广州市公用事业规划设计院有限责任公司
摘要：基坑双排桩支护结构体系具有侧向刚度大、抗倾覆能力强、施工方便、对周边环境影响较小等优点，比较适合于变形控制要求严格、土质条件较差的基坑工程中，是今后基坑工程中非常具有潜力的支护形式之一。然而，由于基坑双排桩支护结构体系的受力及变形机理非常复杂，其计算理论的研究还尚未成熟，从而严重阻碍了基坑双排桩支护体系的发展。本文从桩间土等效代换的问题出发，对基坑双排桩支护结构的计算方法，以及基坑双排桩支护结构的受力和变形特性做了进一步的研究工作。
关键词：深基坑；双排桩；支护结构；计算方法
引言
近年来，随着城市地下空间开发的不断深入，地下建、构筑物所处的各类环境越来越复杂。一方面考虑到打锚索会对周边地下建、构筑物的正常使用产生较大影响，很多城市已经开始限制普通预应力锚索的使用；另一方面在避让周围地下建、构筑物时，锚索自身的受力性能、可靠性及经济性都受到很大的影响，从而导致传统的粧锚式支护结构体系应用受到较大的限制。然而，双排桩支护与悬臂式单排桩相比，它具有更大的侧向刚度，受力性能及控制变形能力更强；与单排粧锚式支护体系相比，对周边环境的影响较小，很大程度上可以避免超红线或避让地下建构筑物的问题；而与内支撑式基坑支护体系相比，其施工更加方便快捷，对主体结构施工进度影响较小，且对场地条件没有太多的要求，故越来越受到学者们和工程技术人员的重视。
1.国家规范中双排桩计算方法
1.1双排桩平面刚架计算模型
目前国家规范中双排桩结构按平面刚架模型进行计算，如图1-1（a）所示。从图1-1（a）中可见，桩端设置了竖向弹簧约束。根据规范中的条文说明，双排桩刚架结构在水平荷载作用下，桩的内力除弯矩、剪力外，轴力不容忽视。前排桩的轴力为压力，后排桩的轴力为拉力。因此前后排桩出现不同方向的竖向位移，正如普通刚架结构对相邻柱间的沉降差非常敏感一样，双排桩刚架结构前、后排桩沉降差对结构的内力、变形影响很大。因为规范中未明确桩端竖向弹簧的计算方法，而一般情况下桩端进去坚硬土层，且桩与土之间存在摩阻力，相对位移较小，所以计算中可将桩端坚向弹簧改为竖向连杆，即认为双排桩前、后排桩的沉降差为零，简化后的双排桩计算模型实质上与商用软件理正深基坑的计算模型相同，如图1-1（b）所示。
（a）规范模型（b）简化模型
图1-1双排桩平面刚架模型
1.2规范方法应用中存在的问题分析
根据以上两个算例的结果分析，目前规范双排桩计算模型主要存在两方面问题，一是软地基下后排桩底部位移踢脚，二是把双排桩桩间土简化为等值的压缩弹簧不够合理。规范方法将桩间土假定为受侧限的土体薄压缩层，水平刚度系数按压缩模量与桩间土宽度的比值确定。这种方法最早出现在郑刚的双排桩计算模型中，该模型是通过桩间压缩弹簧在前后排桩之间起到传递土压力的作用。而规范的双排桩模型则假定桩间土对前后排桩存在初始土压力，实际上仍然是对前后排桩受到的土压力按比例系数法进行分配，然后用桩间压缩弹簧对前后排桩起到协调变形的作用。在土压力分布模式上，规范模型中前后排桩上的土压力分布如图3-3所示，后排桩受到的外侧土压力与桩间土初始土压力的合力呈三角形分布，在开挖面以下，后排桩受到的土压力随着深度的增加呈线性增长，而作为后排桩约束的桩间土弹簧的刚度为一常量，算例一中当后排桩嵌固深度增加时，后排桩底部反而会出现大于顶部的水平位移，且当土层为均一软土层时，由于土体的压缩模量较小，而后排桩受到的土压力较大，所以此时后排桩底部水平位移大于顶部的不合理现象被放大。另一方面，从算例二分析可知，采用规范方法计算时，随着双排桩排距增大，前排桩分担的土压力越来越大，后排桩分担的土压力则越来越小，但桩间土弹簧刚度也随之变小，总体上排距增大对双排桩的位移和弯矩影响不大，因此实际应用中较多只能通过提高桩间土的压缩模量以达到减小位移的目的，而对于软土，采用规范方法则不大理想，整体位移偏大。由有限元计算结果分析可知，随着排距增大，前、后排桩的位移和弯矩随之减小，效果较明显，这是因为有限元能通过接触单元考虑桩与土之间的相互作用，特别是桩间土对支护结构变形的抵抗作用不能忽视。综上所述，如何考虑前后排桩的土压力分布和桩间土的简化是双排桩计算的关键问题。
2.新土压力计算方法
现行规范中，双排桩前、后排桩的土压力分布模式是基于前、后排桩等长和矩形布桩时确立的，对于其他布桩方式，如梅花式布桩，前密后疏或前、后排桩不等长的情况，规范中并未明确土压力的计算方式。为此，本文提出一种新的土压力计算方法，尝试解决双排桩前、后排桩非常规布桩的土压力计算。基坑开挖前，支护结构在静止土压力作用下处于平衡状态。基坑开挖后，支护结构受到荷载释放而引起的附加应力作用。开挖面以上，由于土体侧向变形量较大，土压力仍然按极限平衡条件考虑，采用朗肯主动土压力方法计算；开挖面以下，土体侧向变形量较小，可根据地基附加应力的原理，认为桩端底部受到水平附加作用力最大不会超过弹性解q/2（q为挖掉土体的压力），为保证支护结构受到的土压力是连续的，假设开挖面位置的土压力沿基坑底部以下深度减小或增加至q/2，新土压力模式沿支护结构长度分布如图2-1所示。
图2-1新土压力分布模式
3.双排桩计算模型的改进
针对规范中双排桩计算方法存在的问题和未能考虑的工况，在平面刚架模型的基础上，提出一种新的双排桩内力和变形计算方法，计算模型如图3-1所示。基坑外侧的土压力采用新土压力计算方法进行计算，并按现行规范方法进行前后排桩的土压力分配，基坑内侧被动土压力则仍然按弹性地基梁的方法计算。在桩间土的简化上，目前规范模型仅将桩间土简化为连接前、后排桩的水平向土弹簧，大大弱化了桩间土的作用。为此，本文建立的计算模型通过两方面对桩间土简化问题进行改进：一是通过考虑土柱的等效刚度，增大对双排桩结构整体的抗侧弯能力；二是对桩间土弹簧刚度的计算方法进行改进。首先，在计算模型前后排桩中间加入第三排虚拟的土柱桩，刚度大小E3I3为整体刚度与前后排桩刚度的差值；然后，将桩间土假定为分别连接前排桩与虚拟桩、后排桩与虚拟桩的弹簧，弹簧的刚度将以开挖面为界用不同方法进行计算。开挖面以上，桩间土假定为受侧限的薄压缩层，可按侧限压缩的方法计算；开挖面以下，前排桩土弹簧刚度为KS，假设桩间土弹簧的刚度至少亦为KS，则可认为作用在后排桩上的土弹簧刚度至少为KS，即桩间土弹簧的水平刚度系数不少于基坑底按m法计算的刚度KS。由于实际情况下桩间土对前、后排桩的摩阻力较大，可假定后排桩的竖向位移为零，由此认为前、后排桩的沉降差为零。因此，前、后排桩与虚拟桩端部设置一竖向链杆，限制它们在竖直方向上的位移。
图3-1改进的双排桩计算模型
4.结论
综上分析表明，相比原规范模型计算方法，按新的计算模型计算得到的双排桩变形和弯矩在数值上和趋势上与有限单元法是接近的，后排桩不再出现“踢脚”的情况，随着土质条件变好，结果则更为接近，有效解决了原规范模型中不合理的问题。而对于新模型采用新土压力方法还是规范土压力方法的问题，当土质条件较差时，采用新土压力方法计算的双排桩侧向变形和弯矩会小于规范土压力方法，当土质条件较好时，采用新土压力方法结果则会略为偏大，但两种方法在趋势上是一致的，且数值上相差不大。因此，对于常规矩形布桩形式且前后排桩等长的双排桩结构，土压力计算采用规范方法或者本文的新方法均可，但由于规范方法是建立在常规的布桩形式上提出的，对于目前非常规的布桩形式，如前密后疏，前后排桩桩长不等的情况，规范则没有明确前后排桩的土压力的计算方法，此时可采用本文提出的土压力方法进行计算。
参考文献：
[1]高阳，孙浩凯，刘日成.高铁车站附近基坑的双排桩支护设计及变形规律[J/OL].山东大学学报（工学版）：1-9[2019-06-25]
[2]马乾天.深基坑双排桩支护结构的计算与应用[J].水利水电施工，2018（05）：65-68.
[3]薛智瑶.双排桩支护结构在原水泵站深基坑施工中的应用[J].建筑施工，2018，40（11）：1871-1873.
[4]徐瑞卿，鲍锡刚.浅析深基坑工程中双排桩支护施工技术[J].中国标准化，2018（18）：89-90+93.