懸臂樁基坑支護(hù)數(shù)值分析

董 潔 ，李建軍，秦偉華，段 偉

（中北大學(xué) 理 學(xué)院，山西 太 原030051）

1 引言

近年來(lái)，鉆孔灌注樁在邊坡和基坑支護(hù)工程中都已得到廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬對(duì)其受力機(jī)理進(jìn)行了深入的研究?？椎律龋?］應(yīng)用Fl AC3D模擬研究了基坑懸臂式傾斜支護(hù)樁的變形與受力規(guī)律，并將其結(jié)果與直立支護(hù)樁受力特征進(jìn)行了對(duì)比；房艷峰等［2］以鉆孔灌注樁為懸臂樁支護(hù)的基坑采用ANSYS進(jìn)行模擬，得到開(kāi)挖過(guò)程中樁與樁后土體位移的變化曲線；黃雪峰等［3］結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)懸臂樁在開(kāi)挖工況條件下的受力性狀和內(nèi)力傳遞特征進(jìn)行了分析；王小敏等［4］采用傳統(tǒng)理論計(jì)算對(duì)懸臂支護(hù)樁在土壓力計(jì)算方面存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析研究。

目前，懸臂式支護(hù)樁理論基本上是按一次性挖土進(jìn)行分析，而實(shí)際基坑開(kāi)挖過(guò)程與分層開(kāi)挖的情形相接近。因此，本文運(yùn)用Fl AC3D來(lái)計(jì)算各分層開(kāi)挖工況下懸臂樁樁后后土體變形、樁彎矩的變化規(guī)律。從而彌補(bǔ)傳統(tǒng)基坑理論只能計(jì)算結(jié)果不能反映基坑開(kāi)挖過(guò)程中受力和位移變化的不足之處。同時(shí)，通過(guò)數(shù)值模擬可以預(yù)見(jiàn)基坑的薄弱部分，提出針對(duì)性措施，完善優(yōu)化基坑支護(hù)方案，保證基坑施工的安全性。

2 計(jì)算理論

目前，我國(guó)基坑支護(hù)理論設(shè)計(jì)計(jì)算方法主要有：極限平衡法、彈性地基梁法和有限元法。其中，極限平衡法（又稱為壓力圖形法），是假定支護(hù)結(jié)構(gòu)在土壓力和結(jié)構(gòu)橫向支撐力的作用下達(dá)到平衡，利用力與力矩平衡條件求出嵌固固深度，是一種不考慮結(jié)構(gòu)變形的簡(jiǎn)單計(jì)算方法。彈性地基梁法是利用文克爾理論將支護(hù)結(jié)構(gòu)看作彈性地基上的梁來(lái)處理，可以計(jì)算出結(jié)構(gòu)的變形，但不能計(jì)算出樁周土體的沉降，根據(jù)彈性抗力系數(shù)隨深度的不同變化方式，將其分為常數(shù)法、m法、c法和k法。有限元法則是把基坑離散成一個(gè)個(gè)微小單元，再用數(shù)值計(jì)算的手段解出單元上所受的應(yīng)力與位移。

3 FLAC3D建模

3.1 Fl AC3D軟件簡(jiǎn)介

Fl AC3D是美國(guó)ITASCA咨詢公司根據(jù)Cundall等人提出的拉格朗日元法開(kāi)發(fā)的一個(gè)三維顯式有限差分軟件［5］，該軟件能夠較好地模擬巖土材料的破壞和塑性流動(dòng)的力學(xué)行為，是一種功能完備的巖土分析軟件。運(yùn)用它可以模擬多種結(jié)構(gòu)形式（其中包含四種結(jié)構(gòu)單元：梁?jiǎn)卧?、錨單元、樁單元和殼單元）和多種邊界條件。同時(shí)，該軟件還具有強(qiáng)大的內(nèi)嵌語(yǔ)言FISH，使用戶可以定義新的變量和函數(shù)，以適應(yīng)用戶的需要。計(jì)算模擬時(shí)用戶應(yīng)根據(jù)情況選擇合理的模型和計(jì)算模式，以使模擬結(jié)果與工程實(shí)際相符。

3.2 基本假設(shè)

模擬過(guò)程中，忽略地下水對(duì)土體性質(zhì)的影響，不考慮土的流變性；假設(shè)土體為均質(zhì)土體且抗拉強(qiáng)度為零，土體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

3.3 建模及相關(guān)參數(shù)

整個(gè)模型采用Mohr－Coulomb模型。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，基坑開(kāi)挖的影響深度為開(kāi)挖深度的2～4倍，影響寬度為開(kāi)挖深度的3～4倍［6，7］。故本次計(jì)算的幾何模型以基底左下角為原點(diǎn)，建立了一個(gè)50 m（x）×3.5 m（y）×30 m（z）的土體模型，如圖1所示。該模型中共有3 016個(gè)土體單元，4 770個(gè)單元節(jié)點(diǎn)，8個(gè)結(jié)果單元，9個(gè)結(jié)構(gòu)單元節(jié)點(diǎn)，循環(huán)18 671步。由于y方向所取尺寸比較小，故不考慮冠梁的作用。模型四個(gè)側(cè)面采用可動(dòng)滾軸支座邊界條件，底面采用固定支座邊界類型，頂面為自由面。

基坑開(kāi)挖深度為7 m，開(kāi)挖過(guò)程分4步完成。工況一采用放坡開(kāi)挖，開(kāi)挖深度為1 m，放坡角度為45°；工況二、三、四采用直立開(kāi)挖，開(kāi)挖深度均為2 m，即分別開(kāi)挖至3 m、5 m、7 m。

圖1 土體模型

4 模擬結(jié)果分析

4.1 樁后土體水平位移

從圖2可以看出，各工況下土體均有向基坑內(nèi)側(cè)發(fā)生位移的趨勢(shì)，同時(shí)，隨著開(kāi)挖深度的增加，坑后土體水平位移也在增大；基坑開(kāi)挖至坑底時(shí)，基坑上部土體水平位移達(dá)到最大，最大值為35 mm。同時(shí)，還可以看出，基底以下開(kāi)挖側(cè)土體水平位移明顯小于非開(kāi)挖側(cè)土體；整個(gè)基坑水平位移最大值不是發(fā)生在基底以上，而是位移基底下5 m左右。

圖2 樁后土體水平位移

4.2 支護(hù)樁彎矩變化

圖3為各開(kāi)挖工況下支護(hù)樁彎矩的變化曲線。當(dāng)開(kāi)挖深度較淺時(shí)，懸臂樁內(nèi)正負(fù)彎矩相差不大；當(dāng)開(kāi)挖深度較大時(shí)，樁內(nèi)彎矩呈現(xiàn)嚴(yán)重的不均勻性（圖4）。同時(shí)，隨著開(kāi)挖深度的增加，每一工況下樁內(nèi)最大正負(fù)彎矩均在增大，且樁身最大彎矩值點(diǎn)隨著樁身彎矩的增大而逐漸下移。

圖3 支護(hù)樁彎矩變化曲線

圖4 工況四懸臂樁彎矩

從圖4可以看出，該基坑在懸臂樁支護(hù)形式下，負(fù)彎矩占主導(dǎo)地位，且在基坑上部樁體主要承受負(fù)彎矩，基底以下樁體承受正彎矩。這種受力特征容易使樁身某處因彎矩過(guò)大而產(chǎn)生的應(yīng)力集中，從而不能充分發(fā)揮樁的性能。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)懸臂支護(hù)樁進(jìn)行數(shù)值分析，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

（1）隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，樁后土體水平位移在不斷增大；土體水平位移最大的位置不是位于基坑上部，而是在基底下5 m深度處。

（2）懸臂樁內(nèi)彎矩呈現(xiàn)嚴(yán)重的不均勻性；基坑上部負(fù)彎矩占主導(dǎo)地位，最大負(fù)彎矩位于基坑2／3深度處；基坑底部樁體容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。

（3）懸臂樁內(nèi)最大負(fù)彎矩值點(diǎn)隨著樁身彎矩的增大而逐漸下移。

［1］孔德森，張秋華，史明臣.基坑懸臂式傾斜支護(hù)樁受力特征數(shù)值分析［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2012，8（4）：742～747.

［2］房艷峰，高華喜.懸臂式圍護(hù)結(jié)構(gòu)基坑的數(shù)值模擬［J］.浙江海洋學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，29（1）：5～8.

［3］黃雪峰，張 蓓，覃小華，等.懸臂式圍護(hù)樁受力性狀與土壓力試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2015，36（2）：340～346.

［4］王小敏，王宏潤(rùn)，楊世忠.紅粘土中懸臂支護(hù)樁的土壓力計(jì)算［J］.貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，34（3）：106～110.

［5］陳育民，徐鼎平.FLAC／Fl AC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例［M］.北京 ：中國(guó)水利水電出版社，2009.

［6］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.

［7］秦四清.深基坑工程優(yōu)化設(shè)計(jì)［M］.北京：地震出版社，1998.