深基坑開挖過程中兩樁相互作用研究

王 偉 劉曉彬 欒虔超

1 概述

基坑開挖造成坑周土體常產(chǎn)生較大位移或發(fā)生塑性流動,較大的土體側(cè)向位移導(dǎo)致橋梁樁基產(chǎn)生附加彎矩和變形,嚴重時樁身折斷,此時樁基屬于被動樁范疇,樁身同時受到豎向載荷和土體側(cè)向壓力的雙重作用,兩樁之間相互作用所表現(xiàn)的“束縛”和“加筋”作用,很難通過理論計算法進行解決。相比較而言,三維快速拉格朗日有限差分法可以很好的解決樁土樁的相互作用問題,有利于進行群樁效應(yīng)的分析。

2 分析思路

2.1 定義兩樁的相互作用系數(shù)

采用三維拉格朗日有限差分法來求解橋梁兩樁與深基坑施工的相互作用,首先建立基坑施工條件下的兩樁相互作用系數(shù),通過兩樁相互作用下的 7種不同的情況,分析兩樁相互作用系數(shù)和側(cè)摩阻力分布情況,進而就兩樁之間的“加筋”和“束縛”作用進行解釋。

本文定義了兩樁的相互作用系數(shù)α:

其中,Smin為兩樁中樁頂沉降較小者;Smax為兩樁中樁頂沉降較大者。

2.2 兩樁的相互作用分析方案

為了研究基坑施工過程中兩樁的相互作用,對以下 7種情況進行了對比分析:

1)樁長25m的摩擦樁距離坑壁5m,樁頂有荷載;2)樁長25m的摩擦樁距離坑壁 7m,樁頂有荷載;3)樁長都為 25m的摩擦樁,一樁距離坑壁5m,另一樁距離坑壁7m并樁頂加荷;4)樁長都為25m的摩擦樁,一樁距離坑壁 5m并樁頂加荷,另一樁距離坑壁7m;5)樁長都為25m的摩擦樁,一樁距離坑壁5m,另一樁距離坑壁7m,兩樁樁頂同時加荷;6)樁長都為25m的摩擦樁,一樁距離坑壁5m,另一樁距離坑壁10m并樁頂加荷;7)樁長都為25m的摩擦樁,一樁距離坑壁 5m,另一樁距離坑壁 10m,兩樁樁頂同時加荷。

2.3 FLAC3D滲流分析[2]

FLAC3D可以進行瞬態(tài)滲流計算,在完全流固耦合計算情況下,孔隙水壓力的改變會產(chǎn)生力學(xué)變形,同時體積應(yīng)變又會導(dǎo)致孔隙水壓力的改變。本文的深基坑三維模型中設(shè)置透水邊界,在滲流分析中,關(guān)于樁土接觸面,則在單元上進行初始應(yīng)力設(shè)置時,接觸面上的應(yīng)力會自動考慮孔隙水壓力的存在而進行有效應(yīng)力的初始化。

3 計算模型的建立

本文采用三層土,詳細的巖土層物理力學(xué)性質(zhì)如表 1所示,此為FLAC3D巖土計算參數(shù)。

在FLAC3D中實現(xiàn)地下連續(xù)墻和內(nèi)支撐體系。各支護單元FLAC3D計算參數(shù)如表 2,表 3所示。深基坑開挖支護模型如圖 1所示,所采用的開挖支護計算工況如表 4所示。

表1 巖土層物理力學(xué)參數(shù)

表2 地下連續(xù)墻FLAC3D計算參數(shù)

表3 內(nèi)支撐FLAC3D計算參數(shù)

4 結(jié)果分析

圖2為基坑開挖支護后的地表沉降分布圖,從最大沉降量出現(xiàn)的位置看,在圍護墻后,地表沉降分布曲線呈“拋物線”型,地表最大沉降量為 3.3 cm,地表沉降主要集中在基坑中部最大臨空面后,坑角和基坑短邊處的地表沉降較小,基坑中部附近剖面的沉降分布曲線曲率較大,亦即不均勻沉降較大。

表4 計算工況

Clough等人(1977年)[5]提出,坑周地面沉降量的分布形式取決于地表沉降量的大小,當(dāng)?shù)乇沓两盗啃r,離開支撐某點處的沉降量最大,圖 2也驗證了這一點。

基坑開挖和樁頂荷載共同作用下兩樁的相互作用系數(shù)如表 5所示。

表5 不同情況下的兩樁相互作用

從表 5的相互作用系數(shù)來看,在土體卸荷作用和樁頂荷載下,樁與樁之間的相互作用系數(shù)呈非線性,并不是單純的線性疊加。具體分析如下:

1)通過對比B和A,基坑開挖作用下,5m處樁受荷不僅自身產(chǎn)生沉降,7m處樁也產(chǎn)生了 0.339 cm的附加沉降,并且相互作用系數(shù)增大;

2)C對比B,7m處樁受荷,自身沉降明顯增大,但對 5 m處樁的影響很小,附加沉降只增加了 0.414 cm,兩樁相互作用系數(shù)也較B小很多;

3)通過B和C對比D,兩樁同時受荷,相互作用系數(shù)大于 B和C的;

4)E與C比較,由于樁間距的增大,相互之間的影響減小,同樣對比 F和D,在兩樁均受荷情況下,兩樁的相互作用系數(shù)隨樁間距的增大而減小。

通過上述分析得出:

1)在樁頂荷載和基坑開挖共同作用下,兩樁相互作用加強,體現(xiàn)了明顯的“加筋”效應(yīng);

2)一根樁受荷沉降,會帶動鄰近樁下沉,同時也會受到鄰近樁的“束縛”作用,兩樁之間的作用是相互的;

3)在樁頂荷載和基坑開挖共同作用下,兩樁的相互作用系數(shù)隨樁間距的增大而減小。

5 結(jié)語

本文通過定義深基坑施工過程中兩樁之間的相互作用系數(shù),對兩樁之間所表現(xiàn)的“加筋”和“束縛”作用進行了解釋,得到如下結(jié)論:

1)在樁頂荷載和基坑開挖共同作用下,兩樁相互作用加強,體現(xiàn)了明顯的“加筋”和“束縛”作用;兩樁的相互作用隨樁間距的增大而減小;兩樁相互作用不是簡單的線性疊加關(guān)系,具有極強的非線性。

2)非受荷樁對受荷樁起到了“束縛”作用,在一定的樁間距下,一根樁的存在會降低深基坑開挖對另一根樁的影響,起到了“加筋”作用。

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