H型双排桩支护结构三维数值模拟分析与工程应用*
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]应用岩土工程有限元软件MIDAS/GTS，采用Handening-soil土体本构关系模型结合长沙中青广场深基坑工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错支护结构优势明显. 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
[关键词]基坑；支护；H型双排桩；数值模拟
[中图分类号]TU475 [文献标识码]A [文章编号]1002-8498(2016)07-0070-04
Three-dimensional Numerical Simulation Analysis and Application for Support StructureofH-doublePiles
(School of Mechanics and CasiI Engineering China Unizersity af Mining & Technology (Beijng) Bejing 100083 China)
Abstract : This paper simulated the whole support process of H-double piles posite anchor forfoundation excavation in Changsha Zhongxing Square by applying MIDAS/GTS software and analyzing them Suodns sad alurs soy uosuo uisp Supuaq reaus pue gueds jo ssupo conducted to prove that there are evident advantages of H-double piles in the aspect of horizontaldisplacement and deformation control pared with single piles.
Key words foundation excavation; supports ; H-double piles:; simulation
基坑安全等级为一级.
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、土钉质黏土、中粗砂、圆砾，第四系残积粉质黏土，场地墙、支撑等无法实施的情况，而采用单排悬臂桩又内基岩为第三系泥质粉砂岩.各层岩土物理力学无法满足工程对坑体稳定、周边建筑变形和沉降的参数如表1所示.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大气降水和地表水补给，勘察期间测得钻孔中上层型双排桩支护体系进行数值模拟，同时针对计算结滞水稳定水位理深为0.50-8.50m（相当于标高支护结构合理的参数设计提供依据.
拟建场地内理藏地层有杂填土、第四系冲积粉
要求，H型双排桩支护不失为一种可供选择的方1.2水文条件
上层滞水主要赋存于杂填土中，水量较小，受果分析了H型双排桩的位移、受力和变形特征，为33.890-42.580m）；潜水主要赋存于第四系冲积中 粗砂、圆酶中，略其承压性，地下水丰富，主要受大气降水、地表水和上层地下水补给.
1工程概况
1.1地质情况
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，在严峻，北侧紧邻23层住宅楼与人民西路下卧隧道.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：止水幕采用高压喷射注图1所示. 浆搅拌桩配合支护桩.H型双排桩支护典型剖面如
中青广场深基坑项目位于长沙市人民西路步15.8m，基坑开挖周长约400m.基坑周边环境条件系统，该体系抗弯能力强、侧向位移小，能有效保证 行街旁，拟建3层地下室，设计基坑开挖深度为高层建筑一侧变形敏感区域采用H型双排桩支护
表1土层物理力学参数
Table 1 Physical and mechanical parameters of soil
压缩模量粘聚力内摩擦角 客重 幂指 切线模量 弹性模量 割线模量 加载刚度地层 E /MPa c/kPa /(°) 泊松比 /(kN-m ~2) 数 /MPa / E/MPaQ杂填土 Q粉质黏土 8.00 8.00 10 35 10 20 0.40 0.45 18.7 19.8 0.7 1.0 10. 0 10.5 3.82 2. 02 10.0 10.5 30.0 31.5Q中租 37.50 35.60 2 2 35 40 0.33 0.28 20.5 19.5 0.5 0.5 40.0 29.2 25.00 28.00 40.0 29.2 120.0 87.6Q"残积粉质黏土 6.50 26 16 0.42 19.1 0.7 11.0 2.54 11.0 33.0强风化泥质粉砂岩 94.91 40 28 0.35 21.1 0.5 83.7 60. 00 83.7 251.1
图1H型双排桩支护典型制面
Fig. 1 The typical profile of H-double piles supporting
2有限元模型计算原理与方法
Hardening-soil采用了Mohr-Coulomb破坏准则，计算土体达到破坏时的应力状态，采用Hardening 强度参数为聚力c、内摩擦角.也就是说，当仅soil本构模型与采用Mohr-Coulomb模型计算出的破坏面处的结果是近似相等的.所不同的是，在计算土体变形时Hardening-soil模型能够描述不同应力状态下的模量变化，更真实地反映土体变形的实际情况，这对于对变形敏感的基坑支护设计具有重要 意义.
2.1几何模型建立
方IDMALL（29层），含2层地下室，地下室最低标 模型尺寸长202m、宽144m、高32m，北侧为悦高-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，选取一个平构如图2所示. 均地层进行数值模拟计算.有限元模型及支护结
MIDAS/GTS中Hardening-soil 模型在建模需要输人的主要参数有：①土体强度c，值；②三轴试验切线模量E：④幂指数m值；5卸载再加载刚 时标准围压下割线模量E：③主固结仪加载中的度E.
图2有限元模型Fig. 2Finite element model
参照地质勘察报告，强度参数取为固结快剪试验中的参数.通过换算，各土层参数如表1所示.
2.3模型参数选取
2.2本构模型选择
23层高楼均布荷载，采用空间折减的混凝土材料参 计算模型主体建筑按弹性模型计算，为了计算数，支护桩和H型双排桩采用桩单元模拟，冠梁及钢腰梁等采用弹性梁单元模拟.整个模型竖向
模型最大特点是考虑了非线性模量变化特性的弹 本模型在计算时采用Hardening-soil模型.该塑性模型，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.
边界约束水平位移，下边界约束水平和垂直方向的位移.具体参数及特性如表2所示.
表2支护结构参数
Table 2 Supporting structure parameters
桩名称 E/Pa 治松比 直径/间距/截面视/ m² 扭转常量单桩2.80×100.3 1.2 m 180086580 m双排桩2. 80 ×100.3 1. 01. 50. 785 398 0. 098 17
2.4施工过程模拟
开挖、施加锚杆、施加预应力等.这个过程与实际 有限元可以模拟整个施工过程，包括土层逐步基坑开挖过程一致，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：K0固结一修建周边建筑并且赋予自重位移清零一激活长桩单元并且位移清零一第1步开挖，设 置第1层锚杆一第2步开挖，设置第2层锚杆→第3步开挖，，激活双排桩→开挖到坑底一查看计算结果.
3有限元计算结果与分析
3.1H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2/3处，前者出现的位置与前、后排桩通过冠梁相连 桩的位移曲线呈现2处拐点，分别在桩理深1/3和位置相符：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”.
3.2H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
图3H型双排桩水平位移曲线
Fig. 3 Horizontal displacement curves of H-typedouble-row pile
图4H型双排桩剪力分布曲线Fig. 4 Shear force distribution curves of H-type ad nou-gnop
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.
3.3H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-620kNm，在理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45kNm：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.
3.4H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
是研究支护结构的有效手段.
小，侧向刚度大，有效地保证紧邻高层建筑的变形. 2）H型双排桩支护系统稳定，对周围环境影响
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.
锚结构和门架式双排支护结构的特点，又有自己的 4）综合来看，H型双排桩支护体系既有单排桩特性，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，对基坑工程具有一定的使用价值. 支护临近高层建筑这类对位移及沉降要求较高的
图5H型双排桩弯矩分布曲线
Fig. 5 Bending moment distribution curves of H-typedouble-row pile
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.
参考文献：
[1]中国建筑科学研究院.建筑基坑支护技术规程：JGJI20-[2]建设部综合期查设计院.岩土工程勘察规范：GB50021- 2012[S].北京;中国建筑工业出版社 2012.2011[S].北京：中国建筑工业出版社 2011.[3]中国建筑科学研究院.建筑地基基础设计规范：GB50007- 2011 [S]. 北京;中国建筑工业出版社 2011.[4］王继晟，熊传祥.H型抗滑恢工作性状有限元分析[J].土工[5]钱明.双排混凝土箱注桩基坑支护的数值模拟分析[J].岩土 基确 2014 28(1) ;53-57.工程学报 2014 36(82) ;136-139 [6］段政彬，马石城，印长俊.H型双排桩复合错杆支护结构分析 [J].湖南文理学院学报(白然科学航) 2014 26(3);55-58.[7]周零英，刘作秋，尚伟，等.门架式双排桩抗滑桩设计计算新 根式[J] 岩土力学 2005 26(3);441-444 [8]杨波，郑额人，赵尚毅，等.双排抗滑桩在三种典型滑坡的计算与受力规律分析[J].岩土力学 2010 31(S1);237-244
4结语
中青广场敏感区域H型双排桩支护结构进行数值 通过运用有限元模拟软件MIDAS/GTS对长沙模拟计算，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
海绵城市专项规划10月底前完成
海绵城市专项规划草案编制工作，按程序进行报批.批准后，由城市人民政府予以公布.
住房和城乡建设部日前印发海绵城市专项规总体规划时，应将雨水年径流总量控制率纳人城市划编制暂行规定，要求各地设市城市10月底前完成总体规划，将海绵城市专项规划中提出的自然生态空间格局作为城市总体规划空间开发管制要素之一.编制或修改控制性详细规划时，应参考海绵城市专项规划中确定的南水年径流总量控制率等要 求，并根据实际情况，落实南水年径流总量控制率等指标.编制或修改城市道路、绿地、水系统、排水防涝等专项规划，应与海绵城市专项规划充分衔接.
根据暂行规定，编制海绵城市专项规划，应坚持保护优先、生态为本、自然循环、因地制宜、统筹推进的原则，最大限度地减小城市开发建设对自然和生态环境的影响.规划范围原则上应与城市规划区一致，同时兼顾南水汇水区和山、水、林、田、湖 等自然生态要素的完整性.要依据海绵城市建设目标，因地制宜确定海绵城市建设的实施路径.老城区以问题为导向，重点解决城市内涝、雨水收集利用、黑臭水体治理等问题；城市新区、各类园区、 成片开发区以目标为导向，优先保护自然生态本底，合理控制开发强度.
近期建设重点区域的建设方案、滚动规划和年度建 各城市在海绵城市专项规划的指导下，要缩制设计划.在评估各类场地建设和改造可行性基础上，建设方案对居住区、道路与广场、公园与绿地以及内涝积水和水体黑臭治理、河湖水系生态修复等基础设施提出海绵城市建设任务.
（摘自“中国建设报“2016-03-24）
海绵城市专项规划经批准后，编制或修改城市
