季 璇，高全臣，杨 卓，付涵露，冯大冲，王洪波
（中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京 100083）
[摘要]应用岩土丁程有限元软件MIDAS/GTS，采用Hardening-soil土体本构关系模型结合长沙中青广场深基坑工程实例，模拟H型双排桩基坑支护全过程，分析了水平位移的变化特征和剪力弯矩的受力特点，并针对单排桩支护设计进行了方案比选，证明了在控制水平位移和变形方面H型双排桩相比于单排桩锚支护结构优势明显。
[关键词]基坑；支护；H型双排桩；数值模拟
[中图分类号]TU475 [文章编号]1002-8498（2016）07 -0070 -04
0 引言
在基坑工程施工中，经常发生因为外界环境或者特殊土层的限制导致常规支护方法如锚杆、土钉墙、支撑等无法实施的情况，而采用单排悬臂桩又无法满足工程对坑体稳定、周边建筑变形和沉降的要求，H型双排桩支护不失为一种可供选择的方案。本文利用岩土工程仿真软件MIDAS/GTS对中青广场深基坑紧临高层建筑支护剖面采用的H型双排桩支护体系进行数值模拟，同时针对计算结果分析了H型双排桩的位移、受力和变形特征，为支护结构合理的参数设计提供依据。
1 工程概况
1.1 地质情况
中青广场深基坑项目位于长沙市人民西路步行街旁，拟建3层地下室，设计基坑开挖深度为15. 8m，基坑开挖周长约400m。基坑周边环境条件严峻，北侧紧邻23层住宅楼与人民西路下卧隧道。基坑安全等级为一级。
拟建场地内埋藏地层有杂填土、第四系冲积粉质黏土、中粗砂、圆砾，第四系残积粉质黏土，场地内基岩为第三系泥质粉砂岩。各层岩土物理力学参数如表1所示。
1.2 水文条件
上层滞水主要赋存于杂填土中，水量较小，受大气降水和地表水补给，勘察期间测得钻孔中上层滞水稳定水位埋深为0. 50~8.50m(相当于标高33. 890~ 42. 580m)；潜水主要赋存于第四系冲积中粗砂、圆砾中，略具承压性，地下水丰富，主要受大气降水、地表水和上层地下水补给。
1.3基坑支护方案
本项目采用多种支护结构复合支护。其中，在高层建筑一侧变形敏感区域采用H型双排桩支护系统，该体系抗弯能力强、侧向位移小，能有效保证基坑稳定、控制高层建筑的变形；基坑其余剖面采用单排桩锚支护体系；止水帷幕采用高压喷射注浆搅拌桩配合支护桩。H型双排桩支护典型剖面如图1所示。
2 有限元模型计算原理与方法
2.1 几何模型建立
模型尺寸长202m、宽144m、高32m，北侧为悦方ID MALL（29层），含2层地下室，地下室最低标高-9.000m;左侧为6层民房地基土；下部为高速公路；右侧为-6.000m地下室，基坑与上部2层地下室相连，由地层参数结合荷载情况，选取一个平均地层进行数值模拟计算。有限元模型及支护结构如图2所示。
2.2本构模型选择
本模型在计算时采用Hardening-soil模型。该模型最大特点是考虑了非线性模量变化特性的弹塑性模型，卸载模量较加载模量大很多，卸载后有不可恢复的塑性变形。
2.4施工过程模拟
有限元可以模拟整个施工过程，包括土层逐步开挖、施加锚杆、施加预应力等。这个过程与实际基坑开挖过程一致，能更真实地反映基坑变形和杆件受力情况。有限元模拟开挖过程由以下几步组成：KO固结→修建周边建筑并且赋予自重位移清零→激活长桩单元并且位移清零→第1步开挖，设置第1层锚杆→第2步开挖，设置第2层锚杆→第3步开挖，……，激活双排桩→开挖到坑底→查看计算结果。
3 有限元计算结果与分析
3. 1 H型双排桩前、后排桩位移对比分析
H型双排桩水平位移曲线如图3所示。由图3可知，H型双排桩支护体系后排桩桩顶处位移最大，最大位移在最后一步基坑开挖中达到14mm。后排桩的位移曲线呈现2处拐点，分别在桩埋深1/3和2/3处，前者出现的位置与前、后排桩通过冠梁相连位置相符；后者通过地质勘察报告分析是相邻地层土体强度的变化，尤其是上层土相比于下层土抵抗桩体变形的能力较弱引起的，说明H型双排桩前、后桩相连冠梁对整个结构稳定性起到极大作用，通过现场监测冠梁中的钢筋所受最大拉力达到约82.5kN。H型双排桩前桩整体位移与后桩相似，在土体强度变化较大区域呈现拐点。当桩体埋深较浅，由于冠梁受力作用前排桩位移比后排桩小，随着埋深逐渐增大，位移渐渐增大并在腰梁处出现拐点，整体趋势与后排桩一致很好地说明了两者在冠梁的作用下协调一致，共同作用，与单桩经验相比，由于显著增加了桩体刚度，水平位移的控制程度要优于单排桩支护结构。
3.2 H型双排桩前、后排桩剪力曲线对比分析（见图4）
由图4可知，H型双排桩后排桩剪力分布出现了一处明显的突变，由- 320.76kN突变至83.6kN，分析原因主要是由于H型双排桩前、后排桩及冠梁的共同作用，前排桩通过冠梁给后排桩提供推力，改变了逐渐增大的剪力使后排桩所受剪力发生突变，这是H型双排桩剪力分布不同于传统单排桩的最大区别。其后在腰梁处也呈现拐点；前排桩剪力分布与后排桩分布下端基本相同，与传统单排桩支护结构剪力分布大致相同，在腰梁处及土体强度变化明显处呈现拐点，其值大小分别为52，-5kN。
3.3 H型双排桩前、后排桩弯矩曲线对比分析（见图5）
由图5可知，与剪力分布类似，在距离后排桩顶6m处，即与前排桩和冠梁相连处最大弯矩- 620kN .m，在埋深较浅处随着土压力的增大弯矩也逐渐变大，呈现传统悬臂桩受力特征，在与前排桩相连处，考虑到冠梁连接传力机制此处弯矩出现突变情况，其后呈半抛物线形变化，在腰梁处出现拐点，拐点处弯矩为45kN . m;前排桩弯矩变化与传统单排桩类似，大约在4. 5m和2.5m处出现2处拐点。综合分析是土质的强度变化及冠梁的约束作用改变了前、后排桩的受力特征，尤其是前、后排桩通过冠梁相连处使H型双排桩相比于传统单桩支护结构出现剪力与弯矩的突变，并在冠梁下保持了与传统单桩受力特征相似的特点。
3.4 H型双排桩与单排桩稳定性分析
由于双排桩尤其是H型双排桩施工复杂，造价高，因此考虑到传统桩锚支护结构是否可行，进行了基于单桩支护方案的数值模拟。在最后一步工况计算时，水平位移过大导致计算失败，考虑到位移远大于预警值及规范要求，可以肯定单桩支护不适于本项目敏感区域支护。从而更说明在水平位移控制及稳定性方面H型双排桩比传统桩锚支护结构更好。
4结语
通过运用有限元模拟软件MIDAS/GTS对长沙中青广场敏感区域H型双排桩支护结构进行数值模拟计算，分析了H型双排桩水平位移、前后排桩桩身弯矩、剪力并对比了单排桩锚支护结构的稳定性，得出了以下结论。
1)基于有限元分析软件MIDAS/GTS对H型双排桩支护结构的全过程数值模拟，计算结果与工程实际施工情况及位移规律相似，有效证明数值模拟是研究支护结构的有效手段。
2)H型双排桩支护系统稳定，对周围环境影响小，侧向刚度大，有效地保证紧邻高层建筑的变形。
3)H型双排桩后排桩弯矩及剪力均在前后桩冠梁连接处出现受力情况的突变，之后恢复至单排桩受力特征，在钢腰梁处出现拐点。
4)综合来看，H型双排桩支护体系既有单排桩锚结构和门架式双排支护结构的特点，又有自己的特性，通过与单排桩的对比分析可知其在限制侧向位移方向相比单排支护结构优势十分明显，对基坑支护临近高层建筑这类对位移及沉降要求较高的工程具有一定的使用价值。
