水平荷載作用下排樁受力變形影響因素分析

洪家寶,劉 嘉,鄭克亞,王蘊(yùn)智

(揚(yáng)州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇揚(yáng)州225009)

0 引 言

排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在城市建筑的深基坑工程中的應(yīng)用越來越普遍,作為一種承受水平土壓力的支護(hù)結(jié)構(gòu)[1],不僅涉及到巖土力學(xué)中典型的變形、強(qiáng)度和穩(wěn)定問題,還涉及到土與支護(hù)結(jié)構(gòu)的共同作用問題,因此基坑支護(hù)工程研究排樁顯得尤為重要。排樁作為承受水平土壓力作用的支擋結(jié)構(gòu),尤其是基坑支護(hù)工程中,其受力變形受到土性參數(shù)、結(jié)構(gòu)型式、開挖方式等諸多因素的影響。有限元方法提供了一種合理的設(shè)計(jì)計(jì)算方法,它可以建立三維的仿真模型,從整體上分析支護(hù)結(jié)構(gòu)及周圍土體的應(yīng)力與位移性狀,從原理上說,常規(guī)方法存在的問題在有限元方法中都可不同程度地得到解決[2]。

1 工程概況

本文主要結(jié)合揚(yáng)州市邗江區(qū)人防指揮中心工程的基坑支護(hù)工程研究各因素對(duì)排樁的受力和變形的影響?；娱_挖平面布置圖參見圖1,基坑開挖深度一般為6.44 m,最大挖深7.64 m,場(chǎng)地地面平均標(biāo)高為-0.36 m。

根據(jù)本工程場(chǎng)地的地質(zhì)條件和周圍環(huán)境,基坑各側(cè)采用不同的支護(hù)型式。本文以基坑?xùn)|側(cè)排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,有限元模擬僅截取圖1中虛線框內(nèi)區(qū)域建模。此處基坑深6.44 m,坑底高程-6.80 m?？颖诓捎门艠吨ёo(hù)結(jié)構(gòu),樁頂以冠梁聯(lián)接,冠梁寬0.8m,高0.6 m,混凝土標(biāo)號(hào)C30;鋼筋混凝土排樁樁徑0.8m,樁長(zhǎng)17 m,樁間距為1.4 m,樁身混凝土標(biāo)號(hào)C30。排樁外側(cè)用水泥土墻止水,水泥土墻以2排樁徑0.6 m水泥攪拌樁搭接組成,墻厚1.05 m,深度9.6 m,采用32.5級(jí)水泥作為固化劑。排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)立面圖如圖2所示。

圖1 支護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖2 排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)立面圖

根據(jù)該工程的巖土工程勘察報(bào)告,地基土體的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2 排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)三維模型

2.1 計(jì)算模型

本文利用有限元軟件ADINA建立排樁的三維計(jì)算模型[3-4]。灌注樁以及冠梁均在彈性工作范圍內(nèi),用線彈性材料模擬,根據(jù)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)報(bào)告中取值彈性模量為30 GPa,由于沒有試驗(yàn)確定混凝土的泊松比,本文采用經(jīng)驗(yàn)值泊松比為0.2。本工程場(chǎng)地土體性質(zhì)均勻,各層土體參數(shù)差別不大,因此在模型中土體僅作為一層考慮,土體采用Mohr-Coulomb材料(參數(shù)見表2)。在模型分析中設(shè)置樁與土接觸組,采用約束函數(shù)法模擬樁土接觸,摩擦系數(shù)取0.3。樁體、冠梁劃分成規(guī)則的8節(jié)點(diǎn)六面體網(wǎng)格,計(jì)算模型如圖3所示,X方向位移云圖如圖4所示。

表2 土體參數(shù)

圖3 土體模型網(wǎng)格劃分圖

圖4 排樁及水泥土墻X向位移云圖

2.2 樁身受力分析

本文所建基坑模型,東側(cè)邊界較長(zhǎng),共10根樁,北側(cè)邊界較短,共7根樁,為便于分析分別給每根樁編號(hào),坑角樁為1(1′)號(hào)樁,向外依次按順序編號(hào)。東側(cè)邊界最外側(cè)樁為10號(hào)樁,北側(cè)邊界最外側(cè)樁為7′號(hào)樁 。

排樁受到外側(cè)水平土壓力的作用而發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)或撓曲并使內(nèi)側(cè)土體發(fā)生變形,進(jìn)而產(chǎn)生土對(duì)樁的作用反力。圖5給出了樁側(cè)土反力分布情況。在開挖過程中,支護(hù)樁的撓曲變形更越加明顯,其反彎點(diǎn)隨開挖深度的增加有向下移動(dòng)的趨勢(shì),且大致處于基坑開挖的深度位置[5]。研究樁土之間相互作用,主要是研究樁側(cè)土體對(duì)樁的工作性狀的影響。

圖5 樁身反力圖

圖6 分步開挖樁身應(yīng)力變化圖

樁身應(yīng)力與施加于樁上的水平荷載大小、樁體材料、樁周土體對(duì)樁的土抗力有關(guān),一般隨著水平荷載的增加,樁身應(yīng)力相應(yīng)的增加[6]。對(duì)于排樁支護(hù)結(jié)構(gòu),樁身應(yīng)力隨著開挖深度的增加而增大。最大應(yīng)力作用點(diǎn)位置隨著開挖深度的增加而向下移動(dòng),在距離地面4.31 m到8.32 m范圍內(nèi)變化。如圖6所示:第一步開挖結(jié)束,開挖深度較淺,樁身最大壓應(yīng)力為0.96 MPa,作用點(diǎn)位置距離地面4.92 m,最大拉應(yīng)力為0.47 MPa,作用點(diǎn)位置距離地面4.31 m;第二步開挖結(jié)束后基坑深度達(dá)到4 m,樁身最大壓應(yīng)力為1.90 MPa,作用點(diǎn)位置距離地面6.44 m,最大拉應(yīng)力為1.44MPa,作用點(diǎn)位置距離地面6.14 m;第三步開挖完成整個(gè)基坑開挖過程,樁身最大壓應(yīng)力為3.96 MPa,作用點(diǎn)位置距離地面8.02 m,最大拉應(yīng)力為3.21 MPa,作用點(diǎn)位置距離地面8.32 m。

3 排樁變形影響因素分析

排樁變形受到樁長(zhǎng)、樁徑、樁側(cè)水泥土墻和樁側(cè)土體參數(shù)等多種因素的影響[7],受客觀條件限制,很難通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)或模型試驗(yàn)來研究各因素對(duì)排樁變形的影響。而三維有限元模型能較好地模擬工程實(shí)際,且能在控制其他因素不變的情況下研究一種因素變化的影響。因此,本文通過逐一改變各影響因素,對(duì)排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多次模擬,研究不同因素的影響規(guī)律。對(duì)排樁支護(hù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移發(fā)生在基坑長(zhǎng)邊中點(diǎn)處,對(duì)應(yīng)本文有限元模型在模型長(zhǎng)邊邊界處,選取10號(hào)樁進(jìn)行分析。

3.1 樁徑的影響

為了考慮灌注樁直徑對(duì)排樁變形的影響,本文設(shè)置6種不同的灌注樁直徑,模擬0.6 m、0.7 m、0.8 m、0.9 m、1.0 m和1.1 m 6種樁徑下排樁的變形規(guī)律。圖7是不同樁徑下10號(hào)樁樁身水平位移曲線圖。圖8是樁徑與排樁最大樁頂位移的關(guān)系圖。

從圖7可以看出,在同一條件下,樁徑越大,樁頂位移越小。樁徑為0.6 m時(shí)排樁最大樁頂位移為11.87 mm,當(dāng)樁徑增加為1.1 m時(shí)排樁最大樁頂位移只有5.95 m,減小幅度達(dá)50%?？梢姌稄降拇笮?duì)排樁樁頂位移有顯著的影響,加大樁徑,能夠明顯的控制樁頂位移的大小。從圖中還可以看出第一位移零點(diǎn)位置隨著樁直徑的增加而下移,當(dāng)樁徑為0.6 m時(shí),第一位移零點(diǎn)位置為距離地面9.52 m,當(dāng)樁徑增大到1.1 m時(shí),第一位移零點(diǎn)位置下降到11.86 m。這說明樁徑越大,剛度越大,穩(wěn)定性越好。對(duì)比不同直徑的樁身位移曲線還可以看出,樁徑越小,樁的柔性越強(qiáng),撓曲性狀也越顯著。因此,在排樁支護(hù)工程中可以通過增大樁徑來達(dá)到減小樁頂位移的目的。

圖7 不同直徑下樁身水平位移

圖8 樁直徑與樁頂位移關(guān)系

由圖8可以看到,樁頂位移隨樁徑增大而減小的趨勢(shì)是逐漸趨于緩和的:當(dāng)樁徑由0.6 m增加到0.7 m時(shí),樁頂位移減小2.04 mm;當(dāng)樁徑由0.7 m增加到0.8 m時(shí),樁頂位移減小1.55 mm;當(dāng)樁徑由0.8 m增加到0.9 m時(shí),樁頂位移減小1.08 mm;當(dāng)樁徑由0.9 m增加到1.0 m時(shí),樁頂位移減小0.71 mm;當(dāng)樁徑由1.0 m增加到1.1 m時(shí),樁頂位移減小0.57 mm。由此可以看出,在一定范圍內(nèi)增加樁徑可以有效的減小排樁水平位移,但是當(dāng)樁徑增加到一定值以后再增加樁徑來減小排樁位移,所起作用就不明顯了。因此僅靠增大樁徑來減小樁頂位移是不經(jīng)濟(jì)的。

3.2 樁長(zhǎng)的影響

在模型其他因素不變的情況下增大灌注樁嵌固深度,分別采用 14m 、15 m、16 m 、17 m 、18 m、19 m 和20 m的樁長(zhǎng)模擬計(jì)算,提取10號(hào)樁樁頂位移,得出樁長(zhǎng)對(duì)排樁位移影響規(guī)律如圖9所示。

從圖9可以看出,樁長(zhǎng)越大,即嵌固深度越大,則樁頂位移越小。樁長(zhǎng)較小時(shí),樁長(zhǎng)對(duì)排樁的樁頂位移影響相對(duì)較大,當(dāng)樁長(zhǎng)達(dá)到一定程度之后,對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形影響越來越小:樁長(zhǎng)由14m增加到15 m,樁頂位移由10.31 mm減小到9.40 mm,減小比例為8.8%;樁長(zhǎng)由19 m增加到20 m時(shí),樁頂位移由7.91 mm減小到7.79 mm,減小比例為1.5%。由工程實(shí)踐可知,當(dāng)樁長(zhǎng)過小時(shí),由于被動(dòng)土壓力不足,會(huì)導(dǎo)致踢腳破壞;當(dāng)樁長(zhǎng)滿足嵌固深度以后再增加樁長(zhǎng)對(duì)樁頂位移的影響很小。因此,通過增大樁長(zhǎng)來達(dá)到減小支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的目的并不經(jīng)濟(jì),基坑深度一定時(shí),排樁長(zhǎng)度滿足嵌固深度的要求即可。

圖9 樁長(zhǎng)與排樁最大樁頂位移關(guān)系

3.3 水泥土墻的影響

在基坑工程中利用水泥土攪拌樁搭接成水泥土墻作止水帷幕是防止坑外地下水向坑內(nèi)入滲的有效措施。水泥土墻本身具有一定的強(qiáng)度,自然能夠承擔(dān)一部分土壓力對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形起到一定的控制作用。本文為進(jìn)一步考察水泥土墻強(qiáng)度對(duì)排樁變形的影響,在不考慮地下水影響的情況下,將樁外側(cè)不設(shè)水泥土墻的模擬結(jié)果與設(shè)置水泥土墻的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,如圖10所示。

圖10 有無水泥土墻樁身位移對(duì)比

從圖10可以看出,水泥土墻對(duì)樁身位移的影響是十分明顯的。樁側(cè)不設(shè)水泥土墻,樁頂最大水平位移為10.50 mm,而設(shè)置水泥土墻后樁頂最大水平位移為8.32 mm,水平位移降低比例為21%?？梢?計(jì)算分析考慮不考慮水泥土墻的強(qiáng)度影響有較大的區(qū)別。工程中水泥土墻不僅能防滲止水,而且還能減小排樁位移。但目前排樁支護(hù)設(shè)計(jì)缺少考慮水泥土墻的成熟計(jì)算公式或者影響系數(shù)的提出,很多基坑設(shè)計(jì)軟件也不能同時(shí)考慮排樁和水泥土墻的共同作用,此問題有待進(jìn)一步的研究。

3.4 土體參數(shù)的影響

對(duì)于巖土工程來說,從土樣的采集到室內(nèi)試驗(yàn),試驗(yàn)數(shù)值通常離散性比較大,而且在施工中也會(huì)發(fā)生變異,通常和真實(shí)的數(shù)值相差也比較大,同時(shí)土體參數(shù)的選取對(duì)排樁變形的影響也非常顯著,因此對(duì)土體參數(shù)進(jìn)行分析非常重要,同時(shí)通過對(duì)土體參數(shù)及變形影響的比較分析,也可以找出影響排樁變形的主要因素,從而找出控制排樁變形的合理方法。因此針對(duì)本工程逐一改變土體的兩個(gè)主要參數(shù):彈性模量、泊松比進(jìn)行多次有限元模擬,提取東側(cè)邊界10號(hào)樁身水平位移分析這些參數(shù)對(duì)樁身位移的影響規(guī)律。

3.4.1 彈性模量的影響

本文設(shè)置了5種不同的土體彈性模量:10 MPa、15MPa、20 MPa、25 MPa、30 MPa,其它模型的尺寸和參數(shù)同工程實(shí)例。圖11是不同土模量下樁身水平位移圖。圖12是土體彈性模量與樁頂位移關(guān)系圖。

圖11 不同土模量下樁身水平位移

圖12 土體彈性模量與樁頂位移關(guān)系

從圖11中可以看出,隨著樁側(cè)土體彈性模量的增加,樁頂最大水平位移逐漸減小,分別為9.59 mm、7.52 mm 、6.10 mm、4.84 mm 和 3.94mm,可見樁側(cè)土體彈性模量對(duì)樁的水平位移影響很大,有限元模擬需要特別注意土體彈性模量的取值。隨著樁側(cè)土模量的增加,樁第一位移零點(diǎn)位置逐漸向上移動(dòng),分別距離地面10.62 m、10.57 m、10.38 m、10.17 m、10.05 m。這是由于隨著樁側(cè)土模量的增加,樁對(duì)土的相對(duì)剛度減小,樁的柔性撓曲就表現(xiàn)得更加明顯,位移零點(diǎn)位置上移。從圖12可以看出當(dāng)土體彈性模量較小時(shí),樁頂位移較大,當(dāng)土體彈性模量較大時(shí),樁頂位移隨著彈性模量增加而減小的趨勢(shì)趨于緩和。

3.4.2 泊松比的影響

在其他參數(shù)一定的情況下,本文設(shè)置5種不同的土體泊松比,υ=0.25、0.30、0.35、0.40、0.45,進(jìn)行有限元模擬。采用五種不同泊松比計(jì)算樁身位移見圖13。泊松比變化與樁頂位移關(guān)系見圖14。

圖13 不同泊松比下樁身位移

圖14 泊松比與樁頂位移關(guān)系

從圖13和圖14可以看到,土體泊松比對(duì)排樁水平位移有較顯著的影響,樁頂位移隨土體泊松比的增大而增大。當(dāng)土體泊松比為0.25時(shí),樁頂位移為7.48 mm,當(dāng)土體泊松比增大到0.45時(shí),樁頂位移增大到10.02 mm,增大比例為34%。而土體泊松比很難通過試驗(yàn)直接測(cè)得,有限元模擬中泊松比這個(gè)參數(shù)往往采用經(jīng)驗(yàn)值,導(dǎo)致模擬結(jié)果有一定誤差。因此在有限元模擬參數(shù)取值時(shí)應(yīng)重視泊松比的取值準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過改變樁徑、樁長(zhǎng)、水泥土墻設(shè)置和土體參數(shù)幾種排樁變形的影響因素,進(jìn)行多次三維有限元模擬,總結(jié)并討論其影響規(guī)律,得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)增大樁徑可以很大程度的增大樁身剛度、減小樁頂位移,但當(dāng)樁徑達(dá)到一定程度以后,樁徑的增大對(duì)減小樁頂位移并沒有特別明顯的幫助,僅靠增大樁徑來控制樁頂位移是不經(jīng)濟(jì)的。

(2)增大樁長(zhǎng)可以較大程度減小樁頂位移,但當(dāng)樁長(zhǎng)達(dá)到一定程度以后,再增加樁長(zhǎng)對(duì)樁頂位移的影響很小,通過增大樁長(zhǎng)來達(dá)到減小支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的目的并不經(jīng)濟(jì),基坑深度一定時(shí),排樁長(zhǎng)度滿足嵌固深度的要求即可。

(3)水泥土墻設(shè)置與否對(duì)排樁位移影響顯著,支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)該考慮水泥土墻強(qiáng)度的影響,合理的計(jì)算公式或者影響系數(shù)的提出有待進(jìn)一步研究。

(4)土體參數(shù)對(duì)排樁位移有一定程度的影響,土體彈性模量和泊松比對(duì)排樁位移影響較大,在其他參數(shù)不變的情況下,排樁位移隨土體彈性模量增大而減小,隨土體泊松比的增大而增大。有限元模擬需要特別注意彈性模量和泊松比的取值。

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