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1、双排桩支护结构土压力数值模拟摘 要：双排桩支护结构是一种新的深基坑支护形式，在进行双排桩支护结构设计时，土压力的取值正确与否对支护体系设计是否合理起着决定作用，为了更准确的进行双排桩支护结构的设计必须了解作用在桩上的土压力的分布情况，本文利用岩土工程分析软件FLAC3D，运用数值模拟方法研究了双排桩土压力的分布情况，得出前排桩桩前土压力大致呈S形分布，其值比较接近于静止土压力；前排桩桩后土压力大致与静止土压力一致，基坑开挖面以上小于静止土压力，大于朗肯主动土压力，以下大于静止土压力；后排桩桩前土压力大致呈线性分布并大致与静止土压力一致，在基坑开挖面以上小于静止土压力，以下大于静止土压力；后排桩
2、桩后土压力较接近静止土压力，大于朗肯主动土压力，在基坑开挖面以上小于静止土压力，以下有大于静止土压力的部分；桩间土对前后排桩桩侧的土压力大致相等。在此基础上并考虑了排距的影响，得出双排桩的排距有合理的排距范围。关键词：双排桩；有限差分；土压力；数值模拟 中图分类号：TU47文献标识码：ANumerical simulation on soil pressure of double-row pile retaining structuresNIU Shuangjian1, YANG Dafang2, MA Huan1(1. School of Architecture & Civil Engin
3、eering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China; 2. School of Civil Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China)Abstract: Double-row pile supporting structure is a new form of deep foundation ditch support, in this design, the correctness of the value of
4、soil pressure on the pile plays a critical role in supporting system design, in order to more accurately to design this structure,we must know about the soil pressure distribution of the double-row pile, this paper using the general international geotechnical engineering analysis software FLAC3D ,th
5、rough numerical simulation methods, study soil pressure distribution of the double-row pile, come to the conclusion that the soil pressure before former row pile was roughly S-shaped distribution, its value was close to the static soil pressure; the soil pressure behind former row plie was consisten
6、t with the static soil pressure, upward of the excavation of foundation ditch was less than the static soil pressure,and greater than the Rankine soil pressure, underside of the excavation of foundation ditch was greater than the static soil pressure ; the soil pressure before rear row pile was roug
7、hly linear distribution and consistent with the static soil pressure , upward of the excavation of foundation ditch was less than the static soil pressure, underside of the excavation of foundation ditch was greater than the static soil pressure; the soil pressure behind rear row pile was close to t
8、he static soil pressure, and greater than the Rankine active soil pressure,in the excavation of foundation ditch was more than tne static soil pressure, underside of the excavation of foundation ditch was greater than the static soil pressure in part of pile ,the pressure of the soil between rows on
9、 pile side was roughly equal. On this basis and taking into account the impact of the array pitch, we can concluded that the array pitch of double-row pile have a reasonable distance range.Key wards: double-row pile, finite difference, soil pressure, numerical simulation0引言收稿日期：2008-03-03作者简介：牛双建（19
10、83-），男，河南省开封市人，硕士研究生，研究方向：深基坑支护，E-mail：sjniu2006。高层建筑的蓬勃发展，使深基坑支护新技术不断涌现，双排支护柱形式便是其中之一。双排桩支护形式在一定环境和施工条件下，具有侧向刚度大、能有效限制侧向变形、整体稳定性好、便于挖土和缩短工期等优点1，与单排桩相比受力更加合理但也更复杂。目前，对双排桩的研究一般多集中在对桩顶侧移、桩身内力方面2-6，很少有文献研究双排桩土压力的分布。由于土压力的取值直接影响桩身的设计，因此，研究双排桩所受土压力分布有重要的工程实际意义。笔者利用岩土工程分析软件FLAC3D建立三维双排桩有限元模型，对双排桩所受土压力进行了分
11、析。1有限元模型1.1基本假设（1）忽略基坑开挖和地下水对土体性质的影响。（2）土体为单一土层，且均质、连续。（3）基坑开挖时，假设地下水已降至设计标高。（4）为了与实际相一致，桩底不加任何约束条件，自然嵌固。（5）基坑顶面没有超载作用。1.2工程概况该基坑长50 m，宽24 m，基坑开挖深度8 m，分两次开挖，第一次开挖3 m，第二次开挖至基坑设计标高。基坑土体采用单一土层，为黏性土，密度为1560 kg/m3，弹性模量E为65 MPa，波松比为0.3，粘聚力c为30 kPa，内摩擦角为16.1。采用双排桩支护结构支护，前后两排桩桩长相等均为18 m，嵌固深度均为10 m，同一排桩间距取为1
12、.8 m，排距取为2.5d（1.5 m）。采用预制混凝土方桩，在模拟过程中为了考虑桩的挤土效应，在地应力平衡的时候先把桩土当成弹性同一种材料进行地应力平衡，之后再改变桩和土的材料属性与参数进行重新地应力平衡。桩的截面尺寸为bh=0.6 m0.6 m，E=2.5104 MPa，=0.2，桩的密度为2500 kg/m3；桩顶连梁截面尺寸bh=0.6 m0.5 m，间距为1.8 m，模型计算参数取值与混凝土桩一致，连梁与前后排桩节点采用刚结连接。1.3有限元模型有限元模型的x轴方向尺寸：基坑宽度一半12 m，基坑外边界取4倍基坑计算宽度，其宽度为48 m，总长为60 m；y轴方向尺寸取一排桩的宽度，
13、为0.6 m；z轴方向尺寸：基坑开挖8 m，基底以下取5倍基坑开挖深度为40 m，总长为48 m。1.4材料本构模型混凝土方桩及连梁采用各向同性弹性模型，该模型在FLAC3D中需要输入体积模量K、剪切模量G等参数；土体采用摩尔库仑模型，该模型在FLAC3D中需要输入K、G、c、等参数。参数K、G分别由E/3(1-)、E/2(1+)计算得出。基坑开挖土体采用零模型（Null），零模型区域的应力被设置为零，在FLAC3D可以很好地进行开挖、回填之类的模拟7。桩与土之间设置接触面，可以做相对滑动，接触面的法向和切向刚度均取土体弹性模量的10倍，接触面有足够的强度传递法向应力。2土压力分析2.1 前排
14、桩桩前被动土压力前排桩桩前被动土压力如图1所示。由图1可知，其值分布大致呈S形分布，最大值出现在距基坑底2 m处8，其值超过了被动土压力值，大部分土压力值比较接近于静止土压力值。因此，在双排桩支护结构内力计算时，建议前排桩桩前被动土压力取被动土压力值。图1前排桩桩前被动土压力Fig. 1 Passive soil pressure before former row pile2.2前排桩桩后主动土压力前排桩桩后主动土压力如图2所示。由图2可知，其值大致与静止土压力值分布一致，在基坑开挖面以上其值小于静止土压力值，大于朗肯主动土压力值，在基坑开挖面以下其值大于静止土压力值。因此在进行双排桩支护结
15、构内力计算时，建议前排桩桩后主动土压力取值在基坑开挖面以上取静止土压力值，在基坑开挖面以下取静止土压力值乘以一个大于1的系数或者朗肯被动土压力值的一个折减值，折减系数的取值可参考相关文献9-10。2.3后排桩桩前被动土压力后排桩桩前被动土压力如图3所示。由图3可知，其值大致呈线性分布，大致与静止土压力值分布一致。在基坑开挖面以上其值小于静止土压力，在基坑开挖面以下大于静止土压力值，全段分布均远小于被动土压力值；因此在进行双排桩支护结构内力计算时，建议后排桩桩前被动土压力取朗肯被动土压力值的折减值。图2前排桩桩后主动土压力Fig. 2 Active soil pressure behind fo
16、rmer row pile图3后排桩桩前被动土压力Fig. 3 Passive soil pressure before rear row pile2.4后排桩桩后被动土压力后排桩桩后主动土压力如图4所示。由图4可知，后排桩桩后土压力比较接近静止土压力分布，大于朗肯主动土压力，在基坑开挖面以上小于静止土压力；在基坑开挖面以下有大于静止土压力的分布部分，因此在进行双排桩支护结构内力计算时，建议后排桩桩后主动土压力取值在基坑开挖面以上取静止土压力图4后排桩桩后主动土压力Fig. 4 Active soil pressurebehind rear row pile值，在基坑开挖面以下取静止土压力值乘
17、以一个大于1的系数，适当扩大其值。2.5桩间土对前后排桩的土压力桩间土对前后排桩的土压力值如图5所示。由图5可知，桩间土对前后排桩侧的土压力值大致相等，这进一步说明双排桩支护中桩和桩间土是一个整体，前后排桩在桩顶连梁的作用下变形的一致性，同时也说明在利用平面刚架或者改进的平面刚架进行双排桩支护结构分析时，可以将桩间土视为薄压缩层，利用弹簧将前后排桩连接起来的方法进行桩身内力分析。图5桩间土对前后排桩的土压力Fig.5 Soil pressure affected by soil in double-row pile3排距对土压力的影响为了研究排距对双排桩土压力分布规律的影响，分别分析1.5、2
18、.5、3.0、3.5倍双排桩边长这四种工况。3.1前排桩桩前被动土压力各种排距下前排桩桩前被动土压力分布如图6所示。由图6可知，各种排距下的前排桩桩前被动土压力最大值均在距基坑开挖面下约2 m处，随着排距的增大其最大值增大；在基坑开挖面以下，随着排距的增大越来越接近静止土压力值。3.2前排桩桩后主动土压力各种排距下前排桩桩后主动土压力分布如图7所示。由图7可知，在基坑开挖面以上，随着排距的增大，其值分布越来越接近朗肯主动土压力值的分布；在基坑开挖面以下，随着排距的增大，其分布越来越接近静止土压力。3.3后排桩桩前被动土压力各种排距下后排桩桩前被动土压力分布如图8所示。由图8可知，随着排距的增大
19、其值分布越来越小于朗肯被动土压力值。在基坑开挖面以上随着排距的增大，其分布越来越接近静止土压力的分布；在基坑开挖面以下，随着排距的增大，其分布越来越接近静止土压力值。图6不同排距下前排桩桩前被动土压力Fig. 6 Passive soil pressure before former row pile under different row distance图7不同排距下前排桩桩后主动土压力Fig. 7 Active soil pressure behind former row pile under different row distance3.4后排桩桩后被动土压力各种排距下后排桩桩后主
20、动土压力分布如图9所示。由图9可知，在基坑开挖面以上随着排距的增大，其值分布越来越接近朗肯主动土压力值的分布；在基坑开挖面以下约4 m处，各种排距下的后排桩桩后主动土压力值均大于静止土压力值，随着排距的增大，其分布越来越接近静止土压力值。3.5桩间土对前后排桩的土压力各种排距下桩间土对前后排桩的土压力值分布如图1013所示。由图1013可知，各种排距下桩间土对前后排桩桩侧的土压力大致相等，在排距超过3倍图8不同排距下后排桩桩前被动土压力Fig. 8 Passive soil pressure before rear row pile under different row distance图9
21、不同排距后排桩桩后主动土压力Fig.9 Active soil pressure behind rear row pile under different row distance图10排距1.5d时桩间土对前后排桩土压力Fig. 10 Soil pressure affected by soil in double-row pile on row distance 1.5d桩径时桩间土对前排桩后侧的土压力值变大，这进一步表明在排距较合理的情况下，双排桩支护体系中由于桩顶连梁的连接作用，使前后排桩和桩间土成为一个变形一致的整体。4结论（1）双排桩前排桩桩前被动土压力大致呈S形分布，最大值发生在
22、距基坑开挖面约2 m处，大部分土压力分布比较接近于静止土压力；随着排距的增大其最大值增大，其值分布越来越接近静止土压力。（2）双排桩前排桩桩后主动土压力大致与静止土压力一致，在基坑开挖面以上其值小于静止土压力，大于朗肯主动土压力，在基坑开挖面以下其值大于静止土压力；随着排距的增大，在基坑开挖面以上分布越来越接近朗肯主动土压力，在基坑开挖面以下，其分布越来越接近静止土压力值。（3）双排桩后排桩桩前被动土压力值大致呈线性图11排距2.5d时桩间土对前后排桩土压力Fig. 11 Soil pressure affected by soil in double-row pile on row dist
23、ance 2.5d图12排距3d时桩间土对前后排桩土压力Fig. 12 Soil pressure affected by soil in double-row pile on row distance 3d图13排距3.5d时桩间土对前后排桩土压力Fig. 13 Soil pressure affected by soil in double-row pile on row distance 3.5d分布，大致与静止土压力值分布一致。在基坑开挖面以上其值小于静止土压力，在基坑开挖面以下其值大于静止土压力值，全段分布均远小于被动土压力；随着排距的增大，在基坑开挖面以上其分布越来越接近静止土压力
24、。（4）双排桩后排桩桩后主动土压力较接近静止土压力，大于朗肯主动土压力，在基坑开挖面以上小于静止土压力，在基坑开挖面以下有大于静止土压力的部分；随着深度的增加其值有增有减7；随着排距的增大，在基坑开挖面以上分布越来越接近朗肯主动土压力，在基坑开挖面以下分布越来越接近静止土压力值。（5）桩间土对前后排桩桩侧的土压力大致相等，这表明由于桩顶连梁的作用，使前后排桩和桩间土成为一个整体，这就增大了其侧向刚度，这就是双排桩支护体系桩顶侧向位移较单排桩小的主要原因，因此在进行双排桩支护体系内力分析的时候不能把桩间土仅作为作用在桩上的外荷载，而应该作为双排桩支护体系的一部分加以考虑。参考文献：1 龚晓南,
25、高有潮. 深基坑工程设计施工手册M. 北京:中国建筑工业出版社, 1998.2 郑刚, 李欣, 刘畅, 等. 考虑桩土相互作用的双排桩分析J. 建筑结构学报, 2004, 25(1): 99-106. 3 周翠英, 刘祚秋, 尚伟, 等. 门架式双排抗滑桩设计计算新模式J. 岩土力学, 2005, 24(3): 441-444. 4 陆培毅, 杨靖, 韩丽君. 双排桩尺寸效应的有限元分析J. 天津大学学报, 2006, 39(8): 963-967. 5 潘旭亮, 张钦喜, 霍达, 等. 双排桩围护工作特性数值分析J. 工业建筑, 2004, 34(9): 8-11.6 王旭, 晏鄂川, 吕美君. 埋入式双排桩土体系桩间内力分配的模拟J. 煤田地质与勘探, 2006, 34(4): 57-60.7 刘波, 韩彦辉. FLAC原理、实例与应用指南M. 北京: 人民交通出版社, 2005.8 何颐华, 杨斌, 余宝森, 等. 双排桩护坡桩的试验与计算的研究J. 建筑结构学报, 1996, 17(2): 58-66. 9 杨德健, 尹建峰. 双排桩支护结构受力特征与土压力计算分析J. 建筑科学, 2007, 23(9): 12-15.10 张弘. 深基坑开挖中双排桩支护结构的应用于探讨J. 地基处理, 1993, 4(3): 42-47.