丁小彬 施鈺 劉叔灼

基于顆粒流理論，利用二維離散元模擬軟件PFC2D進(jìn)行二次開發(fā)，建立深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，研究在基坑開挖過程中雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形規(guī)律，分析前后排樁的排拒對(duì)樁身位移和彎矩的影響，驗(yàn)證離散元模擬的可行性，以期為工程實(shí)際提供參考。分析結(jié)果表明，在排距大于4D 時(shí)，隨排距增大，樁頂端位移逐漸減??；當(dāng)排距較大時(shí)，后排樁表現(xiàn)出拉錨的作用。深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)是指沿基坑側(cè)壁設(shè)置兩排平行樁，前后兩排樁采用矩形或梅花形布置方式，并在兩排樁樁頂用剛性冠梁連接形成雙排支護(hù)結(jié)構(gòu)。雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)與單排樁相比，具有更大的側(cè)向剛度，可以有效控制支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移及變形，在深基坑工程中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

目前，學(xué)者們針對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的研究主要通過理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法。何頤華等通過室內(nèi)模型試驗(yàn)和工程實(shí)測(cè)，分析研究了雙排樁的內(nèi)力、變形及分布特性；平揚(yáng)等建對(duì)現(xiàn)有理論模型進(jìn)行改進(jìn)，考慮了排樁-圈梁-連系梁的空間協(xié)同作用，更加符合雙排樁的實(shí)際工作性態(tài)；楊光華等人基于有限元分析軟件Midas/GTS，建立了適用于分析軟土地層條件下雙排樁的計(jì)算模型；應(yīng)宏偉等數(shù)值建模中引入D-P 彈塑性本構(gòu)模型，研究了后排樁長度、后排樁間距、連系梁剛度等對(duì)雙排樁結(jié)構(gòu)性能的影響。近些年來，從細(xì)觀角度對(duì)巖土工程問題進(jìn)行模擬研究得到了國內(nèi)外學(xué)者們的廣泛關(guān)注。顆粒流分析程序（PFC）是一種通過離散單元法來模擬圓形顆粒介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)及相互作用的數(shù)值分析軟件，能很好地模擬土體等離散顆粒介質(zhì)在外力作用下的受力及變形過程。賈敏才等利用顆粒流模擬方法，通過二次開發(fā)對(duì)重力式攪拌圍護(hù)基坑的開挖過程進(jìn)行了研究，初步驗(yàn)證了利用顆粒流方法模擬基坑開挖的可行性；周健等利用三維顆粒流程序分析了土釘墻支護(hù)基坑擋墻結(jié)構(gòu)的受力及變形規(guī)律，與實(shí)測(cè)結(jié)果基本符合。

針對(duì)目前對(duì)雙排樁結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬研究主要以通用有限元軟件為主，而對(duì)于從細(xì)觀層面采用顆粒流進(jìn)行數(shù)值仿真的研究尚不多見。本文基于二維顆粒流程序（PFC2D）進(jìn)行二次開發(fā)，對(duì)基坑開挖過程中雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力及變形規(guī)律進(jìn)行數(shù)值仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證細(xì)觀數(shù)值模擬方法研究支護(hù)結(jié)構(gòu)和土相互作用的可行性。

一、顆粒流模型的建立

1.模型建立

圖1 雙排樁計(jì)算模型

如圖1 所示，本文計(jì)算模型基坑深度H=8m，寬度和長度分別為40m、50m?；油翆訁?shù)如表1 所示，雙排樁支護(hù)體系前后排樁的長度均取21m，樁截面為圓樁，D=1m，排間距取3m，上部連梁的截面邊長為1m，具體參數(shù)見表2。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)

2.計(jì)算參數(shù)的選取

由于二維顆粒流軟件（PFC）使用的是顆粒和接觸的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)，需要進(jìn)行宏觀參數(shù)與顆粒流程序中內(nèi)置細(xì)觀參數(shù)的標(biāo)定，因此本文通過壓縮數(shù)值試驗(yàn)得到給定細(xì)觀參數(shù)的宏觀力學(xué)反映。其中基坑黏性顆粒選用接觸連接模型，砂土層選用線性接觸模型，樁與連梁采用平行黏結(jié)模型，通過細(xì)觀參數(shù)的試算，得出細(xì)觀參數(shù)如表3 和表4所示。

表3 土的細(xì)觀參數(shù)

表4 支護(hù)結(jié)構(gòu)的細(xì)觀參數(shù)

3.基坑開挖過程的模擬

圖2 生成初始土層

圖3 刪除樁體位置土顆粒

圖4 生成雙排樁顆粒

圖5 模擬基坑開挖

為了形成初始的應(yīng)力狀態(tài)（圖2），在模型箱內(nèi)按最大半徑0.1m、最小半徑0.05m 均勻分布生成74449 個(gè)顆粒，各土層土體顆粒在賦予細(xì)觀參數(shù)后，在自重作用下計(jì)算達(dá)到平衡狀態(tài)，形成初始應(yīng)力場(chǎng)。

在基坑開挖之前，如圖3 所示，刪除排樁及連梁所在位置的土體顆粒，生成半徑為0.5m 的采用平行黏結(jié)接觸的顆粒組（圖4），并繼續(xù)在重力作用下達(dá)到平衡狀態(tài)，形成開挖前的初始狀態(tài)，然后刪除設(shè)計(jì)深度內(nèi)的土體顆粒（圖5），并最終到達(dá)平衡。

二、結(jié)果分析

排距影響性分析：

基于上述模型，在保持其它條件不變的條件下，通過改變不同排距，分析雙排樁位移及內(nèi)力的規(guī)律。樁徑為1m，基本算例中排距為3m，然后改變排距分別為4m、6m、8m、10m，得出前后排樁體的水平位移曲線及樁身彎矩分布曲線。

從位移分布曲線來看，前排樁樁身的水平位移分布呈現(xiàn)“兩頭小、中間大”的外凸的形狀，與懸臂單排樁的位移分布有所區(qū)別，說明連梁有約束前排樁樁頂位移的作用；當(dāng)前后排樁的距離大于3m 時(shí)，隨著排距的增大，前排樁樁頂?shù)奈灰圃诓粩鄿p小，但減小的趨勢(shì)逐漸變緩，而且樁身水平位移外凸越明顯。后排樁的位移分布曲線與懸臂單排樁的位移分布形狀相似；并且隨著前后排樁排距的增大，后排樁的水平位移也在不斷減小，但減小的速度在變緩。以上位移分布規(guī)律這與文獻(xiàn)中分析所得結(jié)果基本一致。

從彎矩分布曲線來看，前排樁樁身分布的彎矩存在反彎點(diǎn)，樁體上部分布正彎矩，下部分布負(fù)彎矩；隨著排距的增大，排距分別為3m 與4m 時(shí)的樁身彎矩相差不大，而當(dāng)排距繼續(xù)增大超過6m 時(shí)，前排樁上部彎矩呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)；隨著排距的增大，后排樁的彎矩越來越小，這是由于隨著排距的增大，土壓力主要作用與前排樁，而后排樁通過連梁表現(xiàn)為拉錨的作用。

三、結(jié)語

通過上述分析，主要結(jié)論如下：

（1）通過對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移采用離散單元法（PFC2D）進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)通過顆粒流分析所得的結(jié)果與實(shí)際雙排樁變形規(guī)律基本相似，初步驗(yàn)證了利用離散元模擬雙排樁結(jié)構(gòu)的可行性。

（2）雙排樁之間的排距對(duì)排樁的樁身位移有較大影響，規(guī)范規(guī)定雙排樁排距一般取3.5D，由數(shù)值模擬結(jié)果可知，當(dāng)排距大于3.5D，樁頂位移隨排距增大而增大，但是前排樁的樁身上部彎矩也變大，排距較大時(shí)，后排樁主要起拉錨作用。