雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)土壓力數(shù)值模擬研究

雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)土壓力數(shù)值模擬摘要：雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)是一種新的深基坑支護(hù)形式，在進(jìn)行雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，土壓力的取值正確與否對(duì)支護(hù)體系設(shè)計(jì)是否合理起著決定作用，為了更準(zhǔn)確的進(jìn)行雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須了解作用在樁上的土壓力的分布情況，本文利用巖土工程分析軟件FLAC3D，運(yùn)用數(shù)值模擬方法研究了雙排樁土壓力的分布情況，得出前排樁樁前土壓力大致呈S形分布，其值比較接近于靜止土壓力；前排樁樁后土壓力大致與靜止土壓力一致，基坑開(kāi)挖面以上小于靜止土壓力，大于朗肯主動(dòng)土壓力，以下大于靜止土壓力；后排樁樁前土壓力大致呈線性分布并大致與靜止土壓力一致，在基坑開(kāi)挖面以上小于靜止土壓力，以下大于靜止土壓力；后排樁樁后土壓力較接近靜止土壓力，大于朗肯主動(dòng)土壓力，在基坑開(kāi)挖面以上小于靜止土壓力，以下有大于靜止土壓力的部分；樁間土對(duì)前后排樁樁側(cè)的土壓力大致相等。在此基礎(chǔ)上并考慮了排距的影響，得出雙排樁的排距有合理的排距范圍。關(guān)鍵詞：雙雙排樁；；有限差差分；土壓力力；數(shù)值模模擬中圖分類(lèi)號(hào)號(hào)：TU47文獻(xiàn)標(biāo)標(biāo)識(shí)碼：：ANumerricaalssimuulattionnonnsoillpresssurreoofddoubble-rowwpileretaainiingstruuctuuressNIUSShuaangjjiann1,YAANGDafangg2,MAAHuann1(1.ScchoooloofAArchhiteectuure&CCiviilEEngiineeerinng,ChiinaUniiverrsittyoofMMiniinganddTeechnnoloogy,,Xuuzhoou22210008,,Chinna;2.SchhoolloffCiivillEnnginneerringg,HHenaanPoolyttechhniccUniiverrsitty,Jiaaozuuo45540003,Chhinaa)Abstrractt:DDoubble--rowwpiilesuppporrtinngsstruuctuureisannewforrmoofddeeppfoounddatiiondittchsuppporrt,inthiisddesiign,,thheccorrrecttnesssooftthevallueofsoiilppresssurreoontthepillepplayysaacrritiicallrooleinsuppporrtinngssysttemdessignn,iinoordeerttommoreeacccurrateelytodessignnthhisstrructturee,weemuustknoowaabouuttthesoiilppresssurreddisttribbutiionoftheedooublle-rrowpille,thiisppapeeruusinngtthegenneraaliinteernaatioonallgeeoteechnnicaaleengiineeerinngaanallysiisssofttwarreFFLACC3D,thhrouughnummeriicallsiimullatiionmetthodds,stuudysoiilppresssurreddisttribbutiionoftheedooublle-rrowpille,commettottheconncluusioontthattthhessoillprresssureebeeforrefformmerrowwpiilewassrooughhlyS-sshappeddisstriibuttionn,iitsvalluewassclloseetoothhesstatticsoiilppresssurre;theesooilpreessuurebehhinddfoormeerrrowpliiewwasconnsisstenntwwithhthhesstatticsoiilppresssurre,upwwarddoffthheeexcaavattionnofffoounddatiiondittchwassleessthaantthestaaticcsooilpreessuure,,anddgrreatterthaanttheRannkinnessoillprresssuree,uundeersiideoftheeexxcavvatiionoffouundaatioondditcchwwasgreeateertthannthhesstatticsoiilppresssurre;;thhessoillprresssureebeeforrerrearrroowppileewaasrrougghlyyliineaarddisttribbutiionanddcoonsiisteentwitthtthestaaticcsooilpreessuure,uupwaardoftheeexxcavvatiionoffouundaatioondditcchwwaslessstthannthhesstatticsoiilppresssurre,undderssideeoffthheeexcaavattionnofffoounddatiiondittchwassgrreatterthaantthestaaticcsooilpreessuure;;thhessoillprresssureebeehinndrrearrroowppileewaascclossettotthestaaticcsooilpreessuure,,anndggreaaterrthhantheeRaankiineacttiveesooilpreessuure,,intheeexxcavvatiionoffouundaatioondditcchwwasmorretthanntnnesstatticsoiilppresssurre,undderssideeoffthheeexcaavattionnofffoounddatiiondittchwassgrreatterthaantthestaaticcsooilpreessuureinparrtoofppilee,tthepreessuureoftheesooilbettweeenrrowssonnpiilesiddewwasrouughllyeequaal.Onthiisbbasiisaandtakkingginntoacccounntttheimppacttoffthheaarraayppitcch,wecanncoonclludeedtthattthheaarraayppitcchoofddoubble--rowwpiilehavveaareeasoonabbledisstanncerannge..Keywwardds:douublee-roowppilee,ffiniitedifffereencee,ssoillpreessuure,,nuumerricaalssimuulattionn0引言收稿日期：收稿日期：2008-03-03作者簡(jiǎn)介：牛雙建（1983-），男，河南省開(kāi)封市人，碩士研究生，研究方向：深基坑支護(hù)，E-mail：sjniu2006@163.com。高層建筑的的蓬勃發(fā)發(fā)展，使使深基坑坑支護(hù)新新技術(shù)不不斷涌現(xiàn)現(xiàn)，雙排支支護(hù)柱形形式便是是其中之之一。雙雙排樁支支護(hù)形式在一一定環(huán)境境和施工工條件下下，具有側(cè)側(cè)向剛度度大、能能有效限限制側(cè)向向變形、整體穩(wěn)穩(wěn)定性好好、便于挖挖土和縮縮短工期期等優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)[1]]，與單排排樁相比比受力更更加合理但但也更復(fù)復(fù)雜。目目前，對(duì)雙排排樁的研研究一般般多集中中在對(duì)樁樁頂側(cè)移移、樁身身內(nèi)力方方面[22-6]，很少少有文獻(xiàn)獻(xiàn)研究雙雙排樁土土壓力的的分布。由由于土壓壓力的取取值直接接影響樁樁身的設(shè)計(jì)計(jì)，因此此，研究雙雙排樁所所受土壓壓力分布布有重要要的工程程實(shí)際意意義。筆筆者利用用巖土工工程分析析軟件FFLACC3D建建立三維維雙排樁樁有限元元模型，對(duì)對(duì)雙排樁樁所受土土壓力進(jìn)進(jìn)行了分分析。1有限元模模型1.1基本本假設(shè)（1）忽略略基坑開(kāi)開(kāi)挖和地地下水對(duì)對(duì)土體性性質(zhì)的影影響。（2）土體體為單一一土層，且且均質(zhì)、連連續(xù)。（3）基坑坑開(kāi)挖時(shí)時(shí)，假設(shè)地地下水已已降至設(shè)設(shè)計(jì)標(biāo)高高。（4）為了了與實(shí)際際相一致致，樁底不不加任何何約束條條件，自自然嵌固固。（5）基坑坑頂面沒(méi)沒(méi)有超載載作用。1.2工程程概況該基坑長(zhǎng)550mm，寬244m，基基坑開(kāi)挖挖深度88m，分分兩次開(kāi)開(kāi)挖，第第一次開(kāi)開(kāi)挖3m，第第二次開(kāi)開(kāi)挖至基基坑設(shè)計(jì)計(jì)標(biāo)高?；油馏w體采用單單一土層層，為黏性土，密密度ρ為15600kgg/m3，彈性模模量E為655MPPa，波波松比μμ為0..3，粘粘聚力cc為300kPPa，內(nèi)內(nèi)摩擦角角φ為166.1°°。采用雙雙排樁支支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)支護(hù)，前前后兩排排樁樁長(zhǎng)長(zhǎng)相等均均為188m，嵌固深深度均為為10m，同一排排樁間距距取為11.8m，排排距取為為2.55d（1.55m）。采用預(yù)制制混凝土土方樁，在在模擬過(guò)過(guò)程中為為了考慮慮樁的擠擠土效應(yīng)應(yīng)，在地地應(yīng)力平平衡的時(shí)時(shí)候先把把樁土當(dāng)當(dāng)成彈性性同一種種材料進(jìn)進(jìn)行地應(yīng)應(yīng)力平衡衡，之后后再改變變樁和土土的材料料屬性與與參數(shù)進(jìn)進(jìn)行重新新地應(yīng)力力平衡。樁樁的截面面尺寸為為b×h=0.66m××0.66m，E=2..5×104MPPa，μ=0..2，樁的密密度ρ為25000kkg/mm3；樁頂連連梁截面面尺寸bb×h=0.66m××0.55m，間間距為11.8m，模模型計(jì)算算參數(shù)取取值與混混凝土樁樁一致，連連梁與前前后排樁樁節(jié)點(diǎn)采采用剛結(jié)結(jié)連接。1.3有限限元模型型有限元模型型的x軸方向向尺寸：：基坑寬寬度一半半12m，基基坑外邊邊界取44倍基坑坑計(jì)算寬寬度，其其寬度為為48m，總總長(zhǎng)為660mm；y軸方向向尺寸取取一排樁樁的寬度度，為00.6m；z軸方向向尺寸：：基坑開(kāi)開(kāi)挖8m，基基底以下下取5倍基基坑開(kāi)挖挖深度為為40m，總總長(zhǎng)為448mm。1.4材料料本構(gòu)模模型混凝土方樁樁及連梁梁采用各各向同性性彈性模型型，該模型型在FLLAC33D中需需要輸入入體積模模量K、剪切切模量GG等參數(shù)；土體采采用摩爾爾—庫(kù)侖模模型，該該模型在在FLAAC3DD中需要要輸入KK、G、c、φ等參數(shù)數(shù)。參數(shù)數(shù)K、G分別別由E/3((1-μμ)、E/2((1+μμ)計(jì)算得得出?；娱_(kāi)開(kāi)挖土體體采用零零模型（Null），零模型區(qū)域的應(yīng)力被設(shè)置為零，在FLAC3D可以很好地進(jìn)行開(kāi)挖、回填之類(lèi)的模擬[7]。樁與土之間間設(shè)置接接觸面，可可以做相相對(duì)滑動(dòng)，接接觸面的的法向和和切向剛剛度均取取土體彈彈性模量量的100倍，接接觸面有有足夠的的強(qiáng)度傳傳遞法向向應(yīng)力。2土壓力分分析2.1前前排樁樁樁前被動(dòng)動(dòng)土壓力力前排樁樁前前被動(dòng)土土壓力如如圖1所示。由由圖1可知，其值分布布大致呈呈S形分分布，最最大值出出現(xiàn)在距距基坑底底2mm處[8]]，其值值超過(guò)了了被動(dòng)土土壓力值值，大部部分土壓壓力值比比較接近近于靜止止土壓力力值。因此，在雙排排樁支護(hù)護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)內(nèi)力計(jì)算算時(shí)，建建議前排排樁樁前前被動(dòng)土土壓力取取被動(dòng)土土壓力值值。圖1前排樁樁樁前被被動(dòng)土壓壓力Fig.11Passsiveesooilpreessuurebefforeefoormeerrrowpille2.2前排排樁樁后后主動(dòng)土壓壓力前排樁樁后后主動(dòng)土土壓力如如圖2所示。由由圖2可知，其其值大致致與靜止止土壓力力值分布布一致，在在基坑開(kāi)開(kāi)挖面以以上其值值小于靜靜止土壓壓力值，大大于朗肯肯主動(dòng)土土壓力值值，在基基坑開(kāi)挖挖面以下下其值大大于靜止止土壓力力值。因此在在進(jìn)行雙雙排樁支支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)內(nèi)力計(jì)計(jì)算時(shí)，建建議前排排樁樁后后主動(dòng)土土壓力取取值在基基坑開(kāi)挖挖面以上上取靜止止土壓力力值，在在基坑開(kāi)開(kāi)挖面以以下取靜靜止土壓壓力值乘乘以一個(gè)個(gè)大于11的系數(shù)數(shù)或者朗朗肯被動(dòng)動(dòng)土壓力力值的一一個(gè)折減減值，折折減系數(shù)數(shù)的取值值可參考考相關(guān)文獻(xiàn)獻(xiàn)[9-10]。2.3后排排樁樁前前被動(dòng)土土壓力后排樁樁前前被動(dòng)土土壓力如如圖3所示。由由圖3可知，其其值大致致呈線性性分布，大大致與靜靜止土壓壓力值分分布一致致。在基坑坑開(kāi)挖面面以上其其值小于于靜止土土壓力，在在基坑開(kāi)開(kāi)挖面以以下大于于靜止土土壓力值值，全段段分布均均遠(yuǎn)小于于被動(dòng)土土壓力值值；因此此在進(jìn)行行雙排樁樁支護(hù)結(jié)結(jié)構(gòu)內(nèi)力力計(jì)算時(shí)時(shí)，建議議后排樁樁樁前被被動(dòng)土壓壓力取朗朗肯被動(dòng)動(dòng)土壓力力值的折折減值。圖2前排樁樁樁后主主動(dòng)土壓壓力Fig.22Actiivesoiilppresssurrebbehiindforrmerrroowppilee圖3后排樁樁樁前被被動(dòng)土壓壓力Fig.33Passsiveesooilpreessuurebefforeereearrowwpiile2.4后排排樁樁后后被動(dòng)土土壓力后排樁樁后后主動(dòng)土土壓力如如圖4所示。由由圖4可知，后后排樁樁樁后土壓壓力比較較接近靜靜止土壓壓力分布布，大于朗肯主動(dòng)土壓壓力，在在基坑開(kāi)開(kāi)挖面以以上小于于靜止土土壓力；；在基坑坑開(kāi)挖面面以下有有大于靜靜止土壓壓力的分分布部分分，因此此在進(jìn)行行雙排樁樁支護(hù)結(jié)結(jié)構(gòu)內(nèi)力力計(jì)算時(shí)時(shí)，建議議后排樁樁樁后主主動(dòng)土壓壓力取值值在基坑坑開(kāi)挖面面以上取取靜止土土壓力圖4后排樁樁樁后主主動(dòng)土壓壓力Fig.44Actiivesoiilppresssurrebeehinndrrearrroowppilee值，在基坑坑開(kāi)挖面面以下取取靜止土土壓力值值乘以一一個(gè)大于于1的系系數(shù)，適適當(dāng)擴(kuò)大大其值。2.5樁間間土對(duì)前前后排樁樁的土壓壓力樁間土對(duì)前前后排樁樁的土壓壓力值如如圖5所示。由由圖5可知，樁間土土對(duì)前后后排樁側(cè)側(cè)的土壓壓力值大大致相等等，這進(jìn)進(jìn)一步說(shuō)說(shuō)明雙排排樁支護(hù)護(hù)中樁和和樁間土土是一個(gè)個(gè)整體，前前后排樁樁在樁頂頂連梁的的作用下下變形的的一致性性，同時(shí)時(shí)也說(shuō)明明在利用用平面剛剛架或者者改進(jìn)的的平面剛剛架進(jìn)行行雙排樁樁支護(hù)結(jié)結(jié)構(gòu)分析析時(shí)，可以將將樁間土土視為薄薄壓縮層層，利用用彈簧將將前后排排樁連接接起來(lái)的的方法進(jìn)進(jìn)行樁身身內(nèi)力分分析。圖5樁間土土對(duì)前后后排樁的的土壓力力Fig.55Soillprresssureeafffeccteddbyysooilindouublee-roowppilee3排距對(duì)對(duì)土壓力力的影響響為了研究排排距對(duì)雙雙排樁土土壓力分分布規(guī)律律的影響響，分別別分析1..5、22.5、33.0、33.5倍倍雙排樁樁邊長(zhǎng)這這四種工工況。3.1前排排樁樁前前被動(dòng)土土壓力各種排距下下前排樁樁樁前被被動(dòng)土壓壓力分布布如圖66所示。由由圖6可知，各種排排距下的的前排樁樁樁前被被動(dòng)土壓壓力最大值均在在距基坑坑開(kāi)挖面面下約22m處，隨著排排距的增增大其最最大值增增大；在基坑坑開(kāi)挖面面以下，隨隨著排距距的增大大越來(lái)越越接近靜靜止土壓壓力值。3.2前排排樁樁后后主動(dòng)土壓壓力各種排距下下前排樁樁樁后主主動(dòng)土壓壓力分布布如圖77所示。由由圖7可知，在基坑坑開(kāi)挖面面以上，隨隨著排距距的增大大，其值值分布越越來(lái)越接接近朗肯肯主動(dòng)土土壓力值值的分布布；在基基坑開(kāi)挖挖面以下下，隨著著排距的的增大，其其分布越越來(lái)越接接近靜止止土壓力力。3.3后排排樁樁前前被動(dòng)土土壓力各種排距下下后排樁樁樁前被被動(dòng)土壓壓力分布布如圖88所示。由由圖8可知，隨著排排距的增增大其值值分布越越來(lái)越小小于朗肯肯被動(dòng)土土壓力值值。在基基坑開(kāi)挖挖面以上上隨著排排距的增增大，其其分布越越來(lái)越接接近靜止止土壓力力的分布布；在基基坑開(kāi)挖挖面以下下，隨著著排距的的增大，其其分布越越來(lái)越接接近靜止止土壓力力值。圖6不同排排距下前前排樁樁樁前被動(dòng)動(dòng)土壓力力Fig.66Passsiveesooilpreessuurebefforeefoormeerrrowpilleundderdiffferrenttroowddisttancce圖7不同排排距下前前排樁樁樁后主動(dòng)動(dòng)土壓力力Fig.77Actiivesoiilppresssurrebbehiindforrmerrroowppileeunnderrdiiffeerenntrrowdisstannce3.4后排排樁樁后后被動(dòng)土土壓力各種排距下下后排樁樁樁后主主動(dòng)土壓壓力分布布如圖99所示。由由圖9可知，在基坑坑開(kāi)挖面面以上隨隨著排距距的增大大，其值值分布越越來(lái)越接接近朗肯肯主動(dòng)土土壓力值值的分布布；在基基坑開(kāi)挖挖面以下下約4m處，各各種排距距下的后后排樁樁樁后主動(dòng)動(dòng)土壓力力值均大大于靜止止土壓力力值，隨隨著排距距的增大大，其分分布越來(lái)來(lái)越接近近靜止土土壓力值值。3.5樁間間土對(duì)前前后排樁樁的土壓壓力各種排距下下樁間土土對(duì)前后后排樁的的土壓力力值分布布如圖110～113所示示。由圖圖10～13可知，各種排排距下樁樁間土對(duì)對(duì)前后排排樁樁側(cè)側(cè)的土壓壓力大致致相等，在在排距超超過(guò)3倍倍圖8不同排排距下后后排樁樁樁前被動(dòng)動(dòng)土壓力力Fig.88Passsiveesooilpreessuurebefforeereearrowwpiileundderdiffferrenttroowddisttancce圖9不同排排距后排排樁樁后后主動(dòng)土土壓力Fig.99Actiivesoiilppresssurrebbehiindreaarrrowpilleuundeerddifffereentrowwdiistaancee圖10排距距1.55d時(shí)樁間間土對(duì)前前后排樁樁土壓力力Fig.110Soillprresssureeafffeccteddbyysooilindouublee-roowppileeonnrowwdiistaancee1..5d樁徑時(shí)樁間間土對(duì)前前排樁后后側(cè)的土土壓力值值變大，這這進(jìn)一步步表明在在排距較較合理的的情況下下，雙排樁樁支護(hù)體體系中由由于樁頂頂連梁的的連接作作用，使使前后排排樁和樁樁間土成成為一個(gè)個(gè)變形一一致的整整體。4結(jié)論（1）雙排排樁前排排樁樁前前被動(dòng)土土壓力大大致呈SS形分布布，最大大值發(fā)生生在距基基坑開(kāi)挖挖面約22m處處，大部部分土壓壓力分布布比較接接近于靜靜止土壓壓力；隨隨著排距距的增大大其最大大值增大大，其值值分布越越來(lái)越接接近靜止止土壓力力。（2）雙排排樁前排排樁樁后后主動(dòng)土土壓力大大致與靜靜止土壓壓力一致致，在基基坑開(kāi)挖挖面以上上其值小小于靜止止土壓力力，大于于朗肯主主動(dòng)土壓壓力，在在基坑開(kāi)開(kāi)挖面以以下其值值大于靜靜止土壓壓力；隨隨著排距距的增大大，在基基坑開(kāi)挖挖面以上上分布越越來(lái)越接接近朗肯肯主動(dòng)土土壓力，在在基坑開(kāi)開(kāi)挖面以以下，其其分布越越來(lái)越接接近靜止止土壓力力值。（3）雙排排樁后排排樁樁前前被動(dòng)土土壓力值值大致呈呈線性圖11排距距2.55d時(shí)樁間間土對(duì)前前后排樁樁土壓力力Fig.111Soillprresssureeafffeccteddbyysooilindouublee-roowppileeonnroowddisttancce22.5dd圖12排距距3d時(shí)樁間間土對(duì)前前后排樁樁土壓力力Fig.112Soillprresssureeafffeccteddbyysooilindouublee-roowppileeonnroowddisttancce33d圖13排距距3.55d時(shí)樁間間土對(duì)前前后排樁樁土壓力力Fig.113Soillprresssureeafffeccteddbyysooilindouublee-roowppileeonnroowddisttancce33.5dd分布，大致致與靜止止土壓力力值分布布一致。在基基坑開(kāi)挖挖面以上上其值小小于靜止止土壓力力，在基基坑開(kāi)挖挖面以下下其值大大于靜止止土壓力力值，全全段分布布均遠(yuǎn)小小于被動(dòng)動(dòng)土壓力力；隨著排排距的增增大，在在基坑開(kāi)開(kāi)挖面以以上其分分布越來(lái)來(lái)越接近近靜止土土壓力。（4）雙排排樁后排排樁樁后后主動(dòng)土土壓力較較接近靜靜止土壓壓力，大大于朗肯肯主動(dòng)土土壓力，在在基坑開(kāi)開(kāi)挖面以以上小于于靜止土土壓力，在在基坑開(kāi)開(kāi)挖面以以下有大大于靜止止土壓力力的部分分；隨著著深度的的增加其其值有增增有減[[7]；；隨著排排距的增增大，在在基坑開(kāi)開(kāi)挖面以以上分布布越來(lái)越越接近朗朗肯主動(dòng)動(dòng)土壓力力，在基基坑開(kāi)挖挖面以下下分布