饱和软土中双排桩桩间土加固对其支护效应的影响分析

饱和软土中双排桩桩间土加固对其支护效应的影响分析

黎磊锋 1 禹卓杰 2

1.佛山市建盈发展有限公司 2.佛山市公路桥梁工程监测站有限公司

双排桩桩间土加固可起到协调前后排桩整体变形的作用，本文通过MIADS软件对饱和软土中桩间土加固进行模拟，在相同加固层厚度的条件下，模拟出使得双排桩桩身变形最小的桩间土加固层位置。并通过实际工程对比分析，验证了本文结论的合理性。

关键词 饱和软土；双排桩；桩间土加固；三维有限元

引言

双排桩门架式支护结构是两排平行的混凝土灌注桩以及桩顶圈梁、连梁组成超静定刚架作为支护体系。该结构合理利用桩间土的土拱效应原理，充分发挥前后排桩的空间效应，形成较大的侧向刚度，可有效控制变形且围护深度较深，节省造价，缩短工期，避免设置内撑，方便挖土施工，因而近年来得到广泛应用。研究桩间土的加固效果对控制双排桩桩身变形有着十分重要的作用。

1. 数值模拟

本文采用有限元分析软件 MIDAS/GTS NX建立双排桩三维模型，在被动区土体不加固的情形下对桩间土进行加固模拟。模型中土体与支护结构均采用实体单元，由于实体单元模拟的支护结构，不能直接得到内力，本文引用相关文献的方法，在实体单元中嵌入梁单元来得到弯矩。

1.1模型几何参数

建模时未考虑基坑整体空间效应，由于每一榀排桩受力情况一致，故可截取其中任意一榀支护结构及其周围土体作为分析对象，支护结构前后排桩采用矩形布桩形式，支护结构示意图如图1-1所示。工程中桩径常取0.6m-1.2m不等，这里取0.8m，基坑开挖深度取7m（两层地下室高度加1m承台高度）,《建筑基坑支护技术规程》中，双排桩结构的嵌固深度，对于淤泥，不宜小于1.2h（h为开挖深度），又由于嵌固深度与坑深之比大于4后，桩长对抑制桩身变形的效果并不明显，故桩长可取26m，由于土质条件较差，桩间距可取1m。双排桩连梁高度不宜小于1d，由于本模型的连接方式为盖板，由等效刚度原则，得到盖板高度为0.4m，双排桩排距宜取2d-5d，这里取3倍桩径2.4m，坑外土体宽度取3-5倍开挖深度，取24m，坑内土体宽度取16m，模型整体尺寸的长宽高40m*1m*30m。基坑分三步开挖，第一步与第二步均开挖2.5m，第三步开挖2m。

模型中，为了提高计算精度，采用MIDAS/GTS提供的四面体和六面体混合网格。双排桩土体采用修正摩尔-库伦本构。为了建立的模型网格划分如图1-2所示。支护结构网格划分如图1-3所示。接触单元如图1-4所示。

图1-1 支护结构

图1-2 模型有限元网格

图1-3支护结构有限元网格 图1-4接触单元

1.2模型材料参数

模型中土体视作修正M-C弹塑性材料，支护结构与土体之间设置接触面单元，模型中所有土体均为单一的淤泥土体，加固土体采用42.5级普通硅酸盐水泥搅拌的方式进行加固，双排桩以及盖板均采用C30混凝土。其参数根据相应文献取值如下表:

表1-1 土层物理力学参数

Table1-1 Soil physical and mechanical parameters

表1-2 支护结构材料参数

Table1-2 Support structure material parameters

表1-3接触面单元参数

Table1-3 Contact surface unit parameters

1.3模型的计算结果及分析

支护结构水平位移云图如图1-6所示，后续所有工况都是将源模型作为参照，进行位移比较分析。可以看出，基坑开挖过程中，前后排桩最大水平位移都位于桩顶，且几乎相等，这是由于冠梁刚度很大的原因，前后排桩的最大弯矩值也十分接近，这是由于基坑开挖后，在主动土压力的的推力下，后排桩对前排桩起着拉结作用，能够在很大程度上分担前排桩地内力，增加了支护结构的整体刚度。

图1-5基坑开挖位移云图

图1-6支护结构位移云图

2.桩间土加固对双排桩支护结构位移的影响分析

如图2-1所示，在桩间土距桩顶0-12m深度范围内，设立加固体积不变的加固块，加固厚度取桩间距，加固宽度取前后排桩之间的净距，加固层深度为2m，通过改变加固块底部到桩顶的距离来改变加固体的位置，其函数式为H₁=2x（x=0,1,2...6)，分别建立加固-1到加固-6不同的6种加固工况对应的模型，其平面示意图如图2-1。

图2-1 桩间土加固示意图

Fig.2-1 Single-layer reinforcement

a) 加固-1 b) 加固-2

a) Reinforcement -1 b) Reinforcement -2

c) 加固-3 d ) 加固-4

c) Reinforcement -3 d ) Reinforcement -4

e) 加固-5 f) 加固-6

e) Reinforcement -5 f) Reinforcement

图2-2 H1不同取值下的单层加固示意

Fig.2-2 Single Layer reinforcement with Different H1 Values

通过计算，由于前后排桩位移曲线几乎一样，且桩顶位移相等，下面只对前排桩位移数据分析，前排桩桩身位移变化规律如图2-3所示，后排桩最大水平位移随着H1/H变化而变化的位移图如图2-4所示

1. 前排桩

1. Front row of piles

2. 后排桩

2. Rear row of piles

图2-3被动区未加固条件下桩间土单层加固各方案桩身桩身位移

Fig.2-3 Pile displacement of each plan of single layer between piles-soil reinforcement under passive zone non reinforcement

图2-4 被动区未加固条件下桩间土单层加固各方案桩身最大位移

Fig.2-4 Maximum pile displacement of each plan of single layer between piles-soil non reinforcement under passive zone reinforcement

从图2-3中可以看出，被动区未加固情况下桩间土加固各种工况中，桩身最大位移皆在桩顶处，桩身位移随着深度的增加单调递减，到桩底达到达到最小值。一倍基坑以下深度，各工况桩身位移基本重合，对比“加固-1”，“加固-2”曲线，“加固-3”，“加固-4”，“加固-5”，“加固-6”曲线之间的距离更加接近，说明随着加固位置的下移桩间土加固效果增强但速率减小。

从图2-4可以看出，对比桩间土未加固工况，工况“加固-1（0-2m）”桩顶位移为61.9mm，减小了1.7%，工况“加固-2（2-4m）”桩顶位移为59.2mm，减小了5.9%，工况“加固-3（4-6m）”桩顶位移为56.3mm，减小了10.5%，工况“加固-4（6-8m）”桩顶位移为55.6mm，减小了11.7%，工况“加固-5（8-10m）”桩顶位移为55.5mm，减小了11.8%，工况“加固-6（10-12m）”，桩顶位移为55.8mm，减小了11.3%。从以上数据可以看出，随着H1/H的增大，桩身最大位移先递减后趋于平缓，说明随着加固位置的下移，桩间土加固效果先递增，随后几乎保持不变，桩间土从工况“加固-1（0-2m）”分两次逐步下移2m，变化到工况加固-3过程中，加固效果变化明显，而从工况“加固-4（6-8m）”变化到工况“加固-6（10-12m）”中，加固效果变化不明显。总体上来看，桩间土加固深度在6-12m范围内的任意单层加固工况要比加固深度0-6m范围内的效果好得多，且工况“加固-5（8-10m）”的位移为上述各工况中位移最小值。

3.数值模拟与工程实际监测结果对比分析

根据某工程实际工程设计方案，进行三维有限元模型计算，该由于双排桩支护范围只在基坑西北角、北边采用，未形成整体空间效应。采用源模型的建立方法，截取其中任意一品支护结构及其周围土体作为分析对象。

模型基坑所有几何尺寸按照设计方案取值，连梁界面尺寸0.8m*0.8m,由于本文所取的模型为盖板，因此按照等效刚度原则可得盖板尺寸1m*0.4m。基坑外荷载按设计方案说明取值。

侧斜孔为支护结构前排桩位置，且只对上半段桩身位移进行监测，现将侧斜孔的0到-8.5m的位移模拟数据与监测数据绘成图表进行对比，如下表所示：

图3-1 TX12号孔模拟与监测位移

Fig.3-1 TX12 hole simulation and monitoring displacement

TX12号孔的桩身位移最大值的监测值为12.3mm，模拟值为14.1mm。从以上数据可以看出，桩身最大位移值的模拟值大于监测值，但相差不大，且从曲线趋势来看，整体趋势基本一致，说明本文有限元模拟方法较合理。

3.结论

桩间土的加固效果取决于加固层的厚度与位置，而在桩顶以下两倍坑深范围内，桩间土加固有效，超出该深度范围，基本无效；桩间加固层位置越靠近坑底，其加固效果越好并且在坑底附近，位于坑底以下加固层的加固效果略强于坑底以上加固层的加固效果。桩间土加固桩身位移最小的位置位于基坑以下约1/3基坑深度处。

参考文献

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