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摘 要本文针对高低双排桩支护结构，采用有限元软件ABAQUS，建立考虑桩土相互作用的平面有限元模型，土体采用修正剑桥模型，可以计算桩身任意一点的侧向变形、弯矩以及作用在桩身的土压力。文章分析了基坑开挖时开挖深度、宽度、双排桩排距、桩身刚度、土体性质等因素对双排桩挡土性状的影响。
关键词： 高低双排桩 支护结构 土压力 桩土相互作用 有限元
中图分类号：TU3文献标识码： A 文章编号：
1 前言
双排桩支护结构作为一种有效的基坑支护结构，利用了“空间效应”，具有较大的侧向刚度，可以有效地限制支护结构的变形；其支护深度比一般支护结构深，同时有缩短施工工期、施工方便、不设置支撑、受力条件和整体稳定性好以及节约造价等优点，因而逐渐成为深基坑支护结构的优选方案之一，尤其是在软土地区得到了更为广泛的应用。
根据目前深基坑双排桩支护结构的研究现状和工程的实际需要，从理论和实用两个角度出发，本文主要完成了以下几方面的工作：
（1）探讨了高低双排桩支护结构在基坑开挖过程中的内力、变形和土压力变化情况。
（2）分析了双排桩支护结构的工程实例，验证了本文方法的合理性和适用性。
2 理论分析
2.1基本思路
有限元法是建立在现代计算机技术和工程问题基本理论基础上，用于解决复杂工程问题的一种数值方法。本章将介绍有限元软件ABAQUS模拟的基本过程，并且运用它建立高低双排桩支护结构的有限元模型，考虑了支护结构与土体的相互作用。基本假设：
（1）不考虑支护结构开挖和降水对土体性质的影响；
（2）不考虑土的流变影响；
（3）基坑开挖属于临时性工程，工期较短，故土体按不排水条件考虑。
本文分析了多个算例，以下具体说明其中一个典型的算例作为基本算例，并进行详细分析，其他算例与该算例相似，不再赘述。
2.2计算模型
基坑长120m，宽40m，开挖深度8m，采用双排桩支护结构，前、后排桩入土深度相同，均在基坑底面以下12m，但前、后排桩高度不同。基坑分为三步开挖，依次开挖2m、2m、4m，前排桩顶端与第一步开挖后标高相同，即桩长为18m。前、后排距2m，桩为混凝土钻孔灌注桩，截面尺寸为0.8m×0.8m，桩的弹性模量E=3×104MPa，泊松比μ=0.2，重度γ=25kN/m3。连系梁截面尺寸b×h=0.8m×0.8m，连系梁两端与前、后排桩固定连接，连系梁的弹性模量E=3×104MPa，坑内在基坑开挖前水位降至坑底处。不考虑地面超载作用，基坑外超载可以通过增加一定深度的土层的方法来模拟。
土体采用修正剑橋模型，计算参数如表2-1、表2-2所示。
表2-1
表2-2
基坑呈长方形，按平面应力问题考虑，利用对称性进行分析， 1轴为宽度方向，2轴为深度方向。当开挖宽度方向为2L=40m时，基坑计算域取至距后排桩水平距离为30m，至桩底竖向距离为30m。ABAQUS自动划分有限元网格，对基坑周围土体的网格单元加密，远离基坑的土体网格逐渐增大。模型的边界条件：考虑模型四周与相邻的土体间有一定的约束关系，模型的边界条件如下：沿轴1方向，对模型左右两面边界加1方向上的水平约束；沿轴2方向，对模型左右两面边界加2方向上的竖向约束。
模型中，土体采用四边形四节点平面应变单元CPE4；连系梁和桩假定为弹性单元，采用四边形四节点平面应变单元中的非协调单元CPE4I，它能够很好的模拟弯曲变形。
本文基于ABAQUS采用接触面定义支护结构与土接触面时，在接触面切线方向主要根据罚函数方法求解接触面的接触问题，考虑桩和土可能发生的滑移。而接触面法线方向采用硬接触，即假设接触面间能传递无限大的压力而不能传递任何拉力。
图2-1 有限元计算模型
2.3 基坑开挖模拟
为了在深基坑工程中真实地反映应力和变形，必须考虑到深基坑工程中开挖的逐次性、途径依赖性和非线性。那种把深基坑工程看作是一次建成并据此来计算应力和变形的方法不可能产生好的计算分析结果，实际上也是错误的。因此，对深基坑开挖的施工过程能否正确地模拟，对于最终的计算结果有很大的影响。按实际开挖情况，本模型分析需设置以下几个分析步骤：
1. 初始自重应力场的建立
在工程实际中，基坑开挖是土体在自重和地面超载作用下的固结沉降已经完成后再进行的。在有限元程序中，构建初始自重应力场的目的就是为了模拟在自重作用下固结沉降已经完成的原状土，作为后续开挖步的初始状态。ABAQUS分析第一步就是建立地应力平衡，成功的地应力平衡即建立了初始自重应力场。具体实现为：给土体单元施加重力荷载，并指定单元在自重作用下的有效应力场，ABAQUS通过迭代平衡找到一种与上述荷载和边界条件平衡的应力状态，当土体的变形控制在大约10-4~10-5m数量级时，此时的应力状态可作为初始自重应力场，成为基坑开挖的初始状态。
2. 开挖模拟
建立了土体的初始应力场以后，ABAQUS中具有移除或恢复单元和接触对的功能，可以很方便的模拟模型中某一部分的改变。在移除步骤以前，ABAQUS存储被移除区域对模型剩余部分的力；在移除步骤中，这些力将逐渐降为零；所以，移除区域对剩余部分的影响直到移除步骤结束才完全消除。这就保证了单元移除对模型产生比较平稳的影响，有效地模拟了土体的开挖。
3 工程实例
南京夫子庙地下商业街二期工程（展销厅），建筑面积2200m，基坑开挖深度为6.3米，基坑边缘与周围建筑相距4～7m，并且建筑场地位于秦淮河古河道，地质条件很差，基坑支护设计方案选用双排静压桩。具体为：单桩截面500mm×500mm，桩长12.5m，前、后排桩排距为2.5m，同排桩间距为500mm，桩顶设置450mm厚钢筋混凝土盖梁。局部采用钻孔灌注桩。
表3-1
与基坑支护设计相关的土层如下:
1层杂填土，主要由砖瓦、碎块、生活垃圾构成，松散碎块含量可达50％，其顶部为混凝土路面，厚0.25～0.80m，层厚1.20～2.50m。
2层淤泥质杂填土，软塑～流塑状态，饱和，高压缩性，含有机质成分较高，淤质臭味，砖瓦碎块含量在5％左右，与上覆土层呈过渡关系。层后0～2.05m。
3层淤泥质土，软塑～流塑，饱和，高压缩性，工程特性差。
4层粉质粘土，可塑～硬塑，工程特性较好。
为了解双排桩的工作状态，在该工程西段中部设置了试验测试段，主要测试内容是桩侧土压力和桩内钢筋应力量测.
汇总基坑开挖至6.3m，前、后排桩的土压力如表3-1所示。
表3-1
3.2 计算结果分析
采用平面有限元法模拟了基坑分步开挖过程，该基坑工程的有限元计算中，桩和连系梁采用线弹性模型，土体的本构模型采用修正剑桥模型，由于在工程实例中部分土层参数并未给出，参照其他工程实例类似土层参数进行计算。通过有限元计算可绘制出前、后排桩的土压力图，如图3-2所示。
图3-2 前、后排桩桩背土压力
将有限元软件计算结构与实测数据进行对比，前、后排桩桩背土压力以及前排桩桩前土压力与实测数据相差不大，而后排桩桩前土压力与实测数据相差很大，这主要是因为连梁与桩身的结点按刚性结点来考虑，而在实际中其受力状态介于刚性结点和铰接结点之间，另外，实际情况的复杂性和偶然性是有限元模型无法考虑周全的。同时，由于部分土层参数的选取与真实情况可能存在差异，而且分层土土压力比均质土层土压力分布更加复杂，也是造成数据差异的原因。
4 结语
目前，双排桩支护结构已经在一些地区采用并取得成功，对双排桩的受力和变形理论虽然进行了一些研究，但是还不够完善。尤其实在沿海软土地区，在基坑支护的同时，往往要求对土体进行地基处理，如何经济合理地将地基处理与双排桩支护结构相结合以达到更好的支护效果，仍然需要深入的研究。
同时，深基坑本身是一个三维空间结构，因而其支护结构的受力分析及设计也是一个复杂的三维空间问题。目前对深基坑支护问题常常忽略了空间效应带来的影响，而空间效应对支护结构上作用的土压力有很大影响，这是在今后研究中需要重视的问题。
对双排桩支护结构所作的分析计算大多集中在桩身受力与桩身侧向变形上，而对基坑内土体的隆起，桩背侧土体的下线却很少关心，而这些被忽视的问题常常会对临近建筑物及地下管线造成不利影响，这些问题的存在也要求我们对基坑支护结构体系进行更加深入全面的研究。
参考文献
[1]张富军，双排桩支护结构研究，[硕士学位论文]，成都：西南交通大学，2004
[2]平扬，白世伟，深基坑双排桩空间协同计算理论及位移反分析[J]，土木工程学报，2001
[3]刘钊，双排支护桩结构的分析及试验研究，岩土工程学报，1993，14（5）：76~80
关键词： 高低双排桩 支护结构 土压力 桩土相互作用 有限元
中图分类号：TU3文献标识码： A 文章编号：
1 前言
双排桩支护结构作为一种有效的基坑支护结构，利用了“空间效应”，具有较大的侧向刚度，可以有效地限制支护结构的变形；其支护深度比一般支护结构深，同时有缩短施工工期、施工方便、不设置支撑、受力条件和整体稳定性好以及节约造价等优点，因而逐渐成为深基坑支护结构的优选方案之一，尤其是在软土地区得到了更为广泛的应用。
根据目前深基坑双排桩支护结构的研究现状和工程的实际需要，从理论和实用两个角度出发，本文主要完成了以下几方面的工作：
（1）探讨了高低双排桩支护结构在基坑开挖过程中的内力、变形和土压力变化情况。
（2）分析了双排桩支护结构的工程实例，验证了本文方法的合理性和适用性。
2 理论分析
2.1基本思路
有限元法是建立在现代计算机技术和工程问题基本理论基础上，用于解决复杂工程问题的一种数值方法。本章将介绍有限元软件ABAQUS模拟的基本过程，并且运用它建立高低双排桩支护结构的有限元模型，考虑了支护结构与土体的相互作用。基本假设：
（1）不考虑支护结构开挖和降水对土体性质的影响；
（2）不考虑土的流变影响；
（3）基坑开挖属于临时性工程，工期较短，故土体按不排水条件考虑。
本文分析了多个算例，以下具体说明其中一个典型的算例作为基本算例，并进行详细分析，其他算例与该算例相似，不再赘述。
2.2计算模型
基坑长120m，宽40m，开挖深度8m，采用双排桩支护结构，前、后排桩入土深度相同，均在基坑底面以下12m，但前、后排桩高度不同。基坑分为三步开挖，依次开挖2m、2m、4m，前排桩顶端与第一步开挖后标高相同，即桩长为18m。前、后排距2m，桩为混凝土钻孔灌注桩，截面尺寸为0.8m×0.8m，桩的弹性模量E=3×104MPa，泊松比μ=0.2，重度γ=25kN/m3。连系梁截面尺寸b×h=0.8m×0.8m，连系梁两端与前、后排桩固定连接，连系梁的弹性模量E=3×104MPa，坑内在基坑开挖前水位降至坑底处。不考虑地面超载作用，基坑外超载可以通过增加一定深度的土层的方法来模拟。
土体采用修正剑橋模型，计算参数如表2-1、表2-2所示。
表2-1
表2-2
基坑呈长方形，按平面应力问题考虑，利用对称性进行分析， 1轴为宽度方向，2轴为深度方向。当开挖宽度方向为2L=40m时，基坑计算域取至距后排桩水平距离为30m，至桩底竖向距离为30m。ABAQUS自动划分有限元网格，对基坑周围土体的网格单元加密，远离基坑的土体网格逐渐增大。模型的边界条件：考虑模型四周与相邻的土体间有一定的约束关系，模型的边界条件如下：沿轴1方向，对模型左右两面边界加1方向上的水平约束；沿轴2方向，对模型左右两面边界加2方向上的竖向约束。
模型中，土体采用四边形四节点平面应变单元CPE4；连系梁和桩假定为弹性单元，采用四边形四节点平面应变单元中的非协调单元CPE4I，它能够很好的模拟弯曲变形。
本文基于ABAQUS采用接触面定义支护结构与土接触面时，在接触面切线方向主要根据罚函数方法求解接触面的接触问题，考虑桩和土可能发生的滑移。而接触面法线方向采用硬接触，即假设接触面间能传递无限大的压力而不能传递任何拉力。
图2-1 有限元计算模型
2.3 基坑开挖模拟
为了在深基坑工程中真实地反映应力和变形，必须考虑到深基坑工程中开挖的逐次性、途径依赖性和非线性。那种把深基坑工程看作是一次建成并据此来计算应力和变形的方法不可能产生好的计算分析结果，实际上也是错误的。因此，对深基坑开挖的施工过程能否正确地模拟，对于最终的计算结果有很大的影响。按实际开挖情况，本模型分析需设置以下几个分析步骤：
1. 初始自重应力场的建立
在工程实际中，基坑开挖是土体在自重和地面超载作用下的固结沉降已经完成后再进行的。在有限元程序中，构建初始自重应力场的目的就是为了模拟在自重作用下固结沉降已经完成的原状土，作为后续开挖步的初始状态。ABAQUS分析第一步就是建立地应力平衡，成功的地应力平衡即建立了初始自重应力场。具体实现为：给土体单元施加重力荷载，并指定单元在自重作用下的有效应力场，ABAQUS通过迭代平衡找到一种与上述荷载和边界条件平衡的应力状态，当土体的变形控制在大约10-4~10-5m数量级时，此时的应力状态可作为初始自重应力场，成为基坑开挖的初始状态。
2. 开挖模拟
建立了土体的初始应力场以后，ABAQUS中具有移除或恢复单元和接触对的功能，可以很方便的模拟模型中某一部分的改变。在移除步骤以前，ABAQUS存储被移除区域对模型剩余部分的力；在移除步骤中，这些力将逐渐降为零；所以，移除区域对剩余部分的影响直到移除步骤结束才完全消除。这就保证了单元移除对模型产生比较平稳的影响，有效地模拟了土体的开挖。
3 工程实例
南京夫子庙地下商业街二期工程（展销厅），建筑面积2200m，基坑开挖深度为6.3米，基坑边缘与周围建筑相距4～7m，并且建筑场地位于秦淮河古河道，地质条件很差，基坑支护设计方案选用双排静压桩。具体为：单桩截面500mm×500mm，桩长12.5m，前、后排桩排距为2.5m，同排桩间距为500mm，桩顶设置450mm厚钢筋混凝土盖梁。局部采用钻孔灌注桩。
表3-1
与基坑支护设计相关的土层如下:
1层杂填土，主要由砖瓦、碎块、生活垃圾构成，松散碎块含量可达50％，其顶部为混凝土路面，厚0.25～0.80m，层厚1.20～2.50m。
2层淤泥质杂填土，软塑～流塑状态，饱和，高压缩性，含有机质成分较高，淤质臭味，砖瓦碎块含量在5％左右，与上覆土层呈过渡关系。层后0～2.05m。
3层淤泥质土，软塑～流塑，饱和，高压缩性，工程特性差。
4层粉质粘土，可塑～硬塑，工程特性较好。
为了解双排桩的工作状态，在该工程西段中部设置了试验测试段，主要测试内容是桩侧土压力和桩内钢筋应力量测.
汇总基坑开挖至6.3m，前、后排桩的土压力如表3-1所示。
表3-1
3.2 计算结果分析
采用平面有限元法模拟了基坑分步开挖过程，该基坑工程的有限元计算中，桩和连系梁采用线弹性模型，土体的本构模型采用修正剑桥模型，由于在工程实例中部分土层参数并未给出，参照其他工程实例类似土层参数进行计算。通过有限元计算可绘制出前、后排桩的土压力图，如图3-2所示。
图3-2 前、后排桩桩背土压力
将有限元软件计算结构与实测数据进行对比，前、后排桩桩背土压力以及前排桩桩前土压力与实测数据相差不大，而后排桩桩前土压力与实测数据相差很大，这主要是因为连梁与桩身的结点按刚性结点来考虑，而在实际中其受力状态介于刚性结点和铰接结点之间，另外，实际情况的复杂性和偶然性是有限元模型无法考虑周全的。同时，由于部分土层参数的选取与真实情况可能存在差异，而且分层土土压力比均质土层土压力分布更加复杂，也是造成数据差异的原因。
4 结语
目前，双排桩支护结构已经在一些地区采用并取得成功，对双排桩的受力和变形理论虽然进行了一些研究，但是还不够完善。尤其实在沿海软土地区，在基坑支护的同时，往往要求对土体进行地基处理，如何经济合理地将地基处理与双排桩支护结构相结合以达到更好的支护效果，仍然需要深入的研究。
同时，深基坑本身是一个三维空间结构，因而其支护结构的受力分析及设计也是一个复杂的三维空间问题。目前对深基坑支护问题常常忽略了空间效应带来的影响，而空间效应对支护结构上作用的土压力有很大影响，这是在今后研究中需要重视的问题。
对双排桩支护结构所作的分析计算大多集中在桩身受力与桩身侧向变形上，而对基坑内土体的隆起，桩背侧土体的下线却很少关心，而这些被忽视的问题常常会对临近建筑物及地下管线造成不利影响，这些问题的存在也要求我们对基坑支护结构体系进行更加深入全面的研究。
参考文献
[1]张富军，双排桩支护结构研究，[硕士学位论文]，成都：西南交通大学，2004
[2]平扬，白世伟，深基坑双排桩空间协同计算理论及位移反分析[J]，土木工程学报，2001
[3]刘钊，双排支护桩结构的分析及试验研究，岩土工程学报，1993，14（5）：76~80