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双排桩支护结构土压力数值模拟摘要：双排桩支护结构是一种新的深基坑支护形式，在进行双排桩支护结构设计时，土压力的取值正确与否对支护体系设计是否合理起着决定作用，为了更准确的进行双排桩支护结构的设计必须了解作用在桩上的土压力的分布情况，本文利用岩土工程分析软件FLAC3D，运用数值模拟方法研究了双排桩土压力的分布情况，得出前排桩桩前土压力大致呈S形分布，其值比较接近于静止土压力；前排桩桩后土压力大致与静止土压力一致，基坑开挖面以上小于静止土压力，大于朗肯主动土压力，以下大于静止土压力；后排桩桩前土压力大致呈线性分布并大致与静止土压力一致，在基坑开挖面以上小于静止土压力，以下大于静止土压力；后排桩桩后土压力较接近静止土压力，大于朗肯主动土压力，在基坑开挖面以上小于静止土压力，以下有大于静止土压力的部分；桩间土对前后排桩桩侧的土压力大致相等。在此基础上并考虑了排距的影响，得出双排桩的排距有合理的排距范围。关键词：双排桩；有限差分；土压力；数值模拟中图分类号：TU47文献标识码：ANumericalsimulationonsoilpressureofdouble-rowpileretainingstructuresNIUShuangjian1,YANGDafang2,MAHuan1(1.SchoolofArchitecture&CivilEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221008,China;2.SchoolofCivilEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454003,China)Abstract:Double-rowpilesupportingstructureisanewformofdeepfoundationditchsupport,inthisdesign,thecorrectnessofthevalueofsoilpressureonthepileplaysacriticalroleinsupportingsystemdesign,inordertomoreaccuratelytodesignthisstructure,wemustknowaboutthesoilpressuredistributionofthedouble-rowpile,thispaperusingthegeneralinternationalgeotechnicalengineeringanalysissoftwareFLAC3D,throughnumericalsimulationmethods,studysoilpressuredistributionofthedouble-rowpile,cometotheconclusionthatthesoilpressurebeforeformerrowpilewasroughlyS-shapeddistribution,itsvaluewasclosetothestaticsoilpressure;thesoilpressurebehindformerrowpliewasconsistentwiththestaticsoilpressure,upwardoftheexcavationoffoundationditchwaslessthanthestaticsoilpressure,andgreaterthantheRankinesoilpressure,undersideoftheexcavationoffoundationditchwasgreaterthanthestaticsoilpressure;thesoilpressurebeforerearrowpilewasroughlylineardistributionandconsistentwiththestaticsoilpressure,upwardoftheexcavationoffoundationditchwaslessthanthestaticsoilpressure,undersideoftheexcavationoffoundationditchwasgreaterthanthestaticsoilpressure;thesoilpressurebehindrearrowpilewasclosetothestaticsoilpressure,andgreaterthantheRankineactivesoilpressure,intheexcavationoffoundationditchwasmorethantnestaticsoilpressure,undersideoftheexcavationoffoundationditchwasgreaterthanthestaticsoilpressureinpartofpile,thepressureofthesoilbetweenrowsonpilesidewasroughlyequal.Onthisbasisandtakingintoaccounttheimpactofthearraypitch,wecanconcludedthatthearraypitchofdouble-rowpilehaveareasonabledistancerange.Keywards:double-rowpile,finitedifference,soilpressure,numericalsimulation0引言1收稿日期：2008-03-03作者简介：牛双建（1983-），男，河南省开封市人，硕士研究生，研究方向：深基坑支护，E-mail：sjniu2006@163.com。高层建筑的蓬勃发展，使深基坑支护新技术不断涌现，双排支护柱形式便是其中之一。双排桩支护形式在一定环境和施工条件下，具有侧向刚度大、能有效限制侧向变形、整体稳定性好、便于挖土和缩短工期等优点[1]，与单排桩相比受力更加合理但也更复杂。目前，对双排桩的研究一般多集中在对桩顶侧移、桩身内力方面[2-6]，很少有文献研究双排桩土压力的分布。由于土压力的取值直接影响桩身的设计，因此，研究双排桩所受土压力分布有重要的工程实际意义。笔者利用岩土工程分析软件FLAC3D建立三维双排桩有限元模型，对双排桩所受土压力进行了分析。1有限元模型1.1基本假设（1）忽略基坑开挖和地下水对土体性质的影响。（2）土体为单一土层，且均质、连续。（3）基坑开挖时，假设地下水已降至设计标高。（4）为了与实际相一致，桩底不加任何约束条件，自然嵌固。（5）基坑顶面没有超载作用。1.2工程概况该基坑长50m，宽24m，基坑开挖深度8m，分两次开挖，第一次开挖3m，第二次开挖至基坑设计标高。基坑土体采用单一土层，为黏性土，密度ρ为1560kg/m3，弹性模量E为65MPa，波松比μ为0.3，粘聚力c为30kPa，内摩擦角φ为16.1°。采用双排桩支护结构支护，前后两排桩桩长相等均为18m，嵌固深度均为10m，同一排桩间距取为1.8m，排距取为2.5d（1.5m）。采用预制混凝土方桩，在模拟过程中为了考虑桩的挤土效应，在地应力平衡的时候先把桩土当成弹性同一种材料进行地应力平衡，之后再改变桩和土的材料属性与参数进行重新地应力平衡。桩的截面尺寸为b×h=0.6m×0.6m，E=2.5×104MPa，μ=0.2，桩的密度ρ为2500kg/m3；桩顶连梁截面尺寸b×h=0.6m×0.5m，间距为1.8m，模型计算参数取值与混凝土桩一致，连梁与前后排桩节点采用刚结连接。1.3有限元模型有限元模型的x轴方向尺寸：基坑宽度一半12m，基坑外边界取4倍基坑计算宽度，其宽度为48m，总长为60m；y轴方向尺寸取一排桩的宽度，为0.6m；z轴方向尺寸：基坑开挖8m，基底以下取5倍基坑开挖深度为40m，总长为48m。1.4材料本构模型混凝土方桩及连梁采用各向同性弹性模型，该模型在FLAC3D中需要输入体积模量K、剪切模量G等参数；土体采用摩尔—库仑模型，该模型在FLAC3D中需要输入K、G、c、φ等参数。参数K、G分别由E/3(1-μ)、E/2(1+μ)计算得出。基坑开挖土体采用零模型（Null），零模型区域的应力被设置为零，在FLAC3D可以很好地进行开挖、回填之类的模拟[7]。桩与土之间设置接触面，可以做相对滑动，接触面的法向和切向刚度均取土体弹性模量的10倍，接触面有足够的强度传递法向应力。2土压力分析2.1前排桩桩前被动土压力前排桩桩前被动土压力如图1所示。由图1可知，其值分布大致呈S形分布，最大值出现在距基坑底2m处[8]，其值超过了被动土压力值，大部分土压力值比较接近于静止土压力值。因此，在双排桩支护结构内力计算时，建议前排桩桩前被动土压力取被动土压力值。-18-15-12-9-6-30-200-1000土压力值（mpa）桩长（m）静止土压力朗肯被动土压力双排桩图1前排桩桩前被动土压力Fig.1Passivesoilpressurebeforeformerrowpile2.2前排桩桩后主动土压力前排桩桩后主动土压力如图2所示。由图2可知，其值大致与静止土压力值分布一致，在基坑开挖面以上其值小于静止土压力值，大于朗肯主动土压力值，在基坑开挖面以下其值大于静止土压力值。因此在进行双排桩支护结构内力计算时，建议前排桩桩后主动土压力取值在基坑开挖面以上取静止土压力值，在基坑开挖面以下取静止土压力值乘以一个大于1的系数或者朗肯被动土压力值的一个折减值，折减系数的取值可参考相关文献[9-10]。2.3后排桩桩前被动土压力后排桩桩前被动土压力如图3所示。由图3可知，其值大致呈线性分布，大致与静止土压力值分布一致。在基坑开挖面以上其值小于静止土压力，在基坑开挖面以下大于静止土压力值，全段分布均远小于被动土压力值；因此在进行双排桩支护结构内力计算时，建议后排桩桩前被动土压力取朗肯被动土压力值的折减值。-18-15-12-9-6-30-200-1000土压力值（mpa）桩长（m）静止土压力朗肯主动土压力双排桩图2前排桩桩后主动土压力Fig.2Activesoilpressurebehindformerrowpile-18-15-12-9-6-30-200-1000土压力值（mpa）桩长（m）静止土压力朗肯被动土压力双排桩图3后排桩桩前被动土压力Fig.3Passivesoilpressurebeforerearrowpile2.4后排桩桩后被动土压力后排桩桩后主动土压力如图4所示。由图4可知，后排桩桩后土压力比较接近静止土压力分布，大于朗肯主动土压力，在基坑开挖面以上小于静止土压力；在基坑开挖面以下有大于静止土压力的分布部分，因此在进行双排桩支护结构内力计算时，建议后排桩桩后主动土压力取值在基坑开挖面以上取静止土压力-18-15-12-9-6-30-200-1000土压力值（mpa）桩长（m）静止土压力朗肯主动土压力双排桩图4后排桩桩后主动土压力Fig.4Activesoilpressurebehindrearrowpile值，在基坑开挖面以下取静止土压力值乘以一个大于1的系数，适当扩大其值。2.5桩间土对前后排桩的土压力桩间土对前后排桩的土压力值如图5所示。由图5可知，桩间土对前后排桩侧的土压力值大致相等，这进一步说明双排桩支护中桩和桩间土是一个整体，前后排桩在桩顶连梁的作用下变形的一致性，同时也说明在利用平面刚架或者改进的平面刚架进行双排桩支护结构分析时，可以将桩间土视为薄压缩层，利用弹簧将前后排桩连接起来的方法进行桩身内力分析。-18-15-12-9-6-30-200-1000土压力值（mpa）桩长（m）前排桩后侧后排桩前侧图5桩间土对前后排桩的土压力Fig.5Soilpressureaffectedbysoilindouble-rowpile3排距对土压力的影响为了研究排距对双排桩土压力分布规律的影响，分别分析1.5、2.5、3.0、3.5