空间受力体 系 计算了支护结构侧移及内力分布, 计算结果表 明前后排桩最大侧移发生在桩顶, 最大值为 mm, 与实测值比较接近 该基坑公寓部分于 年 11 月开挖, 在开挖期间进行了支护冠梁水平位移的监 测, 双排桩支护部分水平位移最大实测值为 5mm, 实测位移量满足设计要求, 支护效果良好 结论 (1) 双排支护桩是由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, 可有效地限制 围护结构的侧向变形 应把桩顶与连梁做成刚性连 接, 以保证有效地发挥双排桩的支护效果 在基坑 开挖过程中, 桩间土受到挤压, 桩间土与前排桩 后排桩协同作用 () 排距对双排桩支护结构受力影响较大, 当 排距为 (3 )D 之间, 前后排桩可较好发挥抵抗侧 向变形的能力 当排距小于 3D 时, 桩身变形曲线 有类似悬臂式单排桩的特性 当排距大于 D 时, 桩身变形曲线类似于拉锚式围护结构桩的特性 合 理选择排距可获得较好的效果 (3) 双排桩支护体系往往是在对支护结构侧移 限制要求较高时使用, 土体并未达到极限平衡状
工程力学 态 因此, 进行基坑支护结构土压力计算时, 主动 土压力应予提高, 而被动土压力值则应适当降低 参考文献 : [1] 顾晓鲁. 天津市基坑开挖与支护技术现状与展望 [J]. 建筑技术, 199, 9( 增刊 1): 1. Gu Xiaolu. Review of foundation pit excavation and retaining technology in Tianjin [J]. Architecture Technology, 199, 9(Sup.1): 1. (in [] 林鹏, TSUI Y. 双排桩支护结构在失稳基坑中的补强作用 [J]. 工业建筑,, 3(5):. Lin Peng, TSUI Y. The retaining function of double-row piles bracing in steady losing foundation pit [J]. Industry Construction,, 3(5):. (in [3] Poulos H G, Davis E H. Pile foundation analysis and design [M]. New York: John Wiley and Sons, 19:. [] Bolton M D. The strength and dilatancy of sands [J]. Geotechnique, 19, 3(1): 5 7. [5] 平扬. 深基双排桩空间协同计算理论及位移反分析 [J]. 土木工程学报, 1, 3(): 79 3. Ping Yang. Calculation theory considering spatial influence and displacement feedback design of doublerow piles in deep foundation [J]. China Civil Engineering Journal, 1, 3(): 79 3. (in [] 王振宇. 双排桩式围护结构在基坑开挖中的应用 [J]. 建筑技术,, 35(5): 373 37. Wang Zhenyu. Application of double-row pile exterior protecting construction in foundation pit Excavation [J]. Architecture Technology,, 35(5): 373 37. (in [7] 林鹏, 许镇鸿. 软土基坑双排桩支护结构的应用研究 [J]. 土工基础,, 1(): 11 13. Lin Peng, Xu Zhenhong. Study on double-row bracing for foundation pit excavation in soft soil [J]. Soil Engineering and Foundation,, 1(): 11 13. (in [] 何颐华, 杨斌. 双排护坡桩试验与计算的研究 [J]. 建筑结构学报, 199, 17(): 5. He Yihua, Yang Bin. Experimental and calculation research on double-row piles [J]. Journal of Building Structures, 199, 17(): 5. (in [9] 刘钊. 双排支护桩结构的分析及试验研究 [J]. 岩土工程学报,199, 1(9): 11 131. Liu Zhao. Experimental and analysis research on double-row piles structure [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 199, 1(9): 11 131. (in [] 邓小鹏. 深基坑开挖中双排桩支护结构的数值分析与工程应用 [J]. 西安工程学院学报,, (): 7. Deng Xiaopeng. Numerical analysis and application of Retaining structure with double-row piles on deep excavation [J]. Journal of Xi an Engineering University,, (): 7. (in [11] 郑刚, 李欣. 考虑桩土相互作用的双排桩分析 [J]. 建筑结构学报,, 5(1): 99. Zheng Gang, Li Xin. Analysis of double-row piles in consideration of the pile-soil interaction [J]. Journal of Building Structures,, 5(1): 99. (in [] 郭永成, 吴永红. 泰达当代艺术博物馆及公寓深基坑支护工程实例与分析 [J]. 天津勘察, 5(): 3 39. Guo Yongcheng, Wu Yonghong. Analysis of double-row piles in deep foundation pit of TADA museum and apartment [J]. Tianjin Engineering Surveying, 5(): 3 39. (in