管樁支護(hù)水平位移數(shù)值模擬

孫 超 姜洪峰 郭浩天

(吉林建筑大學(xué) 測(cè)繪與勘查工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130118)

0 引言

隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展,深基坑支護(hù)技術(shù)也在不斷的豐富和完善,為確保基坑以及周邊建(構(gòu))筑物、管線、道路等的安全,嚴(yán)苛的施工環(huán)境對(duì)基坑支護(hù)技術(shù)提出了挑戰(zhàn),但同時(shí)也促進(jìn)了基坑支護(hù)技術(shù)不斷豐富和完善.在傳統(tǒng)的基坑支護(hù)技術(shù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合工程實(shí)際,涌現(xiàn)出了一些新的基坑支護(hù)技術(shù),混凝土預(yù)制管樁就是其中之一,作為一種常見(jiàn)的擠土樁,常作為基礎(chǔ),具有單樁承載力高、造價(jià)低、施工速度快、穿透力強(qiáng)、成樁質(zhì)量可靠等特點(diǎn),一般情況下,軟土、粘性土、粉土、砂土及全風(fēng)化巖體等地層條件均可采用,因此在工業(yè)與民用建筑、鐵路、公路、橋梁、港口、碼頭等工程中得到了廣泛的應(yīng)用.近些年管樁被用于基坑支護(hù)工程,除施工效率高,能迅速形成圍護(hù)結(jié)構(gòu)外,其擠土效應(yīng)對(duì)樁間土還具有一定的擠密效果,尤其是閉口管樁,對(duì)于支護(hù)樁嵌入段土體抗力的提高作用十分顯著,因而工程界逐步將管樁應(yīng)用于基坑支護(hù)工程,預(yù)應(yīng)力混凝土空心樁按截面形式可以分為管樁、空心方狀,按混凝土等級(jí)強(qiáng)度等級(jí)可分為預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土樁、預(yù)應(yīng)力混凝土樁[1].本文運(yùn)用三維連續(xù)體拉格朗日快速分析(FLAC3D)軟件,分別在PHC(the pre-stressed high-intensity concrete)管樁壁厚、直徑、彈性模量等變量下,模擬計(jì)算不同因素對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形(水平位移)的影響大小,在此基礎(chǔ)上，分析影響管樁剛度的原因、預(yù)應(yīng)力對(duì)抗裂彎矩檢驗(yàn)值影響,從而為工程設(shè)計(jì)和施工提供參考.

1 管樁支護(hù)數(shù)值模擬

1.1 模型建立

深基坑采用預(yù)制PHC管樁支護(hù),基坑寬5m,深5m,樁型為圓樁管樁,樁長(zhǎng)15m,樁身材料選用C80混凝土,模擬土層為粉質(zhì)黏土,計(jì)算模型以水平向右為x軸,長(zhǎng)度取25m,垂直紙面向里為y軸,長(zhǎng)度取1m，垂直向上為z軸,取25m,整個(gè)模型尺寸25m×1m×25m,共劃分6 275個(gè)網(wǎng)格單元,8 067個(gè)節(jié)點(diǎn).模型前后左右自由邊界法向固定,邊界處格節(jié)點(diǎn)速度、位移不變,模型底面x,y,z三個(gè)方向自由度固定,頂面為自由表面.計(jì)算示意及立體模型見(jiàn)圖1、圖2.

1.2 定義本構(gòu)模型及參數(shù)

支擋結(jié)構(gòu)所承受的土壓力多為主動(dòng)土壓力,FLAC3D 數(shù)值模擬主動(dòng)土壓力時(shí),采用Mohr-Coulomb模型更符合工程要求[2],支護(hù)樁體為均質(zhì)各向同性連續(xù)介質(zhì)材料,具有線性應(yīng)力-應(yīng)變性[3].故土體采用Mohr-Coulomb模型,支護(hù)樁采用Elastic模型,樁土物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 樁、土物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical mechanical parameters for pile and soil

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 不同彈性模量下的結(jié)果及分析

模型初始應(yīng)力平衡見(jiàn)圖3,支護(hù)樁體的彈性模量分別為37.8GPa,47.8GPa,57.8GPa,67.8GPa時(shí),進(jìn)行數(shù)值模擬,其中彈性模量最小37.8GPa、最大67.8GPa時(shí)的樁體位移云圖見(jiàn)圖4、圖5,位移曲線見(jiàn)圖6.

圖6表明,預(yù)應(yīng)力管樁樁頂水平位移分別為4.4993e-5m,3.5189e-5m,2.9722e-5m,2.5225e-5m,隨支護(hù)樁體混凝土彈性模量的增加,樁體水平位移逐漸減小.在開(kāi)挖面以上,水平位移減小幅度最為明顯,開(kāi)挖面以下由于土體的約束作用,水平位移減小幅度呈降低趨勢(shì),由此可知,增加支護(hù)樁體彈性模量,使樁身整體剛度增加,從而使水平位移減小,彈性模量對(duì)支護(hù)樁體水平位移影響近似線性.

圖6 不同彈性模量值的樁體位移Fig.6 Displacement of pile under different elastic modulus values

圖7 不同壁厚樁體位移曲線Fig.7 Displacement curves of piles with different wall thickness

2.2 不同壁厚下的結(jié)果及分析

支護(hù)樁體內(nèi)徑不變,壁厚分別為0.1m,0.2m,0.3m時(shí),進(jìn)行數(shù)值模擬,其中壁厚最小、最大時(shí)的樁體位移曲線見(jiàn)圖7,位移云圖見(jiàn)圖8.

圖8表明,增加管樁壁厚,支護(hù)樁體水平位移減小,且開(kāi)挖面以上隨壁厚增加,水平位移減小幅度增加,開(kāi)挖面以下由于土體的約束作用,水平位移幾乎不變,由此可知,內(nèi)徑不變下,增加壁厚,減小支護(hù)樁體位移效果明顯.

圖8 壁厚0.1m,0.3m時(shí)位移云圖Fig.8 Displacement nephogram of wall thickness 0.1m and 0.3m

圖9 外半徑0.2m,0.45m時(shí)位移云圖Fig.9 Displacement nephogram of external radius 0.2m and 0.45m

2.3 不同外徑下的結(jié)果及分析

支護(hù)樁體壁厚(0.1m)不變,通過(guò)增加內(nèi)半徑,使外半徑分別為0.2m,0.3m,0.4m,0.45m時(shí),進(jìn)行數(shù)值模擬,其中外半徑最小、最大時(shí)的樁體位移云圖見(jiàn)圖9,位移曲線見(jiàn)圖10.

圖10表明,管樁壁厚不變,隨外徑的增加,支護(hù)樁樁頂水平位移呈非線性減小,外徑增大,使管樁慣性矩、剛度增大,直接導(dǎo)致支護(hù)管樁水平位移減小,隨深度增加,在開(kāi)挖面以下,土體對(duì)支護(hù)樁體有約束作用,管樁外徑增加對(duì)水平位移影響很小.

圖10 不同外半徑樁體位移曲線圖Fig.10 Displacement curves of piles with different external radius

圖11 管樁壁厚示意Fig.11 Schematic of pipe pile wall thickness

圖11(c)的截面慣性矩大于圖11(b),圖11(b)的截面慣性矩大于圖11(a),其原因是內(nèi)半徑r不變時(shí)壁厚δ變化對(duì)管樁剛度的影響大于壁厚δ不變時(shí)內(nèi)半徑r變化對(duì)管樁剛度的影響,所以理論上在其他條件相同的情況下,增加壁厚δ可減小管樁水平位移,且效果比增加內(nèi)半徑r好.但在實(shí)際工程中因施工、周圍環(huán)境復(fù)雜條件所限,大多數(shù)情況下不允許增加壁厚,因?yàn)榫S持內(nèi)半徑不變,增加壁厚,會(huì)增加擠土效應(yīng),對(duì)周圍建筑物及施工影響較大,容易引起支護(hù)樁體水平位移、上浮及斷樁,因此,在管樁支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí),要綜合考慮,在消耗成本最小的情況下,取得最好的效果.

3 預(yù)應(yīng)力對(duì)水平位移影響的分析

鋼筋混凝土構(gòu)件加載開(kāi)裂時(shí),截面剛度變小,從而導(dǎo)致整個(gè)構(gòu)件剛度減小[4].彎矩值小于抗裂彎矩值時(shí),剛度沒(méi)有損失,當(dāng)大于抗裂彎矩值時(shí),剛度急劇減小,不同型號(hào)的樁,都有這一規(guī)律,預(yù)應(yīng)力越大,管樁的剛度降低幅度越小越慢,所以,增加預(yù)應(yīng)力能有效降低支護(hù)管樁水平位移.

《預(yù)應(yīng)力管樁規(guī)范》[5]數(shù)據(jù)(見(jiàn)表2)表明,抗裂彎矩增加幅度隨著預(yù)應(yīng)力增加呈減小趨勢(shì).

表2 預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁的配筋和力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of pre-stressed reinforcement and concrete pipe pile

表2表明,管樁外徑300mm,壁厚70mm,混凝土有效預(yù)壓力3.8MPa,抗裂彎矩檢驗(yàn)值23kN·m,預(yù)應(yīng)力增加1.5MPa,抗裂彎矩檢驗(yàn)值增加5kN·m.

如想抗裂彎矩檢驗(yàn)值再增5kN.m,則預(yù)應(yīng)力需增加1.9MPa,要獲得相同的增幅,就需增加更大的預(yù)應(yīng)力.所以,增加預(yù)應(yīng)力可以延遲管樁的開(kāi)裂,從而推遲剛度的降低,使管樁變形減小,水平位移也減小,預(yù)應(yīng)力與管樁抗裂彎矩檢驗(yàn)值之間呈非線性關(guān)系.在某種情況下,如一味通過(guò)增加預(yù)應(yīng)力來(lái)增加管樁的抗裂彎度或減小管樁的變形是不經(jīng)濟(jì)的.

4 結(jié)論

(1) 隨著管樁彈性模量、壁厚、外徑的增大,支護(hù)樁體水平位移減小,開(kāi)挖面以上的水平位移減小比開(kāi)挖面以下明顯,其中彈性模量對(duì)位移的影響近似線性,壁厚、外徑對(duì)水平位移的影響呈非線性.

(2) 在一定情況下,對(duì)管樁水平位移的影響,增加壁厚比保持壁厚不變?cè)黾觾?nèi)徑效果更好.

(3) 在一定的開(kāi)挖深度下,剛度越大,位移曲線重合處離地面越近.

(4) 預(yù)應(yīng)力越大,管樁的抗裂彎矩越大,管樁開(kāi)裂延遲,剛度降低也被延遲,管樁側(cè)向位移減小,但不能無(wú)限增加預(yù)應(yīng)力,達(dá)到一定程度,再增加預(yù)應(yīng)力效果不明顯.

[1] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 建筑樁基技術(shù)規(guī)范(JGJ94-2008)[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社出版,2008.

[2] 彭文斌.FLAC3D實(shí)用教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[3] 陳玉民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例(第二版)[M].北京:中國(guó)水力水電出版社,2013.

[4] 苑舉衛(wèi),孫邦賓,郭彤,姚兵.預(yù)應(yīng)力管樁用于基坑支護(hù)的抗彎剛度分析及工程應(yīng)用分析研究[J].混凝土與水泥制品,2014(9):71-74.

[5] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 預(yù)應(yīng)力管樁規(guī)范[S].03SG409北京:中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院出版,2003.