延深基坑樁錨加固支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性分析

郭力群， 陳亞軍， 徐芳超

(華僑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 福建 廈門(mén) 361021)

延深基坑樁錨加固支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性分析

郭力群， 陳亞軍， 徐芳超

(華僑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 福建 廈門(mén) 361021)

摘要：運(yùn)用Zsoil有限元軟件建立樁錨支護(hù)延深開(kāi)挖基坑數(shù)值模型，對(duì)加固支護(hù)結(jié)構(gòu)連梁的節(jié)點(diǎn)連接形式、截面尺寸、支護(hù)平臺(tái)寬度、二級(jí)支護(hù)樁的樁徑和樁間距以及嵌入比等影響因數(shù)進(jìn)行分析.結(jié)果表明：連梁節(jié)點(diǎn)連接形式，支護(hù)平臺(tái)寬度對(duì)控制延深開(kāi)挖基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形有明顯影響.

關(guān)鍵詞：延深開(kāi)挖; 加固支護(hù)結(jié)構(gòu); 力學(xué)特性; 數(shù)值模擬

由于設(shè)計(jì)方案調(diào)整等種種原因，在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)施工后，工程項(xiàng)目需增加開(kāi)挖深度，出現(xiàn)基坑的二次開(kāi)挖.既有基坑的二次開(kāi)挖支護(hù)技術(shù)屬于基坑工程的加固技術(shù)，目前已有不少基坑工程在已有支護(hù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行延深加固的成功案例[1-4].不少學(xué)者采用有限元數(shù)值分析對(duì)二次開(kāi)挖的加固效果進(jìn)行了研究[5-10]，但基坑二次開(kāi)挖支護(hù)對(duì)基坑的影響因素或受力機(jī)理方面的研究相對(duì)較少.本文以某基坑工程為背景，運(yùn)用Zsoil有限元軟件，對(duì)二次支護(hù)結(jié)構(gòu)加固的影響因素進(jìn)行分析，分析其受力變形規(guī)律，以得到指導(dǎo)類(lèi)似工程的有益結(jié)論.

1有限元模型的建立

1.1　工程背景

圖1　支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.1　Cross-section of supporting structure

長(zhǎng)沙某廣場(chǎng)基坑原建筑結(jié)構(gòu)是按照兩層地下室設(shè)計(jì)的，原支護(hù)方案采用樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu).由于建筑設(shè)計(jì)變更，將原有的兩層地下室改為3層地下室，必須采用相應(yīng)的支護(hù)加固措施.以PQ斷面為例，原2層地下室基坑開(kāi)挖深度為9.7 m，設(shè)計(jì)變更后的基坑總開(kāi)挖深度為15 m，開(kāi)挖深度產(chǎn)生較大的改變.

基坑工程延深開(kāi)挖的支護(hù)結(jié)構(gòu)加固形式采用人工挖孔樁結(jié)合預(yù)應(yīng)力錨桿，并設(shè)置鋼筋混凝土連梁與原有的支護(hù)樁連接形成的整體支護(hù)體系，基坑支護(hù)剖面圖如圖1所示.一，二級(jí)支護(hù)樁樁徑d=1 000 mm，樁間距s=2 000 mm；支護(hù)樁的樁頂設(shè)置冠梁，其截面尺寸為1 200 mm×800 mm；腰梁尺寸為800 mm×800 mm；連梁尺寸為800 mm×700 mm，各個(gè)構(gòu)件的砼強(qiáng)度均為C30.

1.2　有限元模型

基坑模型采用平面應(yīng)變模型，如圖2所示，模型的二維尺寸為70 m×30 m.土體采用小應(yīng)變土體硬化模型HSS(hardening soil model with small strain stiffness).HSS模型能夠反映土體的小應(yīng)變硬化特性，能夠合理地模擬基坑開(kāi)挖變形.錨桿、連梁、支護(hù)樁視為線(xiàn)彈性材料，基本模型中連梁與一級(jí)支護(hù)樁的節(jié)點(diǎn)連接方式考慮為鉸接形式.

表1　土體HSS模型計(jì)算參數(shù)

圖2　有限元模型Fig.2　Finite element model

根據(jù)實(shí)際施工工況，基坑開(kāi)挖支護(hù)模擬工況如下：施作一級(jí)支護(hù)樁→降水→開(kāi)挖第1層土→施作第一層錨桿→開(kāi)挖第2層土→施作第2層錨桿→開(kāi)挖第3層土→施作第3層錨桿→開(kāi)挖第4層土→施作第4層錨桿→開(kāi)挖到原基坑坑底標(biāo)高→施作連梁+二級(jí)支護(hù)樁+第5層錨桿→開(kāi)挖基坑到新的坑底標(biāo)高處.

2加固體影響參數(shù)

2.1　連梁的影響

2.1.1連梁節(jié)點(diǎn)連接形式通過(guò)連梁連接新增支護(hù)樁與原支護(hù)樁，以確保支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性.但在實(shí)際工程中，前、后排樁之間的連接構(gòu)造方式比較復(fù)雜，連梁與支護(hù)樁之間的節(jié)點(diǎn)連接形式將影響加固后支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力變形特性.連梁與一級(jí)、二級(jí)支護(hù)樁之間有4種不同的連接形式：1) 連梁與一、二級(jí)支護(hù)樁剛接；2) 連梁與一、二級(jí)支護(hù)樁鉸接；3) 連梁與二級(jí)支護(hù)樁剛接，與一級(jí)支護(hù)樁鉸接；4) 連梁與一級(jí)支護(hù)樁剛接，與二級(jí)支護(hù)樁鉸接.當(dāng)連梁與支護(hù)樁之間的連接節(jié)點(diǎn)形式為剛接節(jié)點(diǎn)時(shí)，剛節(jié)點(diǎn)限制了節(jié)點(diǎn)處的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，支護(hù)樁的彎矩能夠通過(guò)連梁與支護(hù)樁的剛節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合理的傳遞分配；當(dāng)連梁與支護(hù)樁之間的連接節(jié)點(diǎn)形式為鉸接節(jié)點(diǎn)時(shí)，鉸接節(jié)點(diǎn)只限制了節(jié)點(diǎn)處的平動(dòng)自由度，則連梁只能承受軸向力，不傳遞彎矩.

水平位移和彎矩如圖3所示.由圖3可知：當(dāng)連梁兩端與支護(hù)樁的節(jié)點(diǎn)連接形式為剛性連接時(shí)，較好地控制一級(jí)支護(hù)樁的整體水平變形和二級(jí)支護(hù)樁的樁頂位移，一級(jí)支護(hù)樁的最大位移為43.2 mm，二級(jí)支護(hù)樁的最大位移為25.8 mm；當(dāng)連梁兩端與支護(hù)樁的節(jié)點(diǎn)連接形式都為鉸接時(shí)，一、二級(jí)支護(hù)樁的樁體變形都有較大增加，一級(jí)支護(hù)樁的最大位移為47.5 mm，二級(jí)支護(hù)樁最大位移為27.8 mm.

(a) 一級(jí)樁的水平位移　　　(b) 二級(jí)樁的水平位移　　　　(c) 一級(jí)樁的彎矩　　　　　(d) 二級(jí)樁的彎矩　圖3　不同節(jié)點(diǎn)形式下支護(hù)樁的水平位移和彎矩圖Fig.3　Horizontal displacement and bending moment of piles under various coupling types

對(duì)于一級(jí)支護(hù)樁，4種連接形式對(duì)其樁體在連梁以上部分的彎矩值非常接近，而當(dāng)連梁與一級(jí)支護(hù)樁的節(jié)點(diǎn)連接形式為剛性連接時(shí)，會(huì)使一級(jí)支護(hù)樁的彎矩在連梁處發(fā)生較大突變，連梁以上部分的最大彎矩為870.2 kN·m，連梁以下部分的最大彎矩為1 336 kN·m，使得連梁以下部分產(chǎn)生過(guò)大的受力，若樁身配筋不足時(shí)容易產(chǎn)生斷樁破壞.綜合以上考慮，連梁兩端與支護(hù)樁的連接形式宜采用與一級(jí)支護(hù)樁鉸接，二級(jí)支護(hù)樁剛接的連接形式，既能控制變形，還能改善樁體的受力情況.

2.1.2連梁截面尺寸連梁截面按400 mm×400 mm，600 mm×600 mm，800 mm×800 mm變化，改變連梁的剛度進(jìn)行分析,如圖4所示.由圖4可知:連梁截面變化對(duì)一、二級(jí)支護(hù)樁的水平位移和彎矩的影響較小.因此，連梁剛度對(duì)基坑的變形和受力影響較小，但連梁截面的設(shè)置需要滿(mǎn)足梁構(gòu)造配筋要求.

(a) 一級(jí)樁的水平位移　　　(b) 二級(jí)樁的水平位移　　　　(c) 一級(jí)樁的彎矩　　　　　(d) 二級(jí)樁的彎矩　圖4　不同連梁截面支護(hù)樁的水平位移和彎矩圖Fig.4　Horizontal displacement and bending moment of piles under various size of coupling beams

2.2　平臺(tái)寬度的影響

一、二級(jí)支護(hù)樁之間土的寬度(平臺(tái)寬度)取值為2.0，2.5，3.0，3.5，4.0 m，水平位移和彎矩如圖5所示.隨著平臺(tái)寬度的增長(zhǎng)，一級(jí)支護(hù)樁的最大位移由 2.0 m時(shí)的43.6 mm減少為4.0 m時(shí)的36.6 mm,二級(jí)支護(hù)樁的最大位移由2.0 m時(shí)的26.4 mm減少為4.0 m時(shí)的17.5 mm，平臺(tái)寬度的增加能夠較大程度地減小支護(hù)樁的整體水平位移.因此，平臺(tái)寬度的變化對(duì)一級(jí)支護(hù)樁的彎矩的影響不大.二級(jí)支護(hù)樁的彎矩隨著平臺(tái)寬度的增長(zhǎng)，其最大彎矩由2.0 m時(shí)的1 341.4 kN·m減少為4.0 m時(shí)的980 kN·m，影響較大.因此，當(dāng)場(chǎng)地存在足夠空間時(shí)，增加平臺(tái)寬度，可顯著的減少支護(hù)樁的整體變形和改善二級(jí)支護(hù)樁的受力情況.

(a) 一級(jí)樁的水平位移　　　(b) 二級(jí)樁的水平位移　　　(c) 一級(jí)樁的彎矩　　　　(d) 二級(jí)樁的彎矩　　圖5　不同平臺(tái)寬度支護(hù)樁的水平位移和彎矩圖Fig.5　Horizontal displacement and bending moment of piles under various platform width

2.3　二級(jí)支護(hù)樁的影響

2.3.1二級(jí)支護(hù)樁的樁徑選取樁徑為0.8，1.0，1.2，1.4，1.6，1.8，2.0 m的常用的排樁，水平位移和彎矩如圖6所示.由圖6可知：隨著二級(jí)支護(hù)樁樁徑的增加，樁身剛度增加，一、二級(jí)支護(hù)樁的最大水平位移呈先減小后增大的變化趨勢(shì)，且二級(jí)支護(hù)樁的最大位移不斷向樁頂移動(dòng)，在樁徑達(dá)到1.4 m后，最大位移出現(xiàn)在樁頂處，隨后樁徑的增加對(duì)二級(jí)支護(hù)樁最大位移的變化較小.因此樁徑的增加能減小二級(jí)支護(hù)樁的位移，但對(duì)一級(jí)支護(hù)樁效果不理想，且樁徑達(dá)到某一臨界點(diǎn)對(duì)二級(jí)支護(hù)樁的位移影響較小.與此同時(shí)，樁身彎矩的變化較大，且二級(jí)支護(hù)樁彎矩的增長(zhǎng)速度大于一級(jí)支護(hù)樁.綜上所述，樁徑的增加能改善支護(hù)樁變形，但卻是以樁身承受更大內(nèi)力為代價(jià)的.

(a) 一級(jí)樁的水平位移　　　(b) 二級(jí)樁的水平位移　　　(c) 一級(jí)樁的彎矩　　　　　(d) 二級(jí)樁的彎矩　圖6　不同二級(jí)支護(hù)樁樁徑下支護(hù)樁的水平位移和彎矩圖Fig.6　Horizontal displacement and bending moment of piles under various diameters of second stage piles

2.3.2二級(jí)支護(hù)樁的樁間距二級(jí)支護(hù)樁樁間距按1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0 m變化，由計(jì)算結(jié)果得出：二級(jí)支護(hù)樁樁間距的變化對(duì)一級(jí)支護(hù)樁的受力變形影響不大，二級(jí)支護(hù)樁的樁身最大水平位移由二級(jí)支護(hù)樁樁間距s=4.0 m時(shí)的30.0 mm減小為s=1.5 m時(shí)的25.3 mm，影響較?。欢?jí)支護(hù)樁樁間距的減小會(huì)增加一級(jí)支護(hù)樁的彎矩(變化幅度較小)，較大程度地減小二級(jí)支護(hù)樁的樁身彎矩，樁的最大彎矩由s=4.0 m時(shí)的1 954 kN·m減小為s=1.5 m時(shí)的1 128 kN·m.這是由于樁間距的增大，使得單根支護(hù)樁需要承受更大的內(nèi)力.

(a) 一級(jí)樁的水平位移　　　(b) 二級(jí)樁的水平位移　　　(c) 一級(jí)樁的彎矩　　　　　(d) 二級(jí)樁的彎矩　圖7　不同二級(jí)支護(hù)樁間距下支護(hù)樁的水平位移和彎矩圖Fig.7　Horizontal displacement and bending moment of piles under various distance of second stage piles

2.3.3二級(jí)支護(hù)樁的嵌入比二級(jí)支護(hù)樁嵌入比(η=(L-h)/L)按0.6，0.8，1.0，1.2，1.4變化，水平位移和彎矩如圖8所示. 由圖8可知：二級(jí)支護(hù)樁嵌入比η的變化對(duì)一級(jí)支護(hù)樁和二級(jí)支護(hù)樁的受力、變形影響較小，這是由于二級(jí)支護(hù)樁的嵌固土層為硬土層，嵌入深度足夠時(shí)便不會(huì)影響到上部結(jié)構(gòu)的受力變形.因此，當(dāng)嵌固土層為硬土層時(shí)，二級(jí)支護(hù)樁嵌入比對(duì)基坑的變形和受力影響較小，二級(jí)支護(hù)樁的嵌入深度能夠提供足夠的嵌固力即可滿(mǎn)足要求.

(a) 一級(jí)樁的水平位移　　　(b) 二級(jí)樁的水平位移　　　(c) 一級(jí)樁的彎矩　　　　(d) 二級(jí)樁的彎矩　　圖8　不同二級(jí)支護(hù)樁樁嵌入比支護(hù)樁的水平位移和彎矩圖Fig.8　Horizontal displacement and bending moment of piles under various embedded ratio of second stage piles

3結(jié)論

在采用Zsoil軟件建立基本分析模型的基礎(chǔ)上，分析和探討了連梁的節(jié)點(diǎn)形式、截面尺寸、平臺(tái)寬度、二級(jí)支護(hù)樁的樁徑、間距、嵌入比等對(duì)支護(hù)樁的受力變形的影響，得到如下5個(gè)結(jié)論.

1) 連梁與支護(hù)樁間連接形式對(duì)支護(hù)樁的受力變形影響較大，連接形式以連梁與一級(jí)支護(hù)樁鉸接，與二級(jí)支護(hù)樁剛接為宜.

2) 連接平臺(tái)寬度的增加可顯著地減少支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體變形，改善支護(hù)樁的受力.

3) 二級(jí)支護(hù)樁樁徑的增加，并不能較好地控制一、二級(jí)支護(hù)樁的位移，樁身彎矩的卻變化較大.因此，改變樁徑不是控制位移的最合理方法.

4) 二級(jí)支護(hù)樁樁間距的變化對(duì)一級(jí)支護(hù)樁的受力和變形影響不大，而樁間距的減小能夠減小二級(jí)支護(hù)樁的最大位移，并能顯著改善二級(jí)支護(hù)樁的受力情況.

5) 二級(jí)支護(hù)樁樁端嵌固的土層為硬土?xí)r，嵌入比變化對(duì)一、二級(jí)支護(hù)樁的受力和變形影響較小.

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(責(zé)任編輯： 陳志賢 英文審校： 方德平)

Analysis on Mechanical Characteristics of Deepening Excavation

Foundation Pit Reinforced by Pile-Anchor Structure

GUO Li-qun, CHEN Ya-jun， XU Fang-chao

(College of Civil Engineering, Huaqiao University, Xiamen 361021, China)

Abstract：The deepening excavation foundation pit is required to reinforce the original supporting structure. The reinforced supporting structures are designed based on experience, and are not understanding the mechanical characteristics and influencing factors. The numerical model of deepening excavation reinforced by pile-anchor structure is established by the FEM software Zsoil to study the influence of various factors on force and deformation characteristics, including the factors are as follows: the coupling form and stiffness of coupling beams; the platform width; the embedded ratio, spacing, stiffness of second-stage piles. The results show that the coupling form of coupling beams and the platform width have a significant effect on the force and deformation of deepening excavation foundation pit.

Keywords：deepening excavation; reinforced supporting structure; mechanical characteristics; numerical simulation

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51208218)

通信作者：郭力群(1970-)，男，副教授，主要從事巖土工程的研究.E-mail:guoliqun@hqu.edu.cn.

收稿日期：2014-06-09

中圖分類(lèi)號(hào)：TU 473

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.11830/ISSN.1000-5013.2015.01.0086

文章編號(hào)：1000-5013(2015)01-0086-05