双（多）排桩基坑支护结构受力性能研究与工程实践

双（多）排桩基坑支护结构受力性能研究与工程实践
作者：陈仕洪陈俊生
来源：《粘接》2021年第05期
摘要：雙（多）排支护桩由于具有抗侧移刚度大、场地适用性强和方便施工等特点近年来在基坑工程上得到广泛应用。

文章根据多排桩支护结构在挠曲微分方程的基础上得出的各点变形及内力方程，带竖向锚索多排桩支护结构预应力大小及施加竖向锚索的时间对支护结构的影响，考虑支护桩在桩身支护参数变化下对支护结构的内力位移的影响等研究结论，结合多个
基坑支护工程项目的实践情况，总结了双（多）排桩的支护效果，验证了理论研究成果的可靠性，可为类似问题的理论研究和工程实践提供参考。

关键词：双（多）排支护桩;挠曲分析;竖向锚索;支护参数;工程实践
中图分类号：TU47 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）05-0101-06
Research and Engineering Practice on Mechanical Properties of Double （Multiple） Row Pile Foundation Pit Support Structure
Chen Shihong1 ，Chen Junsheng1，2，3
（1 .School of Civil Engineering and Transportation， South China University of Technology，Guangzhou 510640， China; 2.State Key Laboratory of Subtropical Building Science， Guangzhou 510640， China; 3.South China Institute of Geotechnical Engineering， Guangzhou 510640，China）
Abstract：Double （multiple） row support pile has been widely used in foundation pit engineering in recent years due to its characteristics of large lateral displacement stiffness， strong site applicability and convenient construction. Based on the multiple row pile retaining structure in the deflection differential equation of deformation and internal force at every point on the basis of the equation， the influence of the prestress of the multi-row pile supporting structure with vertical anchor cables and the time of applying the vertical anchor cables on the supporting structure， and considering the influence of supporting pile on the internal force and displacement of supporting structure under the change of pile supporting parameters， etc， combined with the practice of multiple foundation pit supporting project， summarizes the double （multiple） pile supporting effect， test and verify the reliability of the theoretical research results， can be used as theoretical research and engineering practice of similar problems to provide the reference.
Key words：double （multiple） row support pile; deflection analysis; vertical anchor cable; support parameter; engineering practice
0 引言
随着粤港澳大湾区建设的深入，临海软土地区基坑工程不断投入建设。

临海区的基坑在设计和施工等方面的要求更加严格，如何在保证基坑的稳定性情况下将工程对环境的影响降到最小是施工的重难点。

双排桩支护作为一种悬臂支护结构，具有较大的抗侧移刚度、场地适用性强和方便施工等优点，近年来在深度5～8m，基坑面积较大且无法做内支撑或锚索项目中得到了广泛的应用。

为了深入了解双排桩的受力特性、变形特性及前后排桩的土压力分配等问题，学者们对进行了大量的研究。

在双排桩支护参数方面，林鹏等[1-2]通过分析双排桩支护结构的
特点以及结合实例分析得到了若干影响双排桩支护结构的参数及变化规律。

杨光华[3]针对双排桩计算理论的不足，提出了一个新的土压力模式。

李佳等[4-5]对软土深基坑双排桩支护结构的变形性状进行了分析。

杨粤黔等[6-8]通过有限元软件对双排桩基坑支护结构进行分析，得到了提升支护效果指导性意见。

聂庆科等[9]根据某高层基坑现场监测数据，研究了双排桩支护的土压力性状及支护结构的内力与变形情况。

双排桩虽然已经有较多的基坑工程应用实例，但在挠曲分析、支护参数影响等方面尚未明确。

本文整理了本团队在双（多）排桩研究上的相关成果，结合多个实际工程的使用效果，总结了双（多）排支护桩的基坑支护结构的受力性能，为今后软土区双（多）排桩基坑支护结构的理论研究及工程设计提供参考。

1 双（多）排支护桩受力性能研究总结
1.1 双排桩支护结构挠曲理论
目前，双排桩支护结构挠曲理论主要是通过理论及施工经验双排桩后排桩桩身背部施加滑裂面，以滑裂面为界限，将双排桩的受力及变形计算分为上下两部分。

滑裂面上方土体运用体积比例法计算土压力，滑裂面下方土体用“m”法求解土压力，并以此建立双排桩不同桩段的挠曲微分方程。

为了求得方程的解，需要建立不同桩段方程之间的数学联系，主要是运用桩端连接点之间的力学性状及变形性能具有连续性的特点，施加相应的边界效应，可以得到不同桩段的方程解析解。

将方程的解析解进行求导，即可得到双排桩中各点的位移及受力状况[10]。

前后排桩的位移方程：
其中：为体积比例系数;为主动土压力系数;为土重度;为排桩的计算宽度;为粘聚力;、、、分别为桩顶剪力、弯矩、转角和位移。

1.2 带竖向锚索双排桩支护结构研究
通过研究发现，通常采用的悬臂式双排桩，在支护受土压力作用后，其桩身最大弯矩位于后排桩中心附近，前后排桩弯矩都会呈现出具备反弯点的特征。

随着锚索预应力的增大，双排桩最大正弯矩和正弯矩呈线性增大，且没有收敛的趋势，其中后排桩增速较快，双排桩负弯矩减小，相比正弯矩的增幅，负弯矩的减幅很小，且呈收敛趋势。

通过前人的研究发现[11]，在双排桩的支护体系中，其产生的最大弯矩是由后排桩来控制，前后排桩的负弯矩最大值趋于相等。

当场地进行开挖时，开挖深度越深，弯矩在不断变化，前后排桩负弯矩呈现出不断增大的趋势，对正弯矩的影响时前排桩的影响较为明显，前排桩正弯矩减小，后排桩正弯矩基本不变。

1.3 双排桩支护参数对支护结构受力影响研究
双排桩的支护参数主要包括桩间距、桩长、前后排距等，不同参数对双排桩的支护性能都产生了一定的影响。

桩间距对双排桩影响较大，桩间距增大时，桩间土压力增大，前后排桩桩身弯矩也不断增大，改变后排桩的间距影响较改变前排桩间距的影响更加明显，后排桩的弯矩变化也比前排桩变化更大。

桩长的改变也会带来一定的影响。

前后排桩的入土深度增加时，双排桩的弯矩都在增大;后排桩入土深度增加，前排桩不变时，前排桩的弯矩趋于减小，后排桩的弯矩则是逐渐增大，由此可见，增大后排桩的桩长可以增强双排桩的整体性能，后排桩承受能力不断增强;前排桩入土深度增大，后排桩不变时，前后排桩的弯矩变化都呈现出减小的趋势。

桩排距影响着前后排桩之间土的性状，选取适合的排距才能充分发挥双排桩的支护性能。

排距小于3d（桩径）时，双排桩表现出悬臂式单排桩的性质，其受力情况与单排桩类似，并没有发挥双排桩的优势;排距大于4d时，后排桩分担的荷载较小，主要是前排桩发挥作用。

根据前人研究，排距在3～4d区间段，特别是趋近于4d时，前后排桩之间的荷载效应才能达到理想状态，能够最大化发挥双排桩的支护性能[12-13]。

2 广州宝兴TESCO购物中心项目
2.1 工程概况及工程地质条件
广州宝兴TESCO购物中心项目始于2009年8月，是广州地区第一个采用双排桩支护形式的基坑，由于处于深厚砂层，双排桩的疏密和直径存在差异。

基坑面积为21505m2，基坑深度9.80m。

场地地基土在基坑开挖深度内主要为杂填土、淤泥或淤泥质土、砂土、粉質黏土，坑底土主要是砂土（中砂、粗砂皆有）及部分含淤泥质黏土的砂土层。

2.2 基坑支护设计
本项目设计是在团队对双排桩支护形式充分研究的前提下，完成的广州地区首个采用双排桩支护形式的基坑。

结合双排桩的挠曲理论研究结论和双排桩支护参数对支护结构受力影响研究结论，考虑间距和直径的具体影响，对处于深厚砂层的支护结构布置方式进行充分计算，得到双排桩的疏密和直径存在差异的设计方案如下：
基坑北侧（1-1区段）、西侧北段（1′-1′区段）、东侧北段（1′-1′区段）等区段皆是用双排桩（钻孔灌注桩）进行基坑支护，运用矩形布置的形式。

其中前排桩桩径1m，间距1.2m、后排桩桩径0.8m，间距为前排桩的两倍，即2.4m。

桩顶连接盖板为0.6m厚钢筋混凝土板;沿基
坑周边设置桩径1m，间距0.75m的大直径（旋喷）搅拌桩形成封闭止水帷幕的支护方案。

基坑安全等级为二级，设定周边荷载20kPa。

3 南沙丰田北项目（三排桩）
3.1 工程概况及工程地质情况
南沙丰田北项目基坑支护竣工于2011年10月，是广州地区第一个深厚淤泥层三排桩项目。

基坑面积为30574m2，基坑开挖深度6.7m。

由于基坑东南侧邻近地铁车站且北侧和西北侧靠近河流，造成了极大的施工困难，为了创造施工条件，通过三排桩支护形式搭接工程桩承台拓宽施工道路，故采用了较为特殊的三排桩基坑支护形式。

场地地基土在基坑开挖深度内为杂填土、淤泥或淤泥质土、含淤泥粉细砂、全风化花岗岩、强风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩，基坑底面基本位于含淤泥粉砂层、细砂层。

3.2 有限元分析
本项目由于之前所述的特殊性，根据常规双排桩设计方法进行设计可能存在问题，故设计过程结合有限元分析同步进行。

根据带竖向锚索双排桩支护结构研究的相关结论合理确定入岩深度和锚索预加力锁定值，充分考虑参数具体影响再进行合理确定，最后根据挠曲理论进行验证，确保工程安全。

具体分析过程如下：
（1）计算工况及荷载组合。

分析主要分为三个工况，即三个施工步，具体如下表1所示。

在下表的工况简述中，以基坑顶标高为0.00m，荷载为40kPa。

（2）有限元网格。

整体有限元模型及模型各部分、各施工工况如图5所示，共有45125个单元，8886个节点。

3.3 有限元计算结果
在以下各项计算结果中，仅显示3种不同荷载组合下计算结果的最大值。

1 双（多）排支护桩受力性能研究总结
1.1 双排桩支护结构挠曲理论
目前，双排桩支护结构挠曲理论主要是通过理论及施工经验双排桩后排桩桩身背部施加滑裂面，以滑裂面为界限，将双排桩的受力及变形计算分为上下两部分。

滑裂面上方土体运用体积比例法计算土压力，滑裂面下方土体用“m”法求解土压力，并以此建立双排桩不同桩段的挠
曲微分方程。

为了求得方程的解，需要建立不同桩段方程之间的数学联系，主要是运用桩端连接点之间的力学性状及变形性能具有连续性的特点，施加相应的边界效应，可以得到不同桩段的方程解析解。

将方程的解析解进行求导，即可得到双排桩中各点的位移及受力状况[10]。

前后排桩的位移方程：
其中：为体积比例系数;为主动土压力系数;为土重度;为排桩的计算宽度;为粘聚力;、、、分别为桩顶剪力、弯矩、转角和位移。

1.2 带竖向锚索双排桩支护结构研究
通过研究发现，通常采用的悬臂式双排桩，在支护受土压力作用后，其桩身最大弯矩位于后排桩中心附近，前后排桩弯矩都会呈现出具备反弯点的特征。

随着锚索预应力的增大，双排桩最大正弯矩和正弯矩呈线性增大，且没有收敛的趋势，其中后排桩增速较快，双排桩负弯矩减小，相比正弯矩的增幅，负弯矩的减幅很小，且呈收敛趋势。

通过前人的研究发现[11]，在双排桩的支护体系中，其产生的最大弯矩是由后排桩来控制，前后排桩的负弯矩最大值趋于相等。

当场地进行开挖时，开挖深度越深，弯矩在不断变化，前后排桩负弯矩呈现出不断增大的趋势，对正弯矩的影响时前排桩的影响较为明显，前排桩正弯矩减小，后排桩正弯矩基本不变。

1.3 双排桩支护参数对支护结构受力影响研究
双排桩的支护参数主要包括桩间距、桩长、前后排距等，不同参数对双排桩的支护性能都产生了一定的影响。

桩间距对双排桩影响较大，桩间距增大时，桩间土压力增大，前后排桩桩身弯矩也不断增大，改变后排桩的间距影响较改变前排桩间距的影响更加明显，后排桩的弯矩变化也比前排桩变化更大。

桩长的改变也会带来一定的影响。

前后排桩的入土深度增加时，双排桩的弯矩都在增大;后排桩入土深度增加，前排桩不变时，前排桩的弯矩趋于减小，后排桩的弯矩则是逐渐增大，由此可见，增大后排桩的桩长可以增强双排桩的整体性能，后排桩承受能力不断增强;前排桩入土深度增大，后排桩不变时，前后排桩的弯矩变化都呈现出减小的趋势。

桩排距影响着前后排桩之间土的性状，选取适合的排距才能充分发挥双排桩的支护性能。

排距小于3d（桩径）时，双排桩表现出悬臂式单排桩的性质，其受力情况与单排桩类似，并没有发挥双排桩的优势;排距大于4d时，后排桩分担的荷载较小，主要是前排桩发挥作用。

根据前人研究，排距在3～4d区间段，特别是趋近于4d时，前后排桩之间的荷载效应才能达到理想状态，能够最大化发挥双排桩的支护性能[12-13]。

2 广州宝兴TESCO购物中心项目
2.1 工程概况及工程地质条件
广州宝兴TESCO购物中心项目始于2009年8月，是广州地区第一个采用双排桩支护形式的基坑，由于处于深厚砂层，双排桩的疏密和直径存在差异。

基坑面积为21505m2，基坑深度9.80m。

场地地基土在基坑开挖深度内主要为杂填土、淤泥或淤泥质土、砂土、粉质黏土，坑底土主要是砂土（中砂、粗砂皆有）及部分含淤泥质黏土的砂土层。

2.2 基坑支护设计
本项目设计是在团队对双排桩支护形式充分研究的前提下，完成的广州地区首个采用双排桩支护形式的基坑。

结合双排桩的挠曲理论研究结论和双排桩支护参数对支护结构受力影响研究结论，考虑间距和直径的具体影响，对处于深厚砂层的支护结构布置方式进行充分计算，得到双排桩的疏密和直径存在差异的设计方案如下：
基坑北侧（1-1区段）、西侧北段（1′-1′区段）、东侧北段（1′-1′区段）等区段皆是用双排桩（钻孔灌注桩）进行基坑支护，运用矩形布置的形式。

其中前排桩桩径1m，间距1.2m、后排桩桩径0.8m，间距为前排桩的两倍，即2.4m。

桩顶连接盖板为0.6m厚钢筋混凝土板;沿基坑周邊设置桩径1m，间距0.75m的大直径（旋喷）搅拌桩形成封闭止水帷幕的支护方案。

基坑安全等级为二级，设定周边荷载20kPa。

3 南沙丰田北项目（三排桩）
3.1 工程概况及工程地质情况
南沙丰田北项目基坑支护竣工于2011年10月，是广州地区第一个深厚淤泥层三排桩项目。

基坑面积为30574m2，基坑开挖深度6.7m。

由于基坑东南侧邻近地铁车站且北侧和西北侧靠近河流，造成了极大的施工困难，为了创造施工条件，通过三排桩支护形式搭接工程桩承台拓宽施工道路，故采用了较为特殊的三排桩基坑支护形式。

场地地基土在基坑开挖深度内为杂填土、淤泥或淤泥质土、含淤泥粉细砂、全风化花岗岩、强风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩，基坑底面基本位于含淤泥粉砂层、细砂层。

3.2 有限元分析
本项目由于之前所述的特殊性，根据常规双排桩设计方法进行设计可能存在问题，故设计过程结合有限元分析同步进行。

根据带竖向锚索双排桩支护结构研究的相关结论合理确定入岩深度和锚索预加力锁定值，充分考虑参数具体影响再进行合理确定，最后根据挠曲理论进行验证，确保工程安全。

具体分析过程如下：
（1）计算工况及荷载组合。

分析主要分为三个工况，即三个施工步，具体如下表1所示。

在下表的工况简述中，以基坑顶标高为0.00m，荷载为40kPa。

（2）有限元网格。

整体有限元模型及模型各部分、各施工工况如图5所示，共有45125个单元，8886个节点。

3.3 有限元计算结果
在以下各项计算结果中，仅显示3种不同荷载组合下计算结果的最大值。