佛山市源水通防水材料有限公司 广东佛山 528225
在城市建设中，深基坑的周边往往存在高层、超高层或者需要保护的较为重要的建筑物，且距离基坑边缘较近，因此基坑的变形很容易影响到这些建筑物。这时对变形控制的要求就非常高，以保证基坑周边建筑物不受损坏。在这种情况下如果采用单排悬臂桩加冠梁支护，由于其本身刚度的原因，开挖后桩顶部位移偏大，必定会对周围的建筑产生较大影响，因此单排桩的使用便受到了限制；如采用支撑或锚拉支护方案虽然也可以减少桩的水平位移，但在工期、造价及场地限制等方面存在着不利的因素；如果采用双排桩支护结构，适应性可以大大增加，但对于超深基坑依然难以满足侧向变形控制要求。
而三排桩支护形式在这方面便体现出了它的优越性。这种结构在形式上类似于空间两跨门式刚架，具有较大的侧向刚度可以减少支护结构的侧向变形，同等条件下支护深度比单排或双排悬臂支护结构要深，水平位移也要小很多，同时不需要加内支撑。三排桩支护结构可兼做永久结构，永临结合更能节约工程投资，对三排桩支护型式深入系统的研究具有十分重要的意义。
1技术原理及方案
1.1三排桩支护结构体系的概念
三排桩是一种新的支护形式。从布桩形式上可理解为沿基坑方向并排三排支护桩，前中后三排桩间距比例为1：2：4，前后排桩的桩顶有冠梁将各排桩连接为一个整体，前后排之间设有连梁（也可用顶板）。由于连梁和冠梁的刚度一般较大，所以整体上类似于插入地基土中的超静定空间两跨门式刚架结构。
1.2建模计算的基本假定
为了简化计算，基本假定如下:
1）同一种材料为均质 各向同性；
2）土体为理想弹塑性材料；
3）桩和支撑梁（板）为弹性体；
4）考虑桩土间摩擦；
5）不考虑土体的排水固结；
6）不考虑由于支护结构施工对土体扰动的影响；
7）基坑顶附加荷载等效为均布荷载。
1.2.2三排桩支护结构体系的特点
工程上的研究课题是由工程实践的需要决定的。三排桩结构的结构组合形式给它带来了其他支护形式无法达到的力学效果，同时能够在更苛刻的地理环境下使用，满足了设计者对桩顶位移、整体稳定性、经济性等方面的要求。
与单排悬臂支护结构相比，三排桩支护结构具有以下的优点：
（1）单排悬臂桩完全依靠弹性嵌入基坑土内的足够深度来承受桩后土体的侧压力并维持其稳定性，桩顶位移和桩身本身变形较大。悬臂式三排桩支护由刚性连梁与前、中、后排桩组成一个空间超静定结构，整体刚度大，使双排桩的桩顶位移明显减小，同时桩身的内力也有所减小。
（2）悬臂式三排支护桩为一超静定结构，在复杂多变的外荷载作用下能自动调整结构本身的内力，使之适应复杂同时又难以预计的荷载条件，而单排悬臂桩为一静定结构(多数是弹性支承悬臂结构)则不具备此种功能。
（3）当工期、造价、施工技术或场地条件(如基坑用地红线以外不允许占用地下空间)等限制时，如果基坑深度条件合适，往往可采用悬臂式三排支护桩。实践表明，其施工简便、速度快、投资省。
虽然三排桩有诸多的优点，但是，由于三排桩支护结构为新型围护形式，无论是实践经验的积累还是理论分析模型都具有一定的局限性，体现在：
（1）三排支护桩的设计计算方法还不够成熟，实测数据还不多，受力机理有待验证。
（2）基坑周边要有一定空间，以利于双排支护桩的实施，因此对于场地过分狭小时，该支护形式的使用受到限制。
2、关键技术及主要创新点:
(1)新型三排桩超深基坑支护结构施工时对环境影响小，施工简单，施工周期短，占地面积小：
新型三排桩支护结构占地宽度一般不超过10m，而同类桩锚结构，锚杆（索）长度一般20m以上；结构主体主要为桩结构，对施工机具要求不高，采用钻孔成桩工艺，可有效避免噪音污染。
以15m深基坑为例，如果采用桩锚结构需要设置3排锚杆，锚杆长度一般不小于20米，虽可满足非开挖施工的要求，但锚杆在地下往往已经超出了征地范围，在有些地方关系难以协调的区域实施难度较大，施工期间要分层设置拉锚、分层开挖，施工周期较长。
（2）适用性更广，可用于各种地质条件：
对于淤泥或砂层较厚的土层，锚杆（索）施工成孔困难，且锚固力没有保证，而采用三排桩结构可以适用于类似地质条件，可广泛用于填海、填湖、淤河、泥塘。
(3)三排桩支护深基坑结构侧向刚度大、整体性好，适用于深基坑，不设内支撑，为基坑施工提供便利：
以电厂循环水泵房前池为例，前池宽度一般接近70～80米，如果采用常规的内支撑结构，需要在前池内设置支撑梁、支撑柱，梁柱在前池里布置较密，支撑与柱的连接、支撑与墙的连接等，构造复杂，且柱节点有下沉或偏位对支撑受力有较大影响。梁柱分布太密，对前池流态有一定影响，且增加水头损失，增加水泵运行费用，同时施工期间要分层设置支撑、分层开挖，施工周期较长。
(4)结构耐久性好，可作为永临结合的地下结构：
三排桩结构临空面设置衬墙后可作永久结构，而大部分支护结构用于永久性结构受限较多，例如桩锚结构用锚杆作为持续受力的永久结构，其耐久性值得商榷。
(4)支护深度大大超过普通悬臂支护结构（通常支护深度不超过6m），支护深度可达20m：
三排桩结构利用电厂地质情况进行计算，支护深度可以达到20m。对于不设置内外支撑体系的结构，三排桩的支护深度大大超过传统结构。
(5)采用Madis-Gts三维模型整体建模计算，可根据地质情况及基坑深度灵活调整桩排距和桩距布置间距，优选出经济合理的结构布置方案。
排距和桩间距对抗水平位移能力及桩身受力分配影响很大，例如某电厂，比选后采用排距4m：2.5m、桩距1m：2m：4m的布置方案，在工程量较省的情况下取得较理想的成效。
(6)可进行逆筑法施工，有利于加快施工进度，降低造价。
3、某电厂前池工程应用实例
本节以具体工程实例——广东某电厂前池工程——介绍三排桩支护结构的应用，并体现计算原理、建模过程、结果分析等。
该基坑为永临结合，现在投入使用10年，运行使用良好。
3.1工程概况
某电厂二期循环水泵房前池周边有电缆、管线、道路等已有构筑物，这些已有构筑物是电厂一期机组运行的保证，本期施工过程中不得对这些设施造成破坏。
本期循环水泵房前池较深（约16.5m），受场地条件所限，普通深基坑支挡结构难以满足施工场地条件及设计强度条件的双重要求，设计采用的三排桩超深基坑支护结构有效的解决了上述难题，深达16.5m的泵房前池未设内支撑，为施工、运行维护提供便利，且视觉景观上也更好。
该电厂泵房及前池深基坑为电力工程中罕见的超深超大基坑，也是该电力集团第一深基坑，电厂将该基坑的施工安全列为二期工程中的首要大事之一，工程进度及安全情况需每周向高层领导汇报。
3.2工程地质资料
前池区域地层自上而下分布有素填土、含淤泥粉细砂、粉质粘土、强风化花岗岩，岩土层的主要物理力学参数以及桩基参数的推荐值，见下表。
.png)
3.3设计方案
3.3.1结构方案
三排桩超深基坑支护结构，克服了普通连续墙墙身侧向刚度低的缺陷，通过三排桩框架增强结构抗倾覆稳定性，取消内外支撑结构，占地空间更小，降低了对周围建筑结构影响。电厂循环水泵房前池深基坑深度约16.5m，三排桩结构结构耐久性较好、可靠度高，可兼作为永久性地下构筑物。
循环水泵房前池采用新型三排桩超深基坑支护结构方案，内侧无需设支撑，避免了内侧支撑结构对于循环水流态的影响和水头损失，且更利于前池开挖工程；外部未采用锚杆、锚索等外支撑结构，虽然本工程靠近周边管线，但下部结构施工中依然对管线造成影响。
前池共152根桩，兼做永久性结构，桩径1m，前排桩桩间距1m，中排桩间距2m，后排桩间距4m，排间距2.5m：4m。前池上部采用L型挡墙压顶。
.png)
三排桩结构平面布置图
3.3.2 安全等级及使用时限
本基坑工程安全等级为一级，基坑监测等级为一级，施工期基坑使用时限10个月，运行期三排桩前池结构使用寿命为30年。
3.3.3 基坑地下水控制
电厂取水工程止水帷幕系统设计，在循环水泵房及前池、取水明渠周围布置止水帷幕，有效的阻止地下水进入基坑，以防周边建筑物及路面因降水而产生沉降。
基坑开挖时在基坑内设置集水井和排水沟，每层大面积开挖时应在基坑内设置若干集水坑进行预降水。
3.3.4 支护结构设计
主要结构材料控制标准：
（1）水泥：普通硅酸盐水泥,强度等级不低于42.5级；
（2）混凝土：支护桩强度等级为C30，前池内衬墙及挡墙:C40, 抗渗标号W6；
（4）钢筋： HPB235、HRB335。
桩端进入强风化岩不少于5.5m；
.png)
三排桩结构剖面图
3.3.5 基坑工程监测
本工程按基坑监测等级一级进行监测，监测内容包括以下方面：基坑坡顶水平位移、垂直沉降、地下水位观测等。
3.4 有限元模型的建立
3.4.1有限元模型的建立
计算模型采用三维有限元，土层计算参数的选取是以该工程详细勘查报告根据实际计算模拟情况选取。
有限元网格划分如图所示，将土体单元类型设置为八节点三维实体单元，为模拟支护结构的工作性状，地下连续墙模拟为板单元:为考虑支撑的工作性状，将桩模拟为一维弹性梁单元。
采用位移约束条件:地表面为自由面;模型四周约束法向水平方向位移， 底面约束Z方向位移;支护桩底约束Z轴方向扭转， 本构模型采用 Mahr-coulomb屈服准则，土体采用实体单元，桩模拟为一维弹性梁单元， 挡墙采用板单元，考虑到最不利的因素，在基坑顶处施加均布荷载10 kPa。
3.4.2计算模型及参数选取
计算模型采用三维有限元，采用摩尔-库伦本构关系来模拟土体材料变形特征，土层计算参数的选取是以该工程详细勘查报告根据实际计算模拟情况选取。
3.4.3建立有限元模型
根据以上几点建立有限元模型，如图4-1
.png)
图3-1 使用maids软件建立的初始有限元模型
.png)
3.5设计计算
新型三排桩超深基坑支护结构采用Madas-Gts整体建模计算，整体计算模型如下图所示。其中模型侧面及底面均施加对应法向方向的位移约束。基坑外侧的在桩顶面以上的放坡土体简化为均布压力荷载。
.png)
整体模型水平位移
.png)
支护桩轴力分布
.png)
支护桩水平位移
运用Midas-GTS建立了三维基坑施工阶段计算分析模型，施工过程分3步开挖。运行分析后，查看了各个施工阶段基坑在X、Y和Z方向上位移变化和应力，桩的内力和应力变化情况。由于分析工况下数据较多，仅选取基坑开挖完成后的位移、桩内力分布情况，得到了如下结论：
1）计算基坑位移大于实测基坑位移，是因为所建模型偏于保守，采用的土层为均匀分布，且选用的是较差的一个钻孔资料作为输入。
2）前排桩受力最大，My较大分布在嵌固端和跨中部位。
4 项目产生的主要成果
4.1项目成果
一种新型支护形式的出现说明其自身具有的优越性适应了工程实际的需要，三排桩支护型式良好的抗侧移能力被工程实践检验。在工程造价增加不多的前提下改变支护结构的组合形式，获得了理想的支护效果。由于其结构形式较复杂，因此受力机理和力学行为也更加复杂。
设计中应用岩土有限元软件madis-GTS建立了三排桩的模型算例，对三排桩支护结构的影响因素进行了三维空间的分析。通过对各种影响因素的算例分析，得出一些规律性的结论，以期为工程实践参考。结论如下：
1.在刚度等效而其它参数相同的前提下，从单、三排桩的桩身位移和弯矩对比分析可知:因三排桩支护结构由顶板或连梁将前中后排桩刚性连接为一个整体，属于超静定结构，故结构的受力机理也变得更加复杂；前中后三排桩构成了一个力偶抵抗了桩侧的土压力，而不是像单排桩那样单纯靠嵌入土中的部分来抵抗水平力和弯矩。抗水平位移的能力大大增强。因此，当基坑开挖深度超过12m，不便锚索施工，并对水平位移要求较高时，可以考虑三排桩支护型式。
2.排距和桩间距对抗水平位移能力及桩身受力分配影响很大。本工程设计过程中的比选计算表明以下布桩方案较合理，排桩与桩间土共同作用较为明显，可供其他工程参考：
（1）前中桩排距约4倍桩径；中后桩排距约2~3倍桩距；前后排桩距约为基坑深度的0.4倍；
(2)前中后三排桩间距比例为1:2:4布置在满足基坑水平位移及结构受力的基础上，较经济合理。
3.连梁的刚度是桩-土共同作用的重要影响因素。从相关模型算例的计算结果可以看出：在连梁弹性模量不变的情况下随着连梁高度的减小，连梁与前、后排桩桩顶的连接逐渐由刚性连接向铰接过度，导致桩顶位移逐渐增大，桩顶附近的负弯矩逐渐减小，而基坑底面以下最大的正弯矩逐渐变大、前后排桩形成的力偶能力降低、桩-土的共同作用效果不明显。同时可以看出当连梁高度增加时，虽然水平位移越来越小但趋势变缓，因此过分的增加连梁高度（刚度）对减小位移并不明显，同时还会造成材料的浪费。建议连梁的高度在0.5m～1m范围内。
4.通过不同排距计算出的冠梁位移曲线可以看出支护结构的位移表现出非常明显的空间性，在基坑边角处的位移要远小于基坑中部的位移。同时从冠梁变形曲线中可以看出当排距较小时后排桩承担的土压力较大，后排桩顶通过连梁和桩间土向前推动前排桩。当排距逐渐变大时，前排桩分担的土压力越来越大，前排桩位移减小的速率要小于后排桩，因此后排桩受到前排桩的拉动作用。当排距为8倍桩径时后排桩对前排桩的拉锚作用较为明显，桩与桩间土的共同作用效果不明显。因此增加冠梁的刚度对于增加支护结构的整体稳定性具有重要的意义。
5.分析逐级开挖下桩身的弯矩和位移十分重要。逐级开挖意味着桩身承受的土压力在逐渐增加，本文在分析分步开挖时采用等深度开挖方法，每一级开挖深度为3m。从桩身弯矩图和变形图可以看出：尽管每一级开挖深度相同，但是桩身弯矩和位移的增加量并不相同。ANSYS软件采用迭代法进行计算分析，更加真实的模拟了实际情况。因此在实际工程中，开挖进度的控制是非常关键的，应配合基坑监测，进行实时的信息反馈来确保基坑施工进行的安全顺利。
最后，应用所提出的三排桩空间受力模型对一实际工程进行模拟计算，得出的计算结果与实测规律较接近，证明论文提出的建模方法具有合理性，可以对实际工程中的三排桩支护的设计和施工起到指导作用。
4.2 有待进一步研究的问题
基坑工程是一个复杂的系统工程，影响因素很多。它的个性给研究工作提出了很多困难，使人们很难从一个或几个工程实例得到的规律应用到所有情况。同时，因为各地区的地质条件不同，使得研究结果受到很大的局限。本文从三维角度对三排桩支护结构进行分析，计算得到一些规律性的结论。其中的一些问题还需要进一步研究，现总结如下：
1.在以后的进一步研究中，将尝试考虑更多的支护结构几何尺寸方面的影响因素，如前、后排桩长度的影响、桩身刚度的影响、连梁刚度的影响等。
2.基坑工程不仅是一个空间问题，时间也是一个重要的影响因素。本文算例没有考虑时间的效应，这就忽略了土体的蠕变、固结等问题，这也是今后需要努力研究的方向。
参考文献：
1.周海军，刘彩虹，马宏云.基于11米深基坑的双排桩无支撑支护的实践研究 陕西建筑，2011年3月
2.邓小鹏，陈征宙，韦杰.深基坑开挖中双排桩支护结构的数值分析与工程应用 西安工程学院学报 2002年12月
3.郑陈旻,王曾辉,章 昕,罗贞海.双排桩支护在福建沿海软土深基坑工程中的经济性分析 岩土工程学报 2010年7月
4.赵海燕，黄金枝.深基坑支护结构变形的三维有限元分析与模拟.上海交通大学学报，2001，35(4):610-613
作者简介
姓名：徐荣彬。性别男。民族 汉，籍贯；山东省临沂市 。学历：本科。现研究方向：建筑材料，建筑设计与施工。现职称：高级工程师。现工作单位：佛山市源水通防水材料有限公司