后排桩长度变化对双排桩的影响分析①

□□ 王 栋

(安徽铁建工程有限公司，安徽 蚌埠 233040)

引言

在基坑开挖深度较大、场地红线狭窄不宜向外侧打设锚杆情况下，可以采用双排桩支护结构，其可以在较窄空间内施作并提供较大支护刚度，已在岩土工程建设中得到了广泛应用[1-5]。在工程中，双排桩中的前排桩与后排桩参数可以不同。但目前常见的分析方法中[6-9]，尚不能较好地考虑前后排桩长度不相等、间距不相等、前后相互错位等情况。

在保证变形与稳定满足要求的前提下，双排桩中的后排桩与前排桩的长度不一定要求相等[10-11]。为此，本文基于数值模型，探讨后排桩长度变化对双排桩变形与稳定的影响，为准确把握非等长双排桩的基本特性提供一定的参考。

1 有限元计算模型

某一典型基坑工程前后排桩桩径为0.9 m，间距为1.2 m。桩顶设置冠梁与横梁，横梁尺寸为800 mm×800 mm，初始设计中前后排桩长度相等均为20.0 m。为了分析非等长双排桩的基本特性，现以该工程为依托建立计算模型，如图1所示。

图1 非等长双排桩计算构型图

图1中Lhz表示后排桩长度，Lqz表示前排桩长度，Lh1表示横梁长度，L0表示基坑开挖深度。计算中取L0=11.5 m，Lh1=2.0 m。根据工程地质条件建立有限元计算模型，图2给出了前后排桩长度相等情况下的网格剖分情况。

图2 有限元网格划分

各土层物理力学参数见表1，土层本构采用小应变土体硬化(HS-Small)模型进行模拟。表1中E50ref表示三轴排水试验所得割线模量，Eoedref表示侧限加载试验的切线模量，Eurref表示工程应变卸载/重加载模量。上述参数根据勘察报告与工程经验确定。

表1 土层计算参数

所述工程问题按平面应变问题考虑，等效得到的结构参数见表2。按工况分层开挖，基坑开挖至底时达到最危险工况，故后续仅针对基坑开挖至标高时的最危险工况开展讨论。

表2 板单元计算参数

2 计算结果分析

采用非等长双排桩时，一般前排桩长度大、后排桩长度小，即优先保证前排桩的长度。计算得到了不同后排桩情况下桩及土体的变形与受力情况。基于非线性有限元法，计算得到了后排桩长度变化对基坑特性的影响。

2.1 水平位移

前排桩长度Lqz=20.0 m，后排桩长度Lhz分别取20.0 m、16.0 m、12.0 m、8.0 m时的桩体水平位移如图3、图4所示。可见，前排桩与后排桩的水平位移均表现出：距离地面越远，桩体水平位移越小的规律，前排桩、后排桩的水平位移最大值均位于桩顶处，且桩顶处的水平位移相等。

图3 后排桩长度变化对前排桩水平位移的影响

图4 后排桩长度变化对后排桩水平位移的影响

进一步分析知，后排桩长度越大，前排桩与后排桩的水平位移均越小，但这种影响主要体现在基坑开挖深度范围内，即开挖面以下后排桩长度对前排桩与后排桩的水平位移影响非常有限。

土体的水平位移分布如图5所示，可见，土体水平位移最大值发生在基坑坑壁顶部。图6给出了基坑土体水平位移最大值与后排桩长度的依赖关系。后排桩长度越大，土体水平位移最大值越小，但在后排桩桩长Lhz>14.0 m后，这种影响效果逐渐降低。如Lhz=18.0 m时，土体水平位移最大值为7.90 mm，Lhz=14.0 m时，水平位移最大值为8.05 mm，两者相差1.89%。可见，后排桩长度超过一定范围后(14.0 m)，土体的水平位移受后排桩长度变化的影响非常小。

图5 土体水平位移分布图(单位：cm)

图6 基坑土体水平位移最大值与后排桩长度的依赖关系

2.2 竖向沉降

土体的竖向沉降如图7所示，可见，土体竖向沉降最大值发生在基坑坑壁顶部。图8给出了后排桩长度变化对土体竖向沉降最大值的影响。后排桩长度越大，土体竖向沉降最大值越小，但在后排桩桩长Lhz>14.0 m后，这种影响效果逐渐降低。如Lhz=18.0 m时，土体竖向沉降最大值为-5.66 mm，Lhz=14.0 m时，土体竖向沉降最大值为-5.78 mm，两者非常接近。可见，后排桩长度超过一定范围后(14.0 m)，土体的竖向沉降受后排桩长度变化的影响非常小。

图7 土体竖向沉降等值线分布图(单位：cm)

图8 后排桩长度变化对基坑土体竖向沉降最大值的影响

2.3 桩体内力

前排桩长度Lqz=20.0 m，后排桩长度Lhz分别取20.0 m、16.0 m、12.0 m、8.0 m时的桩体轴力如图9、图10所示。

图9 后排桩长度变化对前排桩轴力的影响

图10 后排桩长度变化对后排桩轴力的影响

前排桩的轴力为负值，表示受压，即前排桩承受压力；后排桩的轴力为正值，表示受拉，即后排桩承受拉力。可见，双排桩中前排桩与后排桩的轴力方向完全不同，后排桩受拉类似抗拔桩。显然，只有正确掌握前排桩与后排桩的特性，后续才能合理设计与计算。

后排桩长度越大，前排桩的轴力越小，但当后排桩长度>12.0 m后，后排桩长度对前排桩轴力的影响非常小。随着后排桩长度的增大，后排桩的轴力先增大后越小，后排桩长度为16.0 m时其轴力达到最大值。

前排桩的轴力最大值发生在基坑坑底位置处，后排桩的轴力最大值发生基坑顶部，这与受压桩、受拉桩的受力特征是吻合的。

图11与图12给出了后排桩长度变化对桩体剪力的影响。可见，前排桩的剪力最大值发生在基坑坑底位置处，且后排桩长度对前排桩剪力的影响非常小，可忽略不计。后排桩长度越大，其受到的剪力值逐渐减小。

图11 后排桩长度变化对前排桩剪力的影响

图12 后排桩长度变化对后排桩剪力的影响

图13与图14给出了后排桩长度变化对桩体弯矩的影响。可见，前排桩上部(基坑开挖深度范围内)的最大弯矩位于-7.0 m深度处，前排桩下部(锚固段)的最大弯矩位于-16.5 m深度处，上部与下部的弯矩方向不同。后排桩长度变化对前排桩弯矩的影响基本忽略不计。后排桩长度>12.0 m以后，后排桩长度变化对后排桩弯矩的影响非常小。

图13 后排桩长度变化对前排桩弯矩的影响

图14 后排桩长度变化对后排桩弯矩的影响

2.4 基坑稳定性

基于强度折减有限元法[12-14]，考察了不同工况下基坑的稳定性，如图15、图16所示。

图15 基坑失稳破坏时的滑裂面位置

图16 后排桩长度变化对基坑安全系数的影响

由图15可见，滑裂面底部穿过前排桩坑底以下2.5 m深度处，后排桩长度对潜在滑裂面位置的影响不大。由图16可知，后排桩长度>12.0 m后，后排桩长度的增加对基坑稳定性的影响不大。如后排桩长度为20.0 m时的安全系数仅比后排桩长度为14.0 m时的安全系数增加1.8%。

综合前面所述的土体变形与桩体内力可知，对于该工程案例而言，在前排桩长度取20.0 m的情况下，后排桩的最优长度为14.0 m。即后排桩的长度>14.0 m后，其对基坑变形与稳定的影响较小，甚至可以忽略不计。

计算还表明，双排桩中若采用前排桩短、后排桩长的方案，其前排桩类似吊脚桩，导致双排桩的作用大大减弱，甚至基坑变形与稳定不满足要求。因而工程中不建议采用前排桩短、后排桩长的双排桩设计方案。

3 结论

3.1 距离地面越远，桩体水平位移越小，前排桩、后排桩的水平位移最大值均位于桩顶处，前排桩与后排桩在桩顶处的水平位移相等。后排桩长度越大，前排桩与后排桩的水平位移均越小，但这种影响主要体现在基坑开挖深度范围内，即后排桩长度变化对基坑开挖面以下前排桩与后排桩的水平位移影响较小。

3.2 后排桩长度超过一定范围后，土体的水平位移与竖向沉降受后排桩长度变化的影响非常小。

3.3 通常情况下后排桩受拉、前排桩受压，后排桩长度越大，前排桩的轴力越小，但后排桩长度达到一定值后，后排桩长度对前排桩轴力的影响非常小。前排桩的轴力最大值发生在基坑坑底位置处，后排桩的轴力最大值发生基坑顶部。前排桩的剪力最大值发生在基坑坑底位置处，且后排桩长度对前排桩剪力的影响非常小。

3.4 后排桩长度对潜在滑裂面位置的影响不大。后排桩长度达到一定值后，后排桩长度的增加对基坑稳定性的影响不大。工程中不建议采用前排桩短、后排桩长的双排桩设计方案。