双排桩的几种计算方法对比与分析

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摘要：本文依托某会展基坑工程的双排桩支护工程，对比分析了双排桩的几种计算方法，将这几种计算方法的计算结果与监测实测数据对比，基坑实际监测数据进行对比、分析，以期对类似工程项目提供参考。

关键词：双排桩；荷载-结构法；土层-结构法；有限元；桩土作用；接触面

0、引言

双排桩支护结构是指在地基土中设置两排平行的桩、桩顶用连梁进行刚性连接，形成门字型刚架结构整体承受基坑土压力。双排桩支护结构有较大的侧向刚度，能有效的控制基坑的变形。

将双排桩结构整体作为悬臂构件考虑，其受力计算与单排悬臂桩类似，但也有其特殊之处。计算作用于双排桩结构两侧的土压力荷载计算与单排桩是相同的，不同的是如何确定夹在前后排桩之间的土体的变形和反力关系；另外，双排桩是空间的刚架结构，倾覆弯矩作用下，前排桩有插入土中趋势，后排桩有拔出趋势，在计算中需考虑桩身与土体间的滑移、桩端刺入土体的作用。

目前工程中应用双排桩的案例并不少见，但计算方法的选择上尚未统一。本文依托某会展基坑工程的双排桩支护结构，比较了《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）[1] （以下简称《基坑规程》）提供的荷载-结构计算方法，不考虑接触面的土层-结构有限元计算方法，考虑接触面的土层-结构有限元计算方法，并将计算结果与基坑实际监测数据进行对比、分析，以期对类似工程项目提供参考。

1、工程概况

某会展基坑工程开挖支挡深度为9.7m，基坑平面整体呈长方形，南北长约370m，东西宽约140m。由于基坑平面尺寸较大且周边场地复杂，基坑各侧根据情况采用不同的支护方案。基坑西侧采用双排钻孔灌注桩支护，东侧采用采用钻孔排桩+预应力锚索支护，南、北侧采用钻孔排桩+一道钢筋混凝土内支撑支护。基坑平面布置示意图如下图1所示。

该场地由上至下土层相关性质参数如下表1所示。

本文所关注的为基坑西侧的双排桩支护结构，其设计参数为：双排桩桩径1.2m，后排桩桩间距2.8m，前排桩桩间距1.4m，双排桩排距为4.8m，连梁尺寸为1200mmx1200mm，前、后排冠梁尺寸为1200mmx1200mm。灌注桩嵌固深度按入岩深度控制。双排桩桩身、连梁及冠梁混凝土强度等级均为C30。双排桩平面布置及剖面图如下图2所示。

基坑西侧双排桩支护区段长度约为250m，中部区段近似为平面应变状态，以下计算取中部位置钻孔ZK253的数据。

2、荷载-结构计算方法

《基坑规程》中4.12节提出了一种双排桩设计技术的简化实用方法，该方法为荷载-结构法，基于Winkle假定将桩-土作用简化为作用于双排桩上的荷载及弹簧。

前、后排桩外侧的土压力计算与单排桩相同，作用于后排桩的主动土压力可按朗肯土压力理论或库伦土压力理论计算，主动土压力计算宽度为排桩间距；作用在前排桩嵌固段上的土反力按弹性支点法确定（《基坑规程》4.1.4条），其中土的水平反力系数的比例系数m是土反力计算的重要参数，根据地勘报告及地区经验取值；土反力的计算宽度一般小于排桩间距，按《基坑规程》4.1.7条根据桩身尺寸计算得到。如何确定前后排桩之间的土体的反力与变形关系，是解决双排桩计算模式的关键，《基坑规程》提出将桩间的土体视为受侧向约束的单向压缩土体（仅受压），按土的压缩模量确定其水平刚度系数。双排桩荷载-结构法计算原理图如图3所示。

按计算原理图建立平面杆系计算模型，如图4所示。前、后排桩及连梁采用梁单元模拟，被动土压力区土体和桩间土体采用仅受压弹簧模拟，在后排桩上施加主动土压力。由于该方法计算模型是二维结构，仅适用于前、后排桩矩形布置的情况，本项目中前排桩进行了加密，在计算模型中将前排桩按抗弯刚度等效为直径1.427m的圆截面梁单元以近似考虑。

3、土层-结构计算方法

土层-结构法中土体采用二维平面应力单元或三维单元模拟，桩、连梁等采用梁单元模拟，考虑施工阶段过程进行有限元计算。土体材料采用修改莫尔-库伦本构模型，桩、连梁等采用线弹性本构模型。

双排桩的前、后排桩在倾覆力矩作用产生相对土体的滑移和桩端刺入，同时由于桩身与周围土体刚度差异较大，需通过设置桩-土接触面模拟桩、土间相对滑移、脱开的行为。早年由于计算软件和计算方向不成熟，较少考虑桩-土接触面，近年来桩-土接触面的研究逐渐成为学者们关注的焦点[2-4]。本文借助岩土通用有限元计算软件Midas GTS NX，分别建立考虑与不考虑桩-土接触面的两个模型，分析其计算结果差异。双排桩有限元计算模型如下图5所示。

界面单元用于模拟刚度相差较大的材料之间的相对滑移行为，通过在可能发生滑动或分离的材料之间建立接触单元，可模拟材料间滑动、脱开行为。

在Midas GTS NX中，以梁单元为母单元，建立桩（界面）单元。根据桩和土体相对刚度的差异，可通过如下公式计算界面单元的刚度参数[5]。

其中，为主固结模量；Gi为界面剪切模量，，分别为强度折减系数、岩土剪切模量；tv为虚拟厚度系数。

4、计算结果分析对比

下图6中为不同计算方法所得的前排桩位移结果与基坑实际监测数据的对比，横坐标为桩身水平位移，纵坐标为从桩顶算起的深度。

从图中可以看出，荷载-结构法位移结果较其余两种计算方法和监测数据均偏大较多，原因是《基坑规程》提供的二维简化荷载-结构法仅适用于前、后排桩矩形布置的情况，对于本项目中前排桩加密的情况不能准确计算模拟；另外，该方法中土体对支挡结构的作用通过荷载模拟，不能准确模拟桩土之间的作用，也是导致计算结果误差偏大的原因。二维杆系计算模型计算方便但有诸多限制及缺陷。

从图6中可以看出，土层-结构法计算结果与监测数据较为接近，变形趋势相同；其中考虑接触的整体位移计算结果比不考虑接触的计算结果大，考虑接触的桩顶位移计算结果与监测数据更为接近。从图7中可以看出，前排桩竖向位移考虑接触时约为不考虑接触时的6～9倍，考虑接触时能反映桩土之间的相对滑动。不考虑接触时桩土节点耦合，无法反映桩土之间的相对滑动，同时桩土之间存在拉应力，导致计算结果与实际情况不符。为使有限元分析更加准确、合理，双排桩计算时有必要考虑桩土界面的接触特性。

5、总结

本文依托某会展基坑工程的双排桩支护工程，对比分析了《基坑规程》提供的荷载-结构计算方法，不考虑接触面的土层-结构有限元计算方法，考虑接触面的土层-结构有限元计算方法。《基坑规程》提供的荷载-结构法计算简便、快捷，但受限于其二维计算模式及将土体简化为荷载，其适用范围受限、计算结果与实测数据相差较大。土层-结构有限元计算方法适用范围广，计算结果与实测结果更接近；另外考虑接触面能更好反映桩土之间的有相对滑动、桩土之间只压不拉的特性，考虑接触面的土层-结构有限元法计算结果与实测数据最接近。

参考文献：

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部. JGJ 120-2012 建筑基坑支护技术规程［S］．北京：中国建筑工业出版社，2012．

[2]史文清，王建华，陈锦剑.考虑桩土接触面特性的水平受荷单桩数值分析[J].上海交通大学学报，2006（08）：1457-1460.DOI：10.16183/j.cnki.jsjtu.2006.08.043.

[3]许宏发，吴华杰，郭少平，廖铁平.桩土接触面单元参数分析[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2002（05）：10-12.

[4]刘成军，王一兆，陈俊生，张思远，郭康仕，陈仕洪，郭子健，张荣辉.基于桩-土接触面的双排桩边坡支护结构受力性能研究[J].土工基础，2023，37（01）：68-73.

[5]北京迈达斯技术有限公司.MIDAS/GTS用户手册[M].北京：北京迈达斯技术有限公司，2010.

作者简介：王功文（1989—），男，江西赣州人，工程师，主要从事结构设计工作。

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