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双排承重阻滑桩受力特性的有限元分析

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GrainDistributionTechnology6/2014粮食流通技术工程设计

收稿日期：2014-08-01作者简介：刘广轩（1984-），男，助理工程师；专业方向为岩土工程。康民启（1984-），男，助理工程师；专业方向为结构工程。

双排承重阻滑桩受力特性的有限元分析刘广轩，康民启（中粮郑州科技(郑州)有限公司，郑州450053）摘要：借助大型非线性有限元软件ADINA建立了双排承重阻滑桩基的三维受力模型，分析研究了不同荷载组合双桩结构的受力承载机理，同时对复杂荷载下双桩结构的受力特性进行了计算、分析和比较，为类似的结构设计提供重要的参考依据。关键词：有限元分析；双桩结构；承载机理；边坡效应

Thefiniteelementanalysisofmechanicalcharacteristicsofthedouble-rowload-bearingandanti-slidepileLiuGuangxuan,KangMinqi

（COFCOEngineering&Technology(Zhengzhou)CO.,Zhengzhou450053,China）Abstract：Usinglarge-scalenon-linearfiniteelementsoftwareADINA,Thethreedimensionalstressmodelofthedouble-rowload-bearingandanti-slidepileisestablished,analysingtheload-bearingmechanismofdouble-rowpilestructure,andthemechanicalcharacteristicsofthestructureofdoublepileundercomplicatedloadcalculationareanalyzedandcompared,Providingimportantreferencebasisforsimilarstructuraldesign.Keywords：Thefiniteelementanalysis;Double-rowpilestructure;Load-bearingmechanism;Slopeeffect

中图分类号：U443.15文献标识码：A文章编号：1007－3582（2014）06－0012－041模型建立近几十年来，桩基单纯竖向承载力、水平承载力的理论计算方面取得长足的进步，但随着工程建设的迅速发展，桩基的承载性状越来越复杂，例如：建在边坡边缘的高层建筑桩基、沿边坡延伸的道路桥梁桩基等，该类型的桩基在承受较大竖向荷载的同时，还要承受边坡蠕动变形或滑移破坏产生的土体推力，相比平地类桩基，该类桩基础受力形式更为复杂，承载机理也存在明显差异。赵明华等对此类受力特性的单桩进行大量理论及试验研究，探讨了轴横荷载及倾斜荷载下单桩的受力特性［1~2］；杨明辉等对横坡段桥梁双桩结构进行了理论研究，推导了内力计算公式，并以试验验证了计算分析的合理性［3］。但目前针对承重阻滑的双桩结构的研究资料还很匮

乏，为此本文将借助大型非线性有限元软件ADINA建立双排承重阻滑桩的三维受力模型，对其承载力机理和受力特性进行探讨。三维模型xy平面如图1所示。

图1有限元模型剖面尺寸图/m12GrainDistributionTechnology6/2014粮食流通技术工程设计

模型长85m，高65m，边坡角度45°，x方向纵向延伸36m。柱身和桩基皆采用正方形截面，边长2m，柱高15m，桩间距7m，桩长36m，嵌固深度6m。同时对坡体工程地质情况进行简化，分为3层：上层强风化岩层20m，中间中风化层15m，下层微风化岩层30m。为了便于计算分析，且较好模拟边坡实际的变形性态，本文对模型的边界做如下假定：坡面和地表面均为自由边界，竖向边界设置水平向位移约束，底面边界全约束；柱顶自由，通过设置桩基与边坡岩土层的接触面，以形成的相应接触对来模拟桩土接触变形，接触允许出现滑动和分离，并且在桩端设置与桩端形状一致的接触单元；模型采用三维二十节点六面体单元进行划分，并对边坡坡脚处的楔形单元进行退化处理以形成较为规则的单元，具体的网格划分如图2所示。桩周和桩端岩土体均采用Mohr-Coulomb材料模型，柱身、承台梁、桩体及桩间横系梁采用各向同性的线弹性材料模型，具体参数见表1。2桩基荷载下坡体的受力变形特性分析为了计算分析更接近于工程实际，有限元模拟的过程为：第一步，对三维模型施加重力，计算边坡初始应力场；第二步，将边坡桩孔位置的岩土体单元设置为“死单元”，计算模拟桩基成孔过程中，地应力的释放及孔壁岩土体内力的重分布，并将模型的地应力导出。第三步，将第二步中“死单元”删除，建立双桩结构的模型，并设置桩身与岩土体对应部位的接触模拟，跟踪模拟桩土变形的受力状态。然后将第二步计算的地应力导入，便完成了桩基施工后，桩基和边坡初始工程状态的模拟。基于以上步骤，分析竖向荷载下桩基承载力的发挥对边坡应力状态的影响。即完成上述第三步后，在前后柱顶分别施加8000kN的竖向荷载，分10级加载。取距离桩孔10cm的竖向剖面，施工开

挖后边坡的竖向应力场与施加柱顶荷载后边坡的竖向应力场的对比如图3和图4所示。

材料名称桩身混凝土强风化岩层中风化岩层微风化岩层弹性模量E（Pa）2.0×10104.7×1081.8×1093.0×1010泊松比v0.230.320.250.22粘聚力c（Pa）—1.2×1062×1062.7×106摩擦角φ（°）—212225容重ρ（kN/m3）

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图2三维有限元网格划分图表1岩层模拟材料成分表图3施工开挖后边坡竖向应力场图/Pa

图4竖向荷载下边坡竖向应力场图/Pa13GrainDistributionTechnology6/2014粮食流通技术工程设计

从图3和图4中可以看出，施加柱顶竖向荷载后，桩基侧摩阻力的发挥，将部分荷载以剪应力的形势传递给边坡岩土体，桩体周围一定影响范围内的边坡竖向应力场都有所增大，特别是前桩边坡临空面附近。而边坡竖向应力场的加大势必增加边坡裂隙、断层、节理等软弱结构面处的下滑力分量，因此，桩基竖向承载力的发挥可能对边坡局部的稳定性造成一定的影响。3双桩结构轴横向荷载组合效应分析为了分析研究双桩结构竖向荷载和水平荷载的组合效应、边坡侧向土压力和竖向荷载的组合效应，探讨不同荷载组合时双桩结构的受力变形特性及不同荷载之间的相互影响，特设计不同的荷载工况条件。3.1轴横向荷载组合效应分析设计两种不同工况：①只施加柱顶水平荷载，分级（10级）加载至800kN。②先分级（10级）施加柱顶竖向荷载至8000kN，然后保持柱顶竖向荷载不变，分级施加柱顶水平荷载至800kN。不同工况对比分析结果如下。（1）图5为不同工况下最后一级荷载下的桩体位移曲线对比图，从图中可以看出，桩顶竖向荷载对桩体水平位移有一定的限制左右，工况一下后桩顶水平位移为3.09mm，工况二为1.49mm，减小51.8%。（2）比较工况一和工况二最后一级荷载下的桩身弯矩图（图6、图7）可知，轴横荷载共同作用与单独横向荷载作用相比，桩身最大弯矩明显减小，后桩最大正弯矩由4912.5kN·m减小到1691kN·m，减小了65.6%；前桩最大正弯矩由4424.3kN·m减小到805.1kN·m，减小了81.8%。说明在竖向荷载作用下，上部柱体结构和桩顶横系梁增大了对桩顶变形的约束，前后排桩表现出明显的桩顶弹嵌的受力特性，由此桩身弯矩明显减小。这与文献［4］中轴横向荷载下的单桩，轴向力将引起桩基内力和位移显著增大的受力特性明显不同，说明轴横向荷载双桩结构对桩身变形的控制较单桩优越，桩顶弹嵌的受力特性使得桩身受力更加合理，对桩身材料强度的要求也将有所降低。

3.2边坡推力与轴向荷载的组合效应分析在承受柱顶竖向荷载的同时，双桩结构还有可能受到由于坡体变形而作用于桩身侧面的土压力，使之呈现出被动桩的受力特性，其工作性状比单独荷载作用时更为复杂。为了模拟这种受力状态，先分级施加柱顶竖向荷载至8000kN，然后保持柱顶竖向荷载不变，再分级施加坡顶均布荷载至400kPa，使其产生的侧向压力模拟边坡变形产生的土压力。同时为了对比柱顶轴向力对双桩结构抗侧向土压力受力特性的影响，设计仅在坡顶分级施加均布荷载至400kPa的单荷载工况。最后一级组合荷载作用下的桩身挠曲曲线和弯矩如

图5桩体水平位移曲线图

图6不同工况下后桩弯矩图图7不同工况下前桩弯矩图

刘广轩等：双排承重阻滑桩受力特性的有限元分析

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6/2014粮食流通技术工程设计

图8、图9所示，单纯坡载下的弯矩如图10所示。对比图8、图9可知，后桩的挠曲变形及弯矩明显大于前桩，说明土体运动变形时，后桩承受的侧向土压力大。同时对比图9、图10的弯矩曲线可知，有柱顶竖向荷载时，双桩结构在侧向土压力作用的受力变形特性并没有发生太大的变化，但前后排桩的弯矩最大值略有增大，前排桩桩顶最大负弯矩由-549kN·m增大到-720kN·m，后排桩的最大负弯矩由-989kN·m增大到-1003kN·m，正弯矩由1351kN·m增大到1437kN·m，增幅都在7%以下。

由此可知，双桩结构在竖向荷载及坡载共同作用下，作用力相互间的影响较小。

4结论本文通过对双排承重阻滑桩基的三维有限元分析获得如下结论：①双桩结构竖向承载力的发挥将对边坡产生一定的竖向附加应力，势必增加边坡裂隙、断层、节理等软弱结构面处的下滑力分量，由此可能对边坡的稳定造成一定的影响，由此，工程中此类桩基的桩端穿过软弱结构面，埋入稳定岩层一定深度。②轴向力作用下，双桩结构连梁刚度的发挥，前后排桩桩顶弹嵌约束作用更加明显，桩身受力更加合理。③轴向力与侧向土压力共同作用下，双桩结构较双排抗滑桩的受力变形特点并没有较大变化，且后桩较前桩承担了更大的滑坡推力。

参考文献：［1］赵明华，吴鸣，郭玉荣.轴横向荷载下桥梁基桩的受力分析及试验研究［J］.中国公路学报，2002，15（1）:50-54.［2］赵明华，吴鸣，邹新军.倾斜荷载下基桩的研究现状与发展动态［J］.湖南大学学报（自然科学版），2003，30（4）:73-77.

［3］杨明辉，刘广轩，赵明华.高陡横坡段桥梁双桩结构计算方法研究［J］.公路交通科技，2010，27（8）:55-59.［4］邬龙刚.承重阻滑桩承载机理及受力分析研究［C］.湖南大学硕士学位论文，2010.

图8组合荷载下桩身挠曲曲线图图9组合荷载下前后排桩弯矩对比图

图10坡载下前后排桩弯矩对比图

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双排抗滑桩加固滑坡的前桩后侧推力算法

双排抗滑桩加固滑坡的前桩后侧推力算法

在 前 排 桩 后 侧 推 力 的 解 析 计 算 方 面 ， 刘 鸿 [23]、 李 明康[24] 采用弹性理论对双排抗滑桩排间岩土体的传 力机制进行了分析，得出了前排桩后侧推力的表达 式，但对排间岩土体，其采用弹性分析模型偏于理想 化；肖世国等[25] 基于后排桩推力向前传递的地基系数 “k”法以及排间岩土体推力传递的传递系数法，提出了 一种计算前排桩后侧推力的方法，但不能给出前排桩 上推力分布模式，且采用滑体侧向抗力系数沿深度不 变的模式也尚需优化；杨磊[26] 将弹性理论与条分法相 结合，以此可近似得到前排桩上推力，但该法关于条 块间正应力分布模式呈抛物线形或直线型的假设仍 存在不合理性。总之，上述这些求解前排桩上推力的 方法有下面两个明显缺陷：（1）模型过于理想化；（2）无 法兼顾推力大小与分布模式。
对于排间滑面 CE，这里考虑存在一个折点 F 的情 况。当 α1=α2 时，退化为直线型滑面；对于排间滑面多 折点的情况，求解方法类似于一个折点情况，不再赘 述。为简化分析，作如下假定：
（ 1） 后 排 桩 受 荷 段 前 侧 土 体 的 抗 力 在 后 排 桩 全 长 与沉埋时，分别为三角形、两段折线形分布。
610031, China；2. Key Laboratory of High-Speed Railway Engineering, Ministry of Education, Southwest Jiaotong University, Chengdu, Sichuan 610031, China）
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水文地质工程地质
第4期
双 排 全 长 桩 或 后 排 沉 埋 -前 排 全 长 桩 越 来 越 多 应 用 于 大 型 基 覆 式 滑 坡 的 治 理 工 程 [1 − 6]， 如 图 1 所 示 ， d0=0 与 d0>0 分别表示前排全长与后排沉埋桩。对于 此类问题，两排桩上推力大小及分布模式是工程设计 中的关键因素之一。
基于深基坑施工的双排桩设计参数分析

基于深基坑施工的双排桩设计参数分析

基于深基坑施工的双排桩设计参数分析近年来，双排桩结构成为深基坑工程中经常使用的空间组合类围护结构，双排钢筋混凝土桩和顶部的刚性连系梁是其主要组成部分，沿基坑长度方向呈双排布置。

双排桩结构能够更有效分担土压力，同时令桩身内力的分布更加合理。

文献[1]结合汕头软土地区基坑工程实例，通过PLAXIS有限元分析软件对双排桩的内力及变形情况进行了分析，对单排桩和双排桩工作性状做了针对性的对比分析；文献[2]通过排桩之间滑动土体与总滑动土体体积比的方法确定其所受土压力的大小；文献[3]通过桩土共同作用的方法确定开挖面以上双排桩的土压力及地基水平基床系数；文献[4]探讨了双排桩围护结构情况下的土压力分布形态，认为土体滑动面的形态在双排桩后排桩的影响下发生了改变，并提出了一种简算思路。

本文主要通过FLAC数值模拟的方法研究双排桩在桩长、排距、桩径、桩间距和基坑开挖深度因素影响下的桩身位移，以期为双排桩在深基坑工程中的设计提供参考。

假定土层分布情况及计算参数如表1所示，排桩设计桩长均为20m，桩径1m，桩间距1.5m，前、后排桩排距4.5m。

1.计算模型的建立模型尺寸均采用40×40m，模型网格划分为40×40，基坑顶部与既有场坪标高持平，由于桩顶标高为既有场坪标高以下0.8m，为简化计算，将桩顶标高抬升0.8m，在计算过程中，桩长都相应增加0.8m。

基坑开挖宽度15m，两边边界施加水平约束，底部施加水平及竖向约束。

基坑分4步开挖，总开挖深度控制在8.82m左右，双排钻孔灌注桩和桩顶拉梁分别用pile和beam单元模拟，每根桩平均分为15段，拉梁分为3段。

2.桩长对位移影响分析2.1前后排桩身位移分析设计桩长均为20m，在相同条件下前、后排桩身位移的对比。

在桩顶位置，前后排桩身的位移基本一致；在桩顶以下，前排桩位移略大于后排桩位移；桩身最大位移均发生在桩的中上部；前排桩身最大位移为7.49cm。

锚索布置对长短双排桩的受力影响分析研究

锚索布置对长短双排桩的受力影响分析研究

第52卷 增刊1 建筑结构 Vol.52 No.S1 2022年6月 Building Structure Jun. 2022第一作者：赵成江，学士，高级工程师，主要从事地质灾害、岩土工程、特种工程的设计工作，Email:***************。

DOI: 10.19701/j.jzjg.22S1663锚索布置对长短双排桩的受力影响分析研究赵成江1，张世径1，玄超群1，于凯同1，程 磊2（1 中铁西北科学研究院有限公司，兰州 730000； 2 准格尔旗国立房地产开发有限责任公司，鄂尔多斯 017000）摘要：双排桩支护结构作为一空间组合支护结构，受力复杂，影响其支护性能的因素较多，将原单排锚拉桩方案调整为“前桩短，后桩长”的双排桩支护结构形式，为研究基坑支护中不同锚索竖向间距布置对长短双排桩桩身受力的影响及桩身传力规律，通过极限有限元分析法对结构支护体系进行了分析计算，结论如下：①双排桩与单排桩支护结构桩身弯矩图存在明显不同，后排桩弯矩图朝坑内方向变形，呈“反C ”型，桩身最大弯矩位于在0.45H ～0.55H 范围内，桩身受力以基坑内方向受拉为主。

前排桩弯矩图受锚索分布影响呈“WW ”型，桩身最大弯矩位于0.3H ～0.6H 范围内，桩身受力以基坑外方向受拉为主。

②后排桩呈受的弯矩是前排桩的1.5～2倍。

后排桩主要呈受承载土压力的作用，前排桩起到挡土和传递土压力的作用；③采用不同的锚索布置方案时，前排桩嵌固深度不足时，应采用锚索加密布置的方案有利于桩身的整体变形稳定，也有利于基坑开挖安全。

关键词：基坑支护；双排长短桩；锚索布置方式；极限有限元法中图分类号：TU473.1+2 文献标志码：A 文章编号：1002-848X(2022)S1-2819-07Analysis and research on the influence of anchor cable arrangement on thestress of long and short double-row pile ZHAO Chengjiang 1, ZHANG Shijing 1, XUAN Chaoqun 1, YU Kaitong 1, CHENG Lei 2 (1 Northwest Research Institute Co., Ltd. of CREC, Lanzhou 730000, China; 2 Zhungeer Banner GuoLi Real Estate Development Co., Ltd., Ordos 017000, China)Abstract: As a spatial composite retaining structure, the double-row piles retaining structure has complex stress, and there are many factors affecting its supporting performance. The original single-row anchor pile scheme is adjusted to the double-row piles retaining structure of "the front pile is short, the back pile is long", in order to study the influence of different vertical spacing arrangement of anchor cable on the stress of long and short double-row piles and the load transfer law of piles in foundation pit supporting.The limit finite element analysis method is used to analyze and calculate the structural support system, and the conclusions are as follow ① The bending moment diagram of double-row piles is obviously different from that of single-row piles. The bending moment diagram of the rear row piles is deformed towards the pit, which is in the shape of "reverse C". The maximum bending moment of the pile body is in the range of 0.45 H~ 0.55 H, and the pile body is mainly stressed in the direction of the foundation pit. The bending moment diagram of the front row of piles shows "WW" type due to the influence of anchor cable distribution, the maximum bending moment of the pile body is in the range of 0. 3 H~0.6H, and the main force of the pile body is tension in the direction outside the foundation pit. ② The bending moment of the rear piles is 1.5~2 times of that of the front piles. The back row piles are mainly subjected to the bearing earth pressure, and the front row piles play the role of retaining earth and transferring earth pressure;③ When different anchor cable layout schemes are adopted and the embedded depth of the front row of piles is insufficient, the scheme of dense anchor cable layout should be adopted, which is conducive to the overall deformation stability of the pile body and the safety of foundation pit excavation.Keywords: Foundation pit support; Double-row long-short pilot; Layout of anchor cables; Limit finite element analysis0 引言基坑支护结构目前主要有单桩支护、桩锚支护、等长及非等长排桩支护、地连墙支护等形式，并且通过一系列研究基本明确了相应支护结构的基本力学-变形机理[1]，随着深基坑支护技术的发展，出现了长短桩。

有限元分析双排桩在基坑支护中的应用

有限元分析双排桩在基坑支护中的应用

有限元分析双排桩在基坑支护中的应用宋婷;何润洲;张领帅【摘要】通过GeoStudio处理软件,对双排桩在基坑支护中的应用进行非线性有限元分析,综合考虑基坑开挖边界条件、开挖分期施工工程中参数的变化及双排桩受力特点,从计算结果中分析基坑的应力及双排桩的受力,从而可以得出用有限元法分析双排桩及双排桩在基坑支护中应用能达到良好效果的结论.【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2010(036)022【总页数】2页(P137-138)【关键词】双排桩;有限元;基坑【作者】宋婷;何润洲;张领帅【作者单位】深圳地质建设工程公司,广东深圳,518028;深圳地质建设工程公司,广东深圳,518028;深圳市工勘岩土工程公司,广东深圳,518000【正文语种】中文【中图分类】TU463随着城市的发展，建设用地日益紧张，人类不得不大面积填海填湖造陆。

同时，随着高层建筑和地下工程的兴建，基坑开挖的深度越来越大;在造陆地区开挖深基坑使工程更为复杂，这无疑给工程建设带来挑战。

双排桩作为一种新型的支护结构形式，其前桩与后桩之间用刚性节点和刚性横梁连成一个整体单元，是三次超静定结构。

由于超静定刚架结构具有随支撑条件及荷载条件的变化而自动调整结构内力的特性，因此使得双排桩在解决边坡支护问题中具有适应性强、安全度高、施工方便等优点。

但双排桩的计算较难实施，而有限元法(Finite Element Method，缩写为FEM)以其适用性强和处理非均质、非线性复杂边界诸多问题等突出的优点，用有限元模拟双排桩无疑是一个有效的工具。

1 有限元的基本思想1)结构的离散化:将分析结构系统划分成有限个单元体，并在单元体的指定点设置节点，把相邻的单元体在节点处连接起来组成单元的集合体，以代替原来的结构。

一般情况，单元划分越细则表述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量越大。

2)选择位移模式:位移模式，就可导出用节点位移表示单元内任意点位移:3)建立单元节点力和节点位移之间的关系:材料应力—应变关系或本构关系可表示为:材料单元应变矩阵可表示为:其中，{ε}=[B]{δ}，材料单元应力矩阵可表示为:其中，[S]=[D][B]=[D][B1 B2 B3]=[S1 S2 S3]，[Si]=[D][Bi]。