多层连接双排桩基坑支护FLAC—3D数值模拟及分析

李辉++郑应键+等

摘 要：为了研究多层连接双排桩支护结构桩间距对支护性能的影响，运用FLAC3D建立了深基坑多层水平连接双排桩支护的计算模型，进行分层开挖三维动态模拟计算，同时讨论了排距、桩长等参数对桩顶位移的影响。通过多工况数值分析求得：当桩长约为开挖深度的1.8～2.0倍时，排距与基坑开挖深度之比为0.43～0.50，基坑支护效果较好。为探究多层水平连接双排桩支护结构提供有益指导。

关键词：多层水平连接基坑支护；双排桩；深基坑；FLAC3D；数值模拟

中图分类号：TU942 文献标志码：A 文章编号：1672-1098（2015）02-0078-05

FLAC3D Numerical Simulation and Analysis of Multiple Layers Horizontal

Connection of a Double-row Piles Retaining Structure

LI Hui1，2， ZHENG Ying-jian1，CUI Long-sen3， LI Sheng1 ， CHENG Zheng-zheng1

（1.School of Civil Engineering and Architecture， Anhui University of Science and Technology， Huainan Anhui 232001， China；

2. The Urban Management Enforcement Bureau of Huainan City， Huainan Anhui 232001， China；3. Huakang Road Engineering Co. LTD， Huainan Anhui 232001， China）

Abstract：In order to investigate the effect of the multiple layers horizontal connection of a double-row piles retaining structure pile spacing on supporting performance. The FLAC3D is used to applying a numerical model of multiple layers connection of double-row piles supporting structure ， conducting a three-dimensional dynamic simulation on excavation. The influences of row spacing ， pile length on displacement of pile top were discussed. The result show that a good supporting effect can be achieved when the ratio of pile length and foundation depth is 1.8～2.0， and the ratio of row spacing and foundation depth is 0.43～0.50. This paper gives the theoretical guide to study the new multiple layers horizontal connection of double-row piles supporting structure.

Key words：multiple layers horizontal connection of foundation pit support； double-row piles； depth foundation pit； FLAC3D； numerical simulation 传统双排桩基坑支护结构是在土体中设置前后两排平行桩，两排桩呈矩形或梅花形分布，在前后两排桩桩顶用刚性冠梁连接，形成空间门架式的支护结构[1]，以门式结构的大刚度抵抗土层压力。一般情况下，门式双排支护桩呈悬臂式，且两排桩间距通常在3～5 m。门式双排桩常用钢筋混凝土灌注桩，冠梁采用钢筋混凝土结构，前、后排桩与冠梁刚性连接，形成空间结构[2-4]。

多层连接双排桩支护结构是一种新型的基坑支护形式，有别于传统双排桩支护结构。多层连接双排桩支护结构体系是由前、后两排平行桩和排桩间水平连接组成，钢绞线作为水平连接，其一端锚固于后排桩桩身上，另一端水平延伸，从前排桩相邻两根桩间的空隙穿出，并锚固于前排桩上，对钢绞线施加一定的预紧力，形成整体空间结构。

水平多层连接双排桩，在土层中设置两排平行桩，前后排桩多为预制桩、型钢桩以及加肋钢板桩，其中前排桩横截面大多为圆形或三角形，同一排桩与桩之间间隔为80 mm左右，方便钢绞线通过。通过特殊方式，多层水平连接将前后两排桩连接起来。

1 多层连接双排桩支护结构

多层连接双排桩支护结构中，用钢绞线作为水平连接，将钢绞线锚固在前、后排桩的桩身之上，水平连接的锚固位置根据基坑开挖深度和土层物理力学性质及厚度而定。当基坑开挖深度较大，则可以设置多层水平连接，其结构如图1所示。

采用FLAC3D分析软件，建立了多种排距和桩长的深基坑多层水平连接双排桩支护形式的计算模型，对这些模型开挖过程进行了三维动态模拟计算，并对计算结果进行对比分析，为深入探究多层水平连接双排桩支护结构提供了有益指导。

1. 后排桩； 2. 前排桩； 3. 水平连接； 4. 锚具

图1 多层水平连接双排桩结构endprint

2 三维数值模拟分析模型

21 选用的结构单元

多层连接双排桩支护结构中的桩，采用FLAC3D中的桩结构单元（pile）模拟。桩结构单元是通过材料参数、几何参数和耦合弹簧参数来定义的[5]。桩提供了与实体单元剪切方向和法线方向发生的相互摩擦作用。在这点上，桩实际上是组合了梁和锚索的作用，适合于模拟法向和轴向都有摩擦的桩基[6]。桩与实体单元之间的相互作用是通过耦合弹簧来实现的，耦合弹簧为非线性、可滑动的连接体，能够在桩身节点和实体单元之间传递力矩[7]。切向弹簧的作用同灌浆锚杆的切向作用机理是相同的。法向弹簧可以模拟法向荷载的作用、桩身与实体单元节点之间缝隙的形成以及桩周边土对桩身的挤压作用[8-9]，故采用桩结构单元模拟桩符合工程实际。

水平连接采用FLAC3D中的锚索单元（cable）模拟。锚索单元由几何参数、材料参数和水泥浆特性定义[10]。锚索构件是弹塑性材料，在拉压中屈服，但不能抵抗弯矩。锚索与桩之间的连接设置为铰连接。用锚索结构模拟水平连接是符合实际要求的。

22 土体的本构关系及边界条件

土体的本构关系采用Mohr-Coulomb 模型，这种模型是最通用的岩土本构模型，模型参数少，计算简单，且考虑了岩土材料的剪胀性[11]。

边界条件采用模型周边侧向约束，限制水平方向变形，模型底面约束铅直方向位移，底面采用固定支座边界类型，侧面采用可动滚轴支座边界条件，并设其为大变形情形[12-13]。

23 计算模型

为消除边界效应，考虑深基坑的具体形态特征和客观的工程水文地质条件，选取模型的计算范围，基本上为基坑相应尺寸的25倍。因本文计算的基坑形状是规则的矩形，选取基坑一侧建立模型。计算模型东西长560 m（x轴方向），南北宽200 m（y轴方向），深310 m （z轴方向）。

基坑计算模型具有23 560个实体单元，26 208个实体单元节点。运用FLAC3D编制程序，建立的基坑模型如图2所示。

在多层连接双排桩支护结构中， 前、 后排桩桩径为800 mm， 桩长300 m；同一排桩间的间距为1 000 mm，间隙200 mm，前、后排各设20根桩，共40根桩。

本文选用圆形钢管桩作为支护桩，采用FLAC3D中的桩单元（pile）模拟支护桩，桩单元节点通过link单元与周围土层连结，模拟桩土耦合效应。桩单元参数主要包括抗弯性能参数和桩土耦合效应参数，根据支护桩所用材料性质、几何尺寸和土层性质对这些参数进行选择。

为便于多层连接双排桩支护结构模型的创建，模拟水平连接的锚索单元（cable）分别与前、后排桩的桩单元节点连接，设置节点为铰接。因水平连接（钢绞线）直径较小，与土体之间的摩擦力较小，故模拟过程中忽略了锚索单元与土层之间的耦合效应，只考虑轴向强度。根据实际选用的预应力钢绞线对锚索单元相应的参数进行选择。

多层水平连接双排桩支护结构，自桩顶向下，每隔30 m设置一层水平连接，共设置5层，第5层水平连接距坑底20 m，基坑开挖深度140 m，各层水平连接施加相同的预紧力，运用FLAC3D编制程序，建立的双排桩模型如图3所示。

图3 FLAC-3D多层连接双排桩模型3 基坑开挖及计算结果分析

为探究各种因素对多层水平连接双排桩支护结构支护效果的影响，本文应用FLAC-3D模拟软件分别对不同排距和桩长的计算模型进行了计算分析。

运用FLAC3D模拟软件对基坑进行分层开挖三维动态模拟计算，基坑开挖部分的尺寸为：东西方向长146 m，南北方向宽200 m，开挖深度140 m。

共设5层水平连接，在地面桩顶处设置第一层水平连接，并施加预紧力，然后基坑分5步开挖，前4步每步开挖30 m，第5步开挖20 m。第1步开挖30 m，此步开挖完成后，自地面向下，在桩身30 m处设置第2层水平连接，并施加预紧力；进行第2步开挖，深度为30 m，此步开挖完成后，在桩身60 m处设置第3层水平连接，并施加预紧力；进行第4步开挖，深度为30 m，此次开挖完成后，在桩身90 m处设置第3层水平连接，并施加预紧力；进行第4步开挖，深度为30 m，此步开挖完成后，设置第5层水平连接，并施加预紧力；最后进行第5次开挖，深度为20 m，至此，开挖结束。

31 不同排距计算结果分析

本节对桩长为300 m，预紧力为1800 kN，排距为30～80 m的计算模型分别进行了计算，不同排距下基坑侧向水平位移（x轴方向）如图4所示。

1. 排距3.0 m； 2. 排距4.0 m； 3. 排距5.0 m；

4. 排距6.0 m； 5. 排距7.0 m； 6. 排距8.0 m

图4 基坑侧向水平位移 由图4可见，最大侧向水平位移发生在基坑开挖面中部位置，自桩顶向下，水平位移先逐渐增大，当达到最大值之后，水平位移逐渐减小。当排距为30 m时，支护结构侧向水平位移最大，相对于排距为40 m时偏大较明显；随着排距增加，支护结构的侧向水平位移逐渐减小，但减小的趋势越来越缓慢，在排距从60 m到80 m时，侧向水平位移变化很微弱。排距60 m时基坑侧向水平位移如图5所示。

图5 排距60 m基坑侧向水平位移云图

由此可得，排距与基坑开挖深度之比的最优值为043～050。

对不同排距的计算模型，水平连接施加的预紧力为1800 kN，基坑开挖结束后，各层水平连接的轴力均为拉力（见图6）。相同排距水平连接中的轴力随深度的增加而增大。最大轴力为2328 kN，未达到水平连接（钢绞线）的屈服强度。随着排距的增加，同层水平连接的轴力变化不大。

水平连接/层endprint

1. 排距3.0 m； 2. 排距4.0 m； 3. 排距5.0 m；

4. 排距6.0 m； 5. 排距7.0 m； 6. 排距8.0 m

图6 水平连接轴力32 水平连接对支护效果的影响

排距为60 m，桩长300 m，土层内无水平连接双排桩支护的基坑，开挖结束后基坑侧向水平位移如图7所示。

图7 无水平连接基坑侧向水平位移云图

图7与图5对比可以看出：当土层内无水平连接时，基坑侧向最大水平位移达到193 cm，基坑变形过大；当土层内加设水平连接时，基坑侧向最大水平位移为386 cm，相比减少了1544 cm，减少较明显；土层内加设水平连接时桩间土的侧向位移分布较不加水平连接更为均匀。

排距为60 m，桩长300 m，土层内无水平连接双排桩支护结构和土层内有水平连接双排桩支护结构中部的前后两根桩的桩身弯矩分布如图8所示。

1. 有水平连接； 2. 无水平连接

图8 前后排桩弯矩

由图8可知，土层中加设水平连接的双排桩支护结构与不加水平连接的双排桩支护结构相比，土层中加设水平连接的双排桩支护结构能够有效减小桩身最大弯矩。

由此可见，土层中加设水平连接双排桩支护结构可以有效限制基坑的变形，减小支护结构的最大弯矩，达到良好的支护效果。

33 桩长对支护效果的影响

为分析桩长对深基坑支护效果的影响，此处重点对排距为60 m，桩长分别为285，270，255，240，225，210 m的计算结果进行分析，其基坑侧向水平位移变化如图9所示。

1. 桩长21.0 m； 2. 桩长22.5 m； 3. 桩长24.0 m；

4. 桩长25.5 m； 5. 桩长27.0 m； 6. 桩长28.5 m

图9 不同桩长的基坑侧向水平位移

由图9可看出，桩长从210 m变化到255 m，基坑开挖面中部最大水平位移减小明显，但桩长从255 m变化到285 m时，最大水平位移减小很微弱。当桩长为255～270 m时，结果较理想，故桩长与基坑深度比值的合适范围为18～20。故选择合适的桩高，可以增强支护结构的支护效果。

4 结论

1） 基坑最大侧向水平位移发生在基坑开挖面中部位置，沿基坑深度方向，侧向水平位移先逐渐增大，当达到最大值之后，逐渐减小。

2） 与普通双排桩支护结构相比，多层水平连接双排桩支护结构可以有效控制基坑的侧向变形，减小桩身最大弯矩。

3） 排距的变化直接影响多层水平连接双排桩支护结构桩体两侧土压力的变化，进而影响支护效果。排距增加，可使基坑侧向水平位移减小，当增大到一定值后，对基坑侧向变形的控制作用不明显。当排距与基坑深度的比值为043～050时，模拟计算的位移和弯矩较理想，能够使多层水平连接双排桩支护结构发挥较好的支护作用。

4） 在同一排距的多层水平连接双排桩支护结构中，水平连接的轴力随深度增加而增大。对于不同排距的多层水平连接双排桩支护结构，其同层水平连接的轴力变化不大。

5） 桩长的改变会影响支护结构的性状。基坑水平位移因桩长的改变而发生变化，当桩长与基坑深度的比值为18～20时，支护效果较好。

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