锚索双排桩支护结构的设计应用及有限差分分析

锚索双排桩支护结构的设计应用及有限差分分析

郑希

郑希

（北京市勘察设计研究院有限公司，北京，100038）

DesignApplicationandAnalysisonFiniteDifferentialMethodofRetainingStructurewithAnchoredDouble-rowPiles

ZhengXi1

（1.BGIengineeringconsultantsLTD，Beijing100038）

【摘要】随着城市化进程的加快，与基坑工程相关的岩土问题日益复杂，锚索双排桩支护结构也得到越来越广泛的应用。然而，针对这种支护结构尚未出现一种适用的设计计算理论。本文基于工程设计实例，通过建立FLAC3D模型模拟基坑开挖过程，并将数值模拟结果与监测数据对比，为现有设计计算方法的改进与完善提供参考。

【关键词】基坑工程；锚索双排桩；FLAC3D

【Abstract】Withtheacceleratedprocessofurbanization.Geotechnicalproblemsconcerntofoundationexcavationsprojectbecomeincreasinglycomplicated.Theretainingstructurewithanchoreddouble-rowpilesgetsmoreandmoreextensiveapplication.Howeverthereasonabledesignandcalculationtheoryhasnotyetappeared.Inthispaper，FLAC3Dmodelisestablishedtosimulatetheprocessoffoundationexcavationsbasedontheexampleofengineeringdesign.BycomparetheNumericalsimulationresultsandmonitoringdata,referenceswouldbeprovidedtoimprovetheexisteddesignandcalculationtheory.

【Keywords】foundtionexcavationsengineering；AnchoredDouble-rowPiles；FLAC3D

1．引言

双排桩是一种以两排钢筋混凝土桩为主体组成的支护结构，这种结构具有整体刚度大、桩身受力均匀、适用性强等优点。因此，在工程场地受限或者对变形沉降有严格要求的城市深基坑工程中，双排桩已得到了广泛的应用。

为了适应复杂场地环境的要求，更好的发挥双排桩支护结构的作用，常常设置预应力锚索,这种结构型式[1-3]能够有效控制桩体侧向位移与基坑坡顶沉降。

目前，双排桩设计计算方法可分为三类[4]。其计算模型分别基于经典土压力理论[5]、winkle假定的计算理论[6]和土拱效应、土抗力法[7]。这三类计算方法都必须首先确定桩周土压力的分布及支护段、嵌固段长度。未考虑双排桩桩后开挖卸荷，主动土压力减小对双排桩支护结构的影响、桩身应力变化以及紧邻深基坑高层建筑施工所产生基底荷载对支护结构的影响。

本文结合工程设计实践，就上述问题运用有限差分分析软件FLAC3D建立三维模型模拟基坑开挖过程。将数值模拟结果与基坑工程监测数据对比，从而分析锚索双排桩支护结构在复杂场地条件下的工作机理。

2．工程概况及支护设计

2.1工程概况

在建工程“大兴新城海户新村”位于北京市大兴区。住宅楼地上18层，地下一层，基坑开挖深度7.6m，车库地下一层，基坑开挖深度11.7m。场区内地层以粉质粘土、粘质粉土和细砂为主[8]。地下水埋深26m，本工程可不考虑地下水对支护结构的影响。一期施工住宅楼，住宅楼基坑肥槽回填后开始施工地下车库，见图1。由于部分支护段住宅楼与地下车库距离较近(住宅地下结构外边线距离车库地下结构外边线仅5.2m),给基坑支护设计与施工带来一定困难，二期开挖时一期住宅已经完工，二期基坑支护工程必须考虑紧邻深基坑的高层住宅与基坑开挖的相互作用，既要保证临边建筑的稳定，又要保证基坑开挖施工的安全。

3．数值模拟

3.1FLAC3D简介

三维快速拉格朗日法是一种基于三维显示有限差分法的一种数值模拟方法。FLAC3D（FastLagrangianAnalysisofContinuain3Dimensions）[10]是美国ITASCA咨询集团公司开发的一款岩土分析应用程序。它具有丰富的计算功能与广泛的应用前景，针对岩土体与支护结构的专业化设计，使之日益成为岩土工程相关从业者研究、分析和解决实际工程问题的强大工具。

3.2模型建立与参数取值

所建立模型以“大兴新城海户新村0601地块”基坑工程为背景，假定所有材料均匀连续，土体单元本构采用摩尔-库伦模型，桩体采用线弹性模型。柱体（cylinder）网格单元分为上下两个部分，上段用于模拟双排桩，下段用于模拟持力层。

边界条件的限定为：底面采取固定约束，两侧施加x方向约束，前后施加y方向约束。重力加速度取-9.8m/s2,模型收敛标准为10-4，锚杆与桩身设置刚性连接。

基坑开挖过程中，随着基坑深度的增加，桩体侧向位移变大，锚杆内力也逐渐增长，通过查阅现场施工记录，一期开挖第六天与二期开挖第六天均有一次深度较大的挖掘作业，所以现场实测锚杆内力出现突然增大的现象。

根据现场实测数据，二期开挖时，桩顶锚索内力值较开挖前有所减小。说明主动土压力的减小对于第一排锚索影响较大，前排桩对于整个支护结构的稳定所发挥的作用有所减小。

5．结论

（1）本工程数值模拟计算与现场实测数据对比结果基本契合，拉锚双排桩支护结构安全可靠、经济适用，满足开挖期间基坑侧壁支护稳定及变形的要求。

（2）对于拉锚式双排桩支护结构，后排桩弯矩远大于前排桩弯矩，在开挖过程中对基坑侧壁安全起主要的控制作用。在传递弯矩，平衡整个支挡结构的受力特性方面拉锚双排桩不如钢架双排桩，但其造价低，工期短，布置灵活，在适用的工程地质与施工环境条件下可以发挥更大作用。

（3）在本工程中，主动土压力的减小使得整个拉锚双排桩支护结构更加安全，但二次开挖过程中，前排桩与后排桩之间土体的沉降与流失使得锚索内力减小，不利于整个结构的稳定，施工过程中应严格控制桩间土挂网施工工艺，减小二次开挖对整个支挡结构的负面影响，必要时可对锚索进行二次张拉以满足设计要求。

（4）本次数值模拟分析中未对桩身弯矩分布进行定量分析，今后应进行进一步分析，明晰锚杆布置位置对于弯矩的影响，为拉锚双排桩支护结构在深基坑中的应用提供技术参考。

参考文献：

[1]孙岩松．空间多排锚拉桩支护设计【D】．贵阳：贵州大学，2008．

[2]刘颖．平面双排锚拉桩受力分析及设计研究【D】．贵阳：贵州大学，2007．

[3]SHENYong．jiang，LUQing，SHANGYue—quan．EffectofpilelOWdistanceoninternalstressofdouble-rowanti—slidepiles[J]．ChineseJournalofGeoteclmiealEngineering，2008，30(7)：1033一1037．