門架式雙排樁結構受力分析

高 樂

（中國鐵路設計集團有限公司 天津300251）

0 引言

近年來，位于丘陵地區的城市軌道交通建設工程迅速發展，其帶來的邊坡高度和范圍越來越大，加上城市建筑密集、周圍管線縱橫交錯以及地下結構工程毗鄰，使得邊坡工程越來越復雜，且伴隨著建筑紅線要求更為嚴格，施工場地更緊張以及需?？紤]環境效應等問題［1-4］。

門架式雙排樁支護結構因能較好地克服上述邊坡工程問題，同時具有整體剛度大、減少設置或無需錨索、施工方便、克服建筑紅線限制和施工場地緊張問題等優點，在越來越多的工程中得以推廣使用［5-10］。本文依托深圳市軌道交通10 號線工程某車輛段邊坡工程，通過數值模擬方法，分析了門架式雙排樁的結構受力情況及影響因素，研究成果可供同類工程參考借鑒。

1 工程概況

1.1 場地條件

擬建深圳市軌道交通10 號線工程某車輛段邊坡原始地貌為丘陵，車輛段因場地平整需要，在場地西端形成高塹坡，同時場地西側緊鄰二級水源保護區，距離車輛段邊界很近，高塹坡工程處理空間極其有限。

1.2 不良地質

西側邊坡由大量填土堆填而成，回填土成份復雜，土質不均，由黏性土、碎石、和建筑垃圾組成。填土的分布區域和厚度有很大的不均勻性，局部區域回填厚度大。

1.3 設計方案

方案上部采用放坡處理，對填土土體進行加固，坡腳采用門架式雙排樁收坡的設計思路。

邊坡分級開挖，每級開挖高度8 m，坡率1∶1.5～1∶2.0。邊坡填土采用注漿錨管+框架梁進行加固，錨管采用鉆機成孔，采用鋼管壓力注漿，注漿材料采用水泥為主劑的漿液加固，采用多次注漿，注漿深度為10～25 m，鋼管留在土體中作為加筋體，鋼管布置在框架格梁的節點位置，與邊坡表面的框架梁形成整體。

第一級支擋均采用門架式雙排樁支擋結構收坡，排樁采用1.5 m 樁徑，間隔1.7 m 布置，樁頂設置冠梁及聯系梁，連接排樁頂部。冠梁及聯系梁寬2.0 m，高1.0 m，澆注成整體。同時用直徑0.6 m 的旋噴樁對樁前嵌固點以下土體進行加固，改善土體性質，提高水平抗力。

2 有限元模型建立

采用MIDAS-NX 軟件研究門架式雙排樁的結構受力及影響因素，建立模型進行分析。

2.1 模型參數

本文選擇各向同性的線性彈性材料模擬鋼筋混凝土結構，采用修正的Mohr-Coulomb 彈塑性材料模擬土體（見圖1、圖2、表1）。樁身及連系梁為各向同性均質線彈性體，采用梁單元模擬（見表2）。

圖1 車輛段典型斷面Fig.1 Typical Section of Depot

圖2 有限元模型幾何尺寸示意圖Fig.2 Finite Element Model Geometry Size Diagram（m）

表1 巖土材料參數Tab.1 Parameter of Geo-technical Material

表2 結構材料參數Tab.2 Parameter of Structure

2.2 分析時步

本算例共分六個分析步：

第一步，激活所有土體單元、邊界條件及荷載，并進行位移清零，使激活單元具有初始自重應力，初始應變近似為0。

第二步，激活雙排樁及聯系梁單元，模擬雙排樁施工。

第三步～第六步，分四步進行開挖，每次挖深2 m，通過鈍化使開挖單元失效。

3 計算結果分析

3.1 剪力分析

圖3 為雙排樁剪力云圖，從中可以發現前后樁剪力值較大區域均集中在嵌固點高度附近。

圖3 雙排樁剪力云圖Fig.3 Shear Nephogram of Double-row Piles

圖4為前、后排樁樁身剪力沿深度變化曲線。圖4中，樁身剪力隨著開挖深度的增加變化規律相似。在嵌固點位置高度，前排樁樁身剪力最大值764.06 kN，后排樁樁身剪力最大值199.41 kN。前排樁樁身最大值大于后排樁。

圖4 樁身剪力Fig.4 Shear of Pile

3.2 彎矩分析

支擋結構受力分析過程中，支護結構抗彎能力也是一個十分重要的指標，因此在本次數值模擬中對支護樁的彎矩進行了計算分析。

圖5 為雙排樁彎矩云圖，前、后排樁樁身彎矩呈S型分布，前樁彎矩變化幅度較大。

圖5 雙排樁彎矩云圖Fig.5 Bending Moment Nephogram of Double-row Piles

圖6 為前、后排樁樁身彎矩與深度關系曲線。前排樁樁身正彎矩最大值出現在嵌固點以下1～2 m 處，為1 269.34 kN·m。最大負彎矩為發生在樁頂以下3～4 m 處，其絕對值為1 652.78 kN·m，負彎矩絕對值要大于正彎矩；后排樁正彎矩最大值出現在樁頂，為1 286.98 kN·m，最大負彎矩則出現在嵌固點以下5～6 m處，其絕對值為596.42 kN·m。

圖6 樁身彎矩Fig.6 Bending Moment of Pile

前排樁樁身彎矩曲線變化幅度較大，這是由于前排樁懸臂端臨空，針對嵌固點以下土體采用了咬合旋噴樁加固提高樁前土體抗力，外部約束條件突然改變造成；后排樁整體位于土體中，樁身彎矩曲線變化相對比較圓潤。

經過對內力及彎矩的對比分析，可以發現前樁承擔了更大的剪力與彎矩，在設計過程中應對前樁進行針對性加強。

4 雙排樁設計參數對內力影響的分析

影響雙排樁支護結構內力分布的因素有很多，主要有雙排樁的排距、單樁樁徑、樁間距、樁長、連梁尺寸、土體的性質等。采用控制變量法，通過改變單一的影響因素來分析雙排樁樁徑、排距、樁長對支護結構的變形和內力的影響。

4.1 樁徑變化的影響

雙排樁支護結構的樁徑也是影響到工程成本與工程安全的重要因素之一，在保證安全的前提下，樁徑越小越經濟。其他設計參數保持不變，樁徑選擇0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.5 m進行分析。

圖7a為樁徑對前樁內力的影響，分析了前樁樁徑分別為d=0.8 m、d=1.0 m、d=1.2 m、d=1.5 m 時，彎矩值的變化情況。從變化曲線可以發現，前樁彎矩隨著樁徑加大而變大。從圖中還可以看出，最大正彎矩位置隨著樁徑增大而變深。

圖7b則模擬了后樁樁徑分別為d=0.8 m、d=1.0 m、d=1.2 m、d=1.5 m時，彎矩值的變化情況。后樁最大正彎矩位置均發生在樁頂位置，隨著樁徑加大，彎矩變大。樁徑變化對樁身彎矩有較大影響，樁徑越大，整個門架式雙排樁結構體系剛度越大，從而樁身彎矩越大。

圖7 樁徑變化對樁身彎矩的影響Fig.7 The Influence of Pile Diameter Change on Bending Moment of Pile

4.2 排距變化的影響

雙排樁支護結構設計中排距是一項的重要的設計內容，排距的選擇直接影響著樁體和樁間土是否共同作用。排距過小或過大時，雙排樁不能很好的發揮空間效應。目前普遍認為排樁間距為3d～5d比較合理。這里選取排距B=5 m、B=6 m、B=7 m進行分析。

從圖8可以看出，隨著排距的不斷增大，前排樁上部的最大負彎矩絕對值和下部正彎矩不斷減小。故適當增大排距可以減小樁身內力。邊界條件不受限的時候，建議適當增大排樁間距。

圖8 排距變化對前樁樁身彎矩的影響Fig.8 The Influence of Row Spacing Change on Bending Moment of Front Pile

4.3 樁長變化的影響

在其他條件不變的前提下，分析雙排樁樁長變化對支護結構內力的影響，樁長L取值分別為16 m、20 m、24 m。

圖9 樁長變化對前樁樁身彎矩的影響Fig.9 The Influence of Pile Length Change on Bending Moment of Pile

由圖9 可知，增加排樁的長度，前后排樁的最大正彎矩及最大負彎矩絕對值均略有增加，幅度很小。故排樁嵌固比大于1∶1 時，通過增加樁長來調整支護結構內力時，效果不明顯。

5 結論

通過有限元MIDAS∕NX 軟件建立了雙排樁支護結構的數值模型，對開挖過程中雙排樁支護結構的受力情況進行了分析，同時還研究了雙排樁設計參數對支護結構內力的影響，獲得以下主要結論：

⑴前后排樁樁身彎矩呈左右鏡像的S 型分布，在前排樁樁頂以下3～4 m 處負彎矩達到最大，在嵌固點以下1～2 m 處出現正彎矩最大值；后排樁正彎矩最大值出現在樁頂，最大負彎矩則出現在嵌固點以下5～6 m處。

⑵由于前排樁懸臂端臨空，樁前土體抗力通過咬合旋噴樁加固得到了提高，外部約束條件的突然改變，使得整個門架式雙排樁支擋結構受力體系中，前排樁承擔了更大的剪力與彎矩，結構設計過程應對予以加強。

⑶樁徑與樁身彎矩呈現正相關關系，隨著樁徑增大，樁身彎矩也增大。

⑷隨著排距的不斷增大，前排樁上部的最大負彎矩絕對值和下部正彎矩不斷減小。適當增大排距可以減小樁身承受的彎矩。

⑸排樁嵌固比大于1∶1 后，改變排樁樁長對樁體內力影響較小。

支擋結構形式的選取需結合場地邊界條件、地質情況，及邊坡加固方案綜合考慮選取，門架式雙排樁支擋形式體現高結構剛度的優勢，同時還可以根據改變排距、樁距來適應不同場地要求，符合城市軌道交通建設過程中對于支擋結構在“小空間范圍內解決大高差”的要求。