雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)空間受力敏感性研究

劉冠男 許春虎

(1.浙江淳溪水利工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，浙江杭州 310016;2.浙江省錢(qián)塘江管理局勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江杭州 310016)

1 概述

雙排樁是近年來(lái)興起的一種新的深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，具有側(cè)向剛度大、施工方便、穩(wěn)定性好、圍護(hù)深度遠(yuǎn)比一般支護(hù)結(jié)構(gòu)要深等優(yōu)點(diǎn)［1］。應(yīng)宏偉等［2］通過(guò)數(shù)值模擬研究了雙排樁基坑的變形和土壓力分布規(guī)律;崔宏環(huán)等［3］則采用空間有限元法研究了懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形以及與土的相互作用機(jī)理;吳剛等［4］分析并計(jì)算了冠梁對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)作用，考慮了滑移面和排距對(duì)作用在前后排樁上的土壓力的影響，在彈性地基梁的基礎(chǔ)上，提出了雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型;平揚(yáng)等［5］根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，考慮了排樁、圈梁、聯(lián)系梁空間協(xié)同作用，提出了一種規(guī)則基坑懸臂雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法;俞建霖等［6］采用平面有限元法研究了懸臂式雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作機(jī)制和性狀。由于雙排樁的受力機(jī)理復(fù)雜，其計(jì)算方法和設(shè)計(jì)理論尚不成熟。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上基于有限元法，依托青島某基坑開(kāi)挖工程，運(yùn)用有限元程序ANSYS建立三維模型對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析，為工程實(shí)踐提供參考。

2 工程地質(zhì)條件

某基坑開(kāi)挖工程位于青島市市南區(qū)南京路南端東側(cè)，凱旋大廈與時(shí)代廣場(chǎng)之間。工程場(chǎng)地地形相對(duì)平坦、地貌形態(tài)單一，均為第四系全新統(tǒng)形成的海岸階地，表層受人工改造，主要土層由上而下依次為:①-1素填土層;②-1細(xì)砂;③-1碎石;④-1強(qiáng)風(fēng)化花崗巖;⑤-1中風(fēng)化花崗巖;⑥-1微風(fēng)化花崗巖。如表1所示為各土層物理力學(xué)指標(biāo)。

表1 各土層物理力學(xué)指標(biāo)

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 數(shù)值計(jì)算模型

本文采用有限元軟件ANSYS，建立三維有限元模型，采用彈性板模型模擬雙排支護(hù)樁樁體，墻體和地基土層及連梁均采用八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元模擬，前排樁前和后排樁后均設(shè)置接觸單元。由于正方形基坑屬于對(duì)稱圖形，故本文建立的基坑模型只取其1/4部分，既避免了不必要的工作量，又能滿足分析內(nèi)容的要求。有限元模型計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 有限元模型簡(jiǎn)圖

3.2 本構(gòu)模型及計(jì)算參數(shù)

有限元計(jì)算中，雙排樁樁體采用線彈性模型，地基土體和墻體本構(gòu)模型選用Drucker-Prager模型，Drucker-Prager屈服條件為:

其中，I1(σij)為應(yīng)力張量第一不變量;I2(Sij)為應(yīng)力偏量第二不變量。

表2為有限元計(jì)算中地基土體及板樁墻計(jì)算參數(shù)。

表2 土體計(jì)算參數(shù)

4 雙排樁敏感性分析

為了研究不同因素對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)空間受力特性的影響，對(duì)雙排樁參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析，本文主要考慮的影響因素有開(kāi)挖深度、排距等。

4.1 開(kāi)挖深度對(duì)樁身位移和彎矩的影響分析

圖2給出了排距為4 m時(shí)不同開(kāi)挖深度前后排樁身位移和彎矩曲線圖，取距角點(diǎn)20 m截面處的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從圖2中可以看出雖然每一步的開(kāi)挖深度相同，但樁身位移和彎矩的增量卻并不相同，前排樁大于后排樁并呈逐漸增大的趨勢(shì)，且彎矩的峰值逐漸增大并且其位置逐漸向下移動(dòng)。

4.2 排距對(duì)冠梁位移的影響分析

圖3給出了不同排間距情況下前后排冠梁位移曲線圖，對(duì)比圖3中的3張圖可以看出，當(dāng)排距為2 m時(shí)，后排樁的冠梁向基坑內(nèi)的位移稍大于前排樁。因此，可以判斷出此時(shí)的連梁處于受壓狀態(tài)。當(dāng)排距為4 m時(shí)，前排樁位移開(kāi)始大于后排樁位移，此時(shí)連梁處于受拉狀態(tài)。當(dāng)排距為8 m時(shí)，前后排冠梁的位移差繼續(xù)增大，連梁的內(nèi)力逐漸增大。隨著排距的增大，前后冠梁向基坑內(nèi)側(cè)位移逐漸減小。從三張曲線圖綜合分析可知，冠梁的空間效應(yīng)是非常明顯的，因此在支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮該效應(yīng)的影響。

圖2 不同開(kāi)挖深度前后排樁樁身位移及彎矩曲線

圖3 不同排距前后排冠梁位移曲線圖

4.3 排距對(duì)樁身位移及彎矩影響分析

圖4～圖6分別為排距為2 m，4 m和8 m時(shí)前后排樁位移及彎矩曲線圖，從圖4a)的樁身位移曲線可以看出:當(dāng)排距為2 m時(shí)，前后排樁的位移變化趨勢(shì)基本一致。樁身的最大位移發(fā)生在樁頂，為6.7 cm，整體樁身位移類似于單排樁，樁—土之間的相互作用效果不明顯。前、后排樁的樁頂均有嵌固的特征，尤其是前排樁，這是由于剛性連梁的存在限制了前、后排樁樁頂向基坑內(nèi)傾斜的轉(zhuǎn)角所致。在接近樁底的位置可以看出前排樁底向基坑外側(cè)的位移大于后排樁，基坑底面的部分樁間土已經(jīng)開(kāi)始傳遞土壓力。

從圖4b)的彎矩曲線看出:前、后排樁身均存在交變彎矩，樁頂處有較大的負(fù)彎矩。前排樁彎矩反彎點(diǎn)的位置要低于后排樁反彎點(diǎn)的位置，約在基坑底面以下1 m～2 m處。前排樁頂負(fù)彎矩絕對(duì)值小于后排樁頂負(fù)彎矩絕對(duì)值且位置也不相同。前排樁負(fù)彎矩的最大值位于樁頂以下約4 m處，后排樁則位于樁頂。在基坑底面以下前排樁的最大正彎矩值要略大于后排樁。

圖4 排距2 m前后排樁位移及彎矩曲線

排距為4 m時(shí)樁身位移和彎矩曲線如圖5所示，相較于圖4，樁頂向基坑內(nèi)的側(cè)移量明顯減小，最大值仍位于樁頂處為4.1 cm。從彎矩圖上可以看出:前后排樁樁頂處的彎矩差的絕對(duì)值減小，前排樁的樁頂負(fù)彎矩有減小的趨勢(shì)，但是減小速率要小于后排樁。前排樁樁身彎矩的正負(fù)彎矩均增大，后排樁樁頂負(fù)彎矩有增大的趨勢(shì)，而正彎矩減小。從變化趨勢(shì)可以推出前排樁承擔(dān)的樁后土壓力增大，而后排樁承擔(dān)的土壓力減小，從而導(dǎo)致樁身彎矩發(fā)生如上變化。

圖5 排距4 m前后排樁位移及彎矩曲線

當(dāng)排距為8 m時(shí)，樁身的位移和彎矩曲線如圖6所示。由圖6可知，樁頂?shù)奈灰评^續(xù)減小，但減小的趨勢(shì)減緩。前排樁身位移已經(jīng)明顯受到后排樁頂?shù)睦^作用，樁身最大位移已不位于樁頂，而是在樁頂以下約2 m處。前、后排樁的樁身彎矩也發(fā)生了變化，前排樁的樁身正負(fù)彎矩繼續(xù)增大，后排樁的彎矩發(fā)生了本質(zhì)上的變化:除樁頂范圍內(nèi)，原負(fù)彎矩區(qū)段變成了正彎矩，彎矩曲線由下凹變成了上凸，同樣顯示了對(duì)前排樁頂?shù)睦^作用，前、后排樁與樁間土的共同作用已不明顯。

圖6 排距8 m前后排樁位移及彎矩曲線

總體來(lái)說(shuō)，樁頂位移隨著排距的增加而逐漸減小，但減小的趨勢(shì)逐漸變緩;當(dāng)排距為4倍樁徑時(shí)，可充分發(fā)揮雙排樁的整體性以及后排樁對(duì)前排樁的錨固作用，內(nèi)力分布較為均勻，充分利用了樁身的配筋。因此靠增加排距來(lái)減小樁頂水平位移是不經(jīng)濟(jì)的，也是沒(méi)有必要的。

5 結(jié)語(yǔ)

本文應(yīng)用有限元軟件ANSYS建立了雙排樁的模型算例，對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的敏感性進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論:

1)通過(guò)不同排距計(jì)算出的冠梁位移曲線可以看出支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移表現(xiàn)出明顯的空間性，因此增加冠梁的剛度對(duì)增加雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性具有重要的意義。

2)排距對(duì)雙排樁樁身位移及彎矩有一定的影響:樁頂位移隨著排距的增加而逐漸地減小，但是減小的趨勢(shì)會(huì)逐漸變緩;當(dāng)排距為4倍樁徑時(shí)，可以充分發(fā)揮雙排樁的整體性以及后排樁對(duì)前排樁的錨固作用，內(nèi)力分布較為均勻，充分利用了樁身的配筋。因此靠增加排距來(lái)減小樁頂水平位移是不經(jīng)濟(jì)的，也是沒(méi)有必要的。

［1］劉建航，侯學(xué)淵.基坑工程手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997.

［2］應(yīng)宏偉，初振環(huán).深基坑帶撐雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)有限元分析［J］.巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26(S2):4325-4331.

［3］崔宏環(huán)，張立群，趙國(guó)景.深基坑開(kāi)挖中雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的三維有限元模擬［J］.巖土力學(xué)，2006，27(4):662-666.

［4］吳 剛，白 冰，聶慶科.深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法研究［J］.巖土力學(xué)，2008，29(10):2753-2758.

［5］平 揚(yáng)，白世偉，曹俊堅(jiān).深基坑雙排樁空間協(xié)同計(jì)算理論及位移反分析［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2001，34(2):79-83.

［6］俞建霖，曾開(kāi)華，溫曉貴，等.深埋重力—門(mén)架式圍護(hù)結(jié)構(gòu)性狀研究與應(yīng)用［J］.巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(9):1578-1584.