门架式双排桩支护结构连系梁作用机理研究

第１１卷第３期　南京工程学院学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　Ｖｏ１．１１，Ｎｏ．３　２０１３年９月　Ｓｅｐ．，２０１３　文章编号：１６７２—２５５８（２０１３）０３—００４２—０６　门架式双排桩支护结构连系梁作用机理研究　杨　明　，董志高　，李俊才　，马继援　（１．南京市公路建设处，江苏南京２１０００８；２．南京南大岩土工程技术有限公司，江苏南京２１００２４；　３．南京南大工程检测有限公司，江苏南京２１０００２）　摘要：门架式双排桩通过连系梁连接成为空间超静定结构，整体刚度大，使双排桩水平位移明显减少．以某客运　站深基坑工程为实例，采用ａｂａｑｕｓ软件建立平面非线性弹塑性有限元模型，从连系梁的截面尺寸，特别是厚度变　化、材料性质两个方面对双排桩连系梁作用机理研究．结果表明：连系梁厚度是双排桩设计中的重要参数，其厚度　越大，前后排桩的水平位移越小，但当厚度增大到一定值后，水平位移变化不明显，建议取值在０．５～ｌｍ；连系梁材　料强度的增加，连梁的受力增大，桩体的内力向后排桩传递，前、后排桩的水平位移稍有减小，但变化不大．　关键词：双排桩；连系梁；厚度；位移；弯矩；作用机理　中图分类号：ＴＶ５５４．４　Ａ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｆｏｒ　Ｆｒａｍｅ　Ｄｏｕｂｌｅ－Ｒｏｗ－・Ｐｉｌｅ　Ｗａｌｌ　Ｃｏｕｐｌｉｎｇ　Ｂｅａｍ　ＹＡＮＧ　Ｍｉｎｇ　，ＤＯＮＧ　Ｚｈｉ—ｇａｏ　，ＬＩ　Ｊｕｎ—ｃａｉ　，ＭＡ　ｊｉ—ｙｕａｎ　（１．Ｄｅｐｔ．ｏｆ　Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｈｉｇｈｗａｙ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１０００８，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｎａｎｄａ　Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００２４，Ｃｈｉｎａ；　３．Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｎａｎｄａ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｔｅｓｔｉｎｇ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．Ｎａｎｊｉｎｇ　２１０００２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｂｙ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｂｅａｍｓ，ｔｈｅ　ｄｏｏｒ　ｆｌａｍｅ　ｔｙｐｅ　ｄｏｕｂｌｅ—ｒｏｗ—ｐｉｌｅ　ｗａｌｌ　ｂｅｃｏｍｅｓ　ｓｔａｔｉｃａｌｌｙ　ｉｎｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｗｉｔｈ　ｇｒｅａｔｅｒ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ，ｗｈｉｃｈ　ｓｉｇｎｉｉｃａｎｔｌｆｙ　ｒｅｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｏｕｂｌｅ—ｒｏｗ—ｐｉｌｅ　ｗａｌ１．Ａ　ｐｌａｎｅ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｅｌａｓｔｉｃ—ｐｌａｓｔｉｃ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｂｕｉｌｔ　ｕｓｉｎｇ　ＡＢＡＱＵＳ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｂｅａｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｏｕｂｌｅ—ｒｏｗ—ｐｉｌｅ　ｗａｌｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｅｐ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｆｏｒ　ａ　ｂｕｓ　ｓｔａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｉｎｃｌｕｄｅ　ｔｈｅ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｓｉｚｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｂｅａｍ，ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ　ｔｈｅ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｃｈａｎｇｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｂｅａｍ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｄｏｕｂｌｅ—ｒｏｗ—ｐｉｌｅ　ｗａｌ１．Ｔｈｅ　ｈｏｒｉｚｏｎｔｌ　ｄｉａｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｉｌｅｓ　ｒｅｄｕｃｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｒｏｎｔ　ａｎｄ　ｂａｃｋ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｂｅａｍ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓ　ｒｅｍａｉｎ　ｒｅｌｅｖａｎｔｌｙ　ｓｔａｂｌｅ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｒｅａｃｈｅｓ　ａ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｖａｌｕｅ．Ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｖａｌｕｅｓ　ｃａｎ　ｖａｒｙ　ｆｒｏｍ　０．５　ｍ　ｔｏ　１．Ｏｍ．　Ｔｈｅ　ｆｏｒｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｂｅａｍ　ｒｉｓｅｓ　ａｓ　ａ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍａｔｅｒｉｌ　ｓｔｒｅｎｇｔａｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｅａｍ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｆｏｒｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗａｌｌ　ｍｏｖｅｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｂａｃｋ　ｗａｌｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｒｏｎｔ　ａｎｄ　ｂａｃｋ　ｗａｌｌｓ　ｄｅｃｒｅａｓｅｓ　ｓｌｉｇｈｔｌｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｏｕｂｌｅ．－ｒＯＷ－－ｐｉｌｅ　ｗａｌｌ；ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｂｅａｍ；ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ；ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ；ｍｏｍｅｎｔ；ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　门架式双排桩支护结构由刚性连系梁将前后排桩连接而组成一个空间超静定结构，相比单排桩而言　其整体刚度大　；又前后排桩均能产生与侧土压力反向作用的力偶，使双排桩的位移明显减少，同时桩　身的内力也有所下降，并形成交变内力，其在复杂多变的外荷载作用下能自动调整结构本身的内力，适应　复杂的或难以预料的荷载条件　收稿日期：２０１３—０９一Ｏ２　，因此，对于双排桩空间支护体系，连系梁对于力的传递和对支护体系的　作者简介：杨明，工程师，研究方向为工程建设管理　Ｅ・ｍａｉｌ：５９１３０３４０７＠ｑｑ．ｃｏｎ　第１ｌ卷第３期　杨明，等：门架式双排桩支护结构连系梁作用机理研究　４３　贡献起到了非常重要的作用　］．对连系梁作用规律及其机制的研究，成为双排桩支护结构研究的关键［９］．　小红山客运站基坑工程位于南京市主城区北部，地下２层，站房负１层配套停车服务设施建筑面积约　２１　７６０　ｍ　，站房负２层配套服务设施建筑面积约２１　７６０　ｍ　．基坑呈不规则状，大小约２８０　ｍ×１３０　ｍ，基坑　开挖深度１０．４５～１　１．９５　ｍ，基坑支护结构安全等级为一级．场区南侧与南京火车站沪宁城际线路临近，地　质条件复杂，周边环境对变形要求严格，因此在南侧基坑部分采用双排桩支护结构设计方式．以小红山客　运站基坑工程为实例，重点研究在截面变化和材料变化条件下，门架式双排桩支护结构连系梁作用机理．　１工程地质条件　勘探资料表明，基坑工程所在场区土层可分为６个大层，属工程地质条件复杂区．地层分布特征如下：　①一ｌａ杂填土，①一１ｂ素填土，①一１粘土，①一２ａ粘土，①一２ｃ粉土；②一１粉质粘土，灰黄色，部分为青灰　色，可塑为主，部分为硬塑，无摇振反应，干强度及韧性中等，中等压缩性，层厚０．７～１１．５　ｍ，场区内普遍　分布；③一１粉质粘土，褐黄色、黄色、灰黄色，硬可塑，含铁锰结核，场区内普遍分布，层厚为１．２～１５．７　ｍ；　③一１ｃ粉土；④残积土；⑤一１全风化闪长岩，灰黄色，岩体结构已破坏，岩芯呈砂土状，中密一密实，不均　匀；⑤一２强风化闪长岩，灰黄色，岩体结构部分已破坏，节理裂隙发育，岩芯破块状、碎块状；⑤一３中风化　闪长岩，灰黄色、灰色、青灰色，全晶质等粒结构，块状构造，岩芯呈短柱状、柱状，岩质硬，锤击声脆；⑥一２　强风化角砾状灰岩，黄灰、棕色，裂隙发育，岩芯破碎层碎石一碎块状；⑥一３中风化角砾状灰岩，黄灰、紫　褐色，少量裂隙，较完整；⑥一３ａ溶洞，分布于中风化岩层之中，充填灰黄色、棕黄色粘土，夹少量碎石．　２模型参数与基本假定　整个区段南侧部分采用双排桩支护结构设计，前、后排桩采用４，１　２００＠１　４００钻孔灌注桩，桩长１９　ｍ，　前排桩桩间采用４，５００＠１　４００旋喷桩止水，前后｛｛ｆ：桩桩顶冠梁尺寸为１　２００　ｍｍ×１　０００　ｍｍ，中间连接板　（连系梁）５００　ｍｍ厚，开挖深度基本在ｌ０．４５　ｒｎ左右，双排桩嵌人深度约９．５５　ｍ，开挖面基本位于①一２ａ　软一流塑黏土中，该层夹粉土，高压缩性、低强度．旋喷深度超过基坑开挖面以下１．５５　ｍ，前排桩桩前在基　坑开挖面以上０．５　ｍ、开挖面以下５　ｍ范围内用４，１　０００＠７００高压旋喷进行加固．　为了便于双排桩结构在不同地质条件下的影响因素及支护性状的研究，针对小红山客运站基坑场地　实际地质条件，选取有代表性的地层：粘土、砂土、粉质粘土、强风化闪长玢岩及中风化闪长玢岩．根据研究　的需要，进行相应地层的组合．对于能够简化为平面应变方法解决的复杂双排桩支护体系结构问题，采用　ＡＢＡＱＵＳ有限元软件，建立相应的平面应变问题的有限元分析模型，计算参数如表１所示　表１有限：元模型计算参数　在分析中，将双排桩按等效竖向刚度的原则简化成地下连续墙，连系梁按体积等效折算为连续的薄　板，换算公式为：　南京工程学院学报（自然科学版）　２０１３年９月　ｈ。＝ｂｈ　（２）　式中：　为地下连续墙的厚度；Ｄ为灌注桩直径；　为桩间距；＾。为折算高度；ｂ为连系梁宽度；ｈ。为连系梁　高度．　按照上述相关原则，建立长７０　ｍ、深４０　ｍ的模型，右边２０　ｍ为　开挖范围，开挖深度为８　ｍ，距离左边界５０　ｍ处为前排桩的位置　（图１）．土体采用实体单元模拟，有限元网格采用四节点平面应变减　缩积分单元ＣＰＥ４Ｒ四边形单元，桩和连系梁采用二维的线进行模拟，　用Ｂ２１梁单元模拟地下连续墙．桩土之间和连系梁、土之间设置为接　触面，采用库伦摩擦模型，连系梁与桩设置绑定，约束条件为模型左　图１有限元模型示意图（ｍ）　右两侧水平约束，底面水平和竖向均约束．岩土体采用理想弹塑性模　型，屈服准则采用Ｍｏｈｒ．Ｃｏｕｌｏｍｂ准则，桩和连系梁采用线弹性模型．　３　结果分析　３．１截面尺寸变化影响　连系梁刚度的影响主要反映在截面尺寸和连系梁所用材料上，截面尺寸中连系梁的高度是门架式双　排桩支护结构体系设计的重要参数．对于连系梁截面尺寸，选取上覆地层为１５　ｍｍ厚粘土、下卧地层为强　风化闪长玢岩的地质条件，桩径为Ｄ＝８００　ｍｍ，在排距为５Ｄ、桩距为２Ｄ的条件下，连系梁厚度变化值选　取为０．１、０．５、１、１．５、２、３　ｍ．　由图２、图３可见，连系梁厚度０．１　ｍ时，连系梁作用比较薄弱，桩顶处位移值最大，为６６．７５　１１＇１１１１；连系梁　厚度增大到０．５　ｍ时，水平位移减小到５４．６　ｍｍ，减小幅度为１８．１５％；当连系梁厚度由０．５　Ｔｎ增大到１　ｍ　时，水平位移减小到５３．３　ｍｍ，减小的幅度很小；当连系梁厚度由１　ｍ增大到１．５　ｍ时，水平位移增大到　５４　ｍｍ；当连系梁厚度由１．５　ｍ增大到２　ｍ时，水平位移由５４　ｍｍ增大到５６　ｍｍ，在连系粱厚度增大到３　１３１　时，水平位移为６１　ｍｍ．由此可见，随着连系梁厚度的增加，水平位移会呈现先减小后增大的变化规律，连系　梁厚度以０．５～１　ＩＴＩ为宜．　图２前排桩水平位移　图３后排桩水平位移　由图４、图５可见，前、后排桩的弯矩在桩体上部弯矩随着连系梁厚度的增加而增大，桩体下部弯矩值　变化不大．对于前排桩弯矩，在桩顶处，连系梁厚度由０．１　ｍ增大到０．５　ｍ时，弯矩值由５．６　ｋＮ・ｍ增大为　４５　图ｍ姻　繇　　棚　一臣　一一～　一　可弯的辕着魄　闭　连　　　蜘　｛加　加　奏　连　梁　寸＝　触　图７　连系梁轴力　南京工程学院学报（自然科学版）　２０１３年９月　的弹性模量和泊松比，建立相应的模型进行计算．　由图８可见，连系梁混凝土强度的增加，　地表竖直位移稍有减小，但变化不大，数值比　较接近，在距离左端点３０～４０　ｍ处，竖直位移　４　３　０　一Ｃｌ５　一Ｃ２Ｏ　・一Ｃ２５　Ｃ３０　ｇ窿　辑　藿　ｍ　＂　－加　３　出现最大值．　童２　由图９可见，连系梁混凝土强度的增加，臻２　前、后排桩的水平位移稍有减小，但变化不大．　随着混凝土型号的提高，前排桩桩体上部的弯　矩有少量减小，桩体下部的弯矩有少量增大，后　排桩弯矩桩顶处的有一定的增加，下部的弯矩　１　１　。　０　ｌ０　２Ｏ　３０　减小，连系梁轴力出现一定的增加．结果表明，　连系梁强度的增加，连系梁的受力增大，桩体的　水平距离／ｍ　图８地表竖直位移　暑爱到　鞋罢ｆ　水平位移／ｍｍ　Ｏ　５　０　０　５　ｌ０　ｌ５　２Ｏ　２５　３０　３５　４０　４５　５０　５５　６０　Ｏ　５　内力向后排桩传递．　前排桩水平位移／ｍｍ　０　Ｓ　１０　１　２０　２５　３０　３５　４０　４５　５０　５５　６０　（ａ）前排桩水平位移　前排桩弯矩／（ｋＮ・ｍ）　一（ｂ）后排桩水平位移　后排桩弯矩／（ｋＮ・ｍ）　１５Ｏ—ｌｏｏ－５０　’—　ｏ　５０　ｌ００　１５０　２００　２５０　Ｃ１５　一Ｃ２Ｏ　一～Ｃ２５　Ｃ３０　一．　／。，　＝　一一Ｃ２５　，１０　－　谣　到　蚕　２０　担１５　幂　世　２０　；。莎　（Ｃ）前排桩弯矩　（ｄ）后排桩弯矩　混凝土型号　（ｅ）横梁轴力　图９连系梁材料变化影响分析　第１１卷第３期　杨明，等：门架式双排桩支护结构连系梁作用机理研究　４７　４　结论　１）连系梁厚度是双排桩设计中的重要参数，连系梁的厚度越大，前后排桩的水平位移越小，但当厚度　增大到一定值后，水平位移变化不明显，建议取值在０．５—１　ｍ．连系梁厚度的增大，前后排桩的弯矩增大，　更能发挥前后排桩的作用．　２）连系梁强度的增加，连系梁的受力增大，桩体的内力向后排桩传递．前、后排桩的水平位移稍有减　小，但变化不大．　３）连系梁刚度是影响双排桩支护主要因素之一，初始时，连系梁刚度的增加，连系梁受力有所增大，　有利于前、后排桩及桩土的协调作用，双排桩支护性能显著改善，但当双排桩刚度增大到一定程度时，其作　用增大将不再明显．　参考文献：　［１］杨德健，王铁成，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）：１２一ｌ５．　［２］谭永坚，何颐华．粘性土中悬臂双排护坡桩的受力性能研究［Ｊ］．建筑科学，１９９３（４）：２８—４０．　［３］聂庆科，梁金国，韩立君，等．深基坑双排桩支护结构设计理论与方法［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２００８．　［４］万智，王贻荪，李刚．双排桩计算结构的分析与计算［Ｊ］．湖南大学学报：自然科学版，２００１，２８（３）：１１６—１２０．　［５］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．　［６］　ＡＴＹＷＥＬＬ　ＰＢ，ＹＥＡＴＥＳ　Ｊ，ＳＥＬＢＹ　Ａ　Ｒ．Ｓｏｉｌ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ　ｉｎｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｒ　ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ　ａｎｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ｍ］．Ｌｏｎｄｏｎ　Ｂｌａｃｋｉｅ　ａｎｄ　Ｓｏｎ，１９８６．　［７］ＩＳＨＩＨＡＲＡ　Ｋ．Ｒｅｌａｔｉｏｎｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｕｎｉｑｕｅｎｅｓｓ　ｏｆ　ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｓｏｉｌｓ　ａｎｄ　Ｆｏｕｎｄ，１９７０，１０（３）：５０—６５．　［８］　田雪梅．双排桩支护结构的理论分析及数值计算［Ｄ］．太原：：蜒原理工大学，２０１２．　［９］蔡袁强，阮连法，吴世明，等．软黏土地基基坑开挖中双排桩式围护结构的数值分析及应用［Ｊ］．建筑结构学报，１９９９，２０（４）：６５—７１．