雙排樁復(fù)合錨固支護(hù)體系的數(shù)理模擬分析研究

李更杰

（遼寧省沈陽(yáng)市昌圖縣八面城水利站，遼寧 昌圖 112500）

0 引言

工程施工離不開支護(hù)體系的結(jié)構(gòu)支持、維護(hù)和保障，其實(shí)構(gòu)成工程施工操作重要的技術(shù)，并與施工效率、質(zhì)量和操作安全有著緊密的聯(lián)系，下文將重點(diǎn)對(duì)雙排樁復(fù)合錨固支護(hù)體系的功效特點(diǎn)開展有有針對(duì)性的數(shù)理模擬分析。

1 復(fù)合錨固雙排樁支護(hù)體系的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

雙排樁復(fù)合支護(hù)體系是在單排樁支護(hù)體系的技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的復(fù)合支護(hù)技術(shù)，其是由平行的兩排鋼筋混凝土樁結(jié)構(gòu)與混凝土樁頂連梁結(jié)構(gòu)共同構(gòu)架的空間支護(hù)結(jié)構(gòu)體系。雙排樁復(fù)合錨固支護(hù)體系是近年來(lái)工程應(yīng)用比較多的一種新型雙排樁復(fù)合支護(hù)型式，是門架式雙排樁支護(hù)體系與錨固結(jié)構(gòu)的復(fù)合運(yùn)用，適合在一些有較大深度基坑支護(hù)，或者地質(zhì)條件較差的工程施工中應(yīng)用。雙排樁復(fù)合錨固支護(hù)體系結(jié)構(gòu)，具體見圖1。

圖1 復(fù)合錨固雙排樁支護(hù)體系圖

復(fù)合錨固雙排樁支護(hù)體系的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

（1）適合在較大深度基坑開展支護(hù)應(yīng)用，通常其勝任支護(hù)深度可在15 m以上；

（2）在基坑深度等同的條件下，雙排樁復(fù)合錨固支護(hù)體系較連續(xù)地下墻支護(hù)體系的應(yīng)用造價(jià)更低廉；

（3）相對(duì)于支撐支護(hù)體系，錨固樁支護(hù)體系結(jié)構(gòu)的基坑內(nèi)場(chǎng)地占用范圍更簡(jiǎn)省，這更加方便于基坑土方開挖和基坑部的工程施工，有助于縮短工程工期。

2 基于不同結(jié)構(gòu)方案的復(fù)合功效比對(duì)分析

分別采用舊式純雙排樁支護(hù)體系、無(wú)預(yù)應(yīng)力施加錨固復(fù)合支護(hù)體系以及施加預(yù)應(yīng)力錨固復(fù)合支護(hù)體系分別實(shí)施模擬計(jì)算，以分析樁體水平位移、土體位移以及彎矩的變化規(guī)律。

（1）基于不同支護(hù)體系的x向土體位移規(guī)律

土體x向位移有限元數(shù)理模擬計(jì)算結(jié)果顯示，采用原舊式雙排樁復(fù)合支護(hù)體系時(shí)，基坑土體在x方向發(fā)生4.9 cm位移量，位移發(fā)生部位在樁頂區(qū)域；采用雙排樁施加無(wú)預(yù)應(yīng)力錨固復(fù)合支護(hù)體系，基坑土體發(fā)生x方向最大位移量2.3 cm，位移發(fā)生部位在錨點(diǎn)附近區(qū)域；采用雙排樁施加預(yù)應(yīng)力錨固復(fù)合支護(hù)體系，當(dāng)施加180 kN預(yù)應(yīng)力給錨固時(shí)，基坑土體發(fā)生x方向最大位移量1.5 cm，位移發(fā)生部位在基坑坑底區(qū)域。

相對(duì)于原舊式雙排樁復(fù)合支護(hù)體系，雙排樁復(fù)合錨固支護(hù)體系可以顯著降低基坑土體的水平位移，其無(wú)預(yù)應(yīng)力錨固復(fù)合支護(hù)的土體位移降幅53.40%，有180kN預(yù)應(yīng)力錨固復(fù)合支護(hù)的土體位移降幅33.98%。由于錨固的錨拉作用，三種支護(hù)體系下，發(fā)生基坑土體最大位移部位在逐漸下移，顯示最大內(nèi)力向跨中逐漸移動(dòng)的狀態(tài)。此外我們還發(fā)現(xiàn)，不同支護(hù)狀態(tài)下，基坑土體位移范圍分布亦不同，顯示無(wú)預(yù)應(yīng)力錨固時(shí)的影響范圍相對(duì)小，有預(yù)應(yīng)力錨固作用時(shí)影響范圍相對(duì)增大。

（2）基于不同支護(hù)體系的Z向土體位移規(guī)律

土體Z向位移有限元數(shù)理模擬計(jì)算結(jié)果顯示，土體在基坑外呈現(xiàn)整體下降趨勢(shì)，土體在基坑內(nèi)表現(xiàn)為隆起狀態(tài)，這與基坑工程的實(shí)際土體變化形態(tài)相一致。基坑外部的支護(hù)樁近邊土體發(fā)生的沉降量通常很小，表明雙排樁較好地約束了土體的位移變化。當(dāng)選用雙排樁無(wú)錨固復(fù)合支護(hù)體系時(shí)，基坑外土體一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)離側(cè)壁越遠(yuǎn)則沉降越大的狀態(tài)，在距外坑壁50 cm～100 cm范圍內(nèi)發(fā)生最大沉降沉降值通常在2.26 cm左右，這是由于土體與排樁間存在粘結(jié)摩擦作用所致。當(dāng)選用雙排樁錨固施加預(yù)應(yīng)力復(fù)合支護(hù)體系時(shí)，基坑外側(cè)的土體Z向位移基本零值，即沒(méi)有隆起或凹陷發(fā)生，表明錨桿的抗拉拔預(yù)應(yīng)力作用，把土體很好地約束在一定范圍內(nèi)。

在三種支護(hù)體系中，基坑的底部土體均呈現(xiàn)隆起狀態(tài)，越遠(yuǎn)離基坑壁，這個(gè)隆起值越大，其最大隆起值可達(dá)8.31 cm，無(wú)論采用錨桿與否，它們的隆起范圍和幅度大小大致等同?？拥淄馏w發(fā)生隆起的原因通常包括兩方面：一是坑外土體存在塑性流動(dòng)，它們向基坑內(nèi)部滑移，形成橫向擠壓應(yīng)力，致坑底土體隆起；二是坑內(nèi)土體釋放自重應(yīng)力，推動(dòng)坑底土體發(fā)生向上回彈。

（3）三種不同支護(hù)形式的雙排樁位移及彎矩變化

采用原舊式雙排樁時(shí)，發(fā)生最大水平位移前排樁為4.9 cm，后排樁為4.8 cm，并且它們都發(fā)生于樁頂區(qū)域，呈懸臂受力特性。表明在基坑存在較大深度時(shí)，懸臂式雙排樁復(fù)合支護(hù)體系的側(cè)移限制功能有限；當(dāng)采用無(wú)錨固預(yù)應(yīng)力復(fù)合支護(hù)體系時(shí)，發(fā)生最大水平位移前排樁為2.23 cm，后排樁為1.88 cm。前排樁頂位移量1.76 cm，降幅53.80%，后樁頂位移量1.76 cm，降幅61.24%。曲線趨勢(shì)為最大位移發(fā)生于錨點(diǎn)處，而樁頂處位移發(fā)生幅度顯著減小，錨樁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力反應(yīng)特征明顯；當(dāng)采用錨固施加180 kN預(yù)應(yīng)力復(fù)合支護(hù)體系時(shí)，發(fā)生最大水平向位移，前排樁移動(dòng)值為1.4 cm，后排樁移動(dòng)值為5.1 cm。前排樁最大移動(dòng)值發(fā)生在距基坑頂64 cm區(qū)域，后排樁最大移動(dòng)值發(fā)生在距基坑頂70 cm區(qū)域。前后排樁的最大位移和樁頂位移均呈快速降低態(tài)，降低幅度相對(duì)明顯。

雙排樁復(fù)合支護(hù)體系增加錨固后，前后排樁的受力特點(diǎn)發(fā)生了改變。前排樁頂彎矩由初值的-221.45 kN·m演變?yōu)榻K值的-189 kN·m，后排樁頂彎矩由初值-697 kN·m演變?yōu)榻K值的-198.7 kN·m，顯示錨固的錨固力改變了冠梁以及前后排樁的受力特點(diǎn)。冠梁以后來(lái)的傳遞軸力取代最初的傳遞彎矩。不同的3種支護(hù)方案下，樁彎矩在后排變化最大，最大正彎矩由初值478.6 kN·m變?yōu)?78 kN·m，直至89.6 kN·m；最大負(fù)彎矩由初值-697.2 kN·m變?yōu)?356.4 kN·m直至-198.7 kN·m。有無(wú)錨固和是否施加錨固預(yù)應(yīng)力，對(duì)后排樁的應(yīng)力影響更為顯著。

3 雙排樁錨固支護(hù)體系的模擬計(jì)算

（1）錨固長(zhǎng)度對(duì)支護(hù)體系功效的影響

在前排樁的冠梁處架設(shè)錨固點(diǎn)，錨固預(yù)應(yīng)力取值180 kN，錨長(zhǎng)度分別取為：190 cm、150 cm、120 cm、90 cm和50 cm。對(duì)應(yīng)錨長(zhǎng)計(jì)算樁位移，結(jié)果顯示，排樁水平位移在50 cm錨桿長(zhǎng)度時(shí)始終較大，平均位移約在在5 cm左右，呈懸臂構(gòu)件特征，于樁頂發(fā)生最大位移。最大排樁水平位移在90 cm錨桿長(zhǎng)度時(shí)顯著下降，前樁下降值2.6 cm，后排樁下降值為2.5 cm，降幅均達(dá)到50%左右，曲線趨勢(shì)顯著改變，應(yīng)力特征為有錨固支護(hù)特征，當(dāng)長(zhǎng)度取150 cm以及取190 cm時(shí)，最大位移開始基本保持不變，意味錨長(zhǎng)達(dá)到一定值后，位移約束力開始變得有限，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用中，不能單純依靠以錨桿長(zhǎng)度來(lái)控制位移。

對(duì)應(yīng)錨長(zhǎng)計(jì)算彎矩，結(jié)果顯示，在＜120 cm的錨桿長(zhǎng)度，隨錨固桿的長(zhǎng)度增加，無(wú)論支護(hù)體系的前排樁還是后排樁，其正負(fù)彎矩在這個(gè)范圍呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。而當(dāng)錨桿長(zhǎng)度一旦＞120 cm以后，這種變化趨勢(shì)就越發(fā)變得不很明顯。

（2）錨固應(yīng)力對(duì)支護(hù)功效的影響

在雙排樁復(fù)合錨固支護(hù)結(jié)構(gòu)中，支護(hù)結(jié)構(gòu)和基坑的內(nèi)應(yīng)力變化受到錨固預(yù)應(yīng)力的顯著影。對(duì)應(yīng)施加錨應(yīng)力的樁位移計(jì)算。結(jié)果顯示，錨應(yīng)力施加取值120 kN時(shí)，其水平最大位移：前樁為1.58 cm，后樁為1.22 cm，樁頂水平位移：前樁為0.82 cm，后樁為0.82 cm；錨應(yīng)力180 kN，最大水平位移：前樁為1.42 cm，后樁為1.04 cm，樁頂水平位移：前樁為0.52 cm，后樁為0.52 cm?？傮w狀態(tài)看，位移隨著預(yù)應(yīng)力增加而對(duì)應(yīng)不斷減少。這其中，水平位移的幅度變化相對(duì)較大區(qū)域是地面下深度60 cm～90 cm的范圍內(nèi)。但這個(gè)深度如果繼續(xù)增加，樁體水平向位移變化的幅度立即變得不明顯。

對(duì)應(yīng)錨應(yīng)力的排樁彎矩計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，錨固應(yīng)力取值120 kN時(shí)，最大正彎矩：前樁265.3 kN·m，后樁110.5 kN·m；最大負(fù)彎矩：前樁 -517.6 kN·m，后樁 -249.3 kN·m；錨固應(yīng)力取值180 kN時(shí)，最大正彎矩：前樁237.8 kN·m，后樁 89.7 kN·m；最大負(fù)彎矩：前樁 -512.4 kN·m，后樁-240.9 kN·m。

（3）對(duì)應(yīng)錨點(diǎn)位置的支護(hù)功效影響

其他各條件不變，錨固無(wú)施加預(yù)應(yīng)力，錨點(diǎn)設(shè)于地面下-40 cm、-56 cm和-72 cm處，對(duì)應(yīng)錨點(diǎn)位置的樁位移計(jì)算，結(jié)果顯示，設(shè)置錨點(diǎn)于地面-40 cm時(shí)，最大水平向位移：前樁2.2 cm，后樁1.9 cm，樁頂水平位移：前樁為1.76 cm，后樁為1.76 cm；設(shè)置錨點(diǎn)于地面-72 cm時(shí)，最大水平位移：前樁為2.31 cm，后樁為2.16 cm，樁頂水平位移：前樁2.07 cm，后樁2.06 cm。位移隨錨點(diǎn)位置下移均發(fā)生一定程度增大，并且這個(gè)增大趨勢(shì)是后排樁較前排樁明顯。

基于不同錨點(diǎn)位置模擬計(jì)算所得樁彎矩變化，如果錨點(diǎn)設(shè)置位置逐漸降低，最大負(fù)彎矩：前樁由-542 kN·m逐漸減少為-476 kN·m，降幅達(dá)12.2%；后排樁由-352 kN·m逐漸增大到-467 kN·m，增加幅度達(dá)32.7%。綜合看來(lái)，雙排樁復(fù)合錨固支護(hù)中，在冠梁設(shè)置錨點(diǎn)，其約束效果相對(duì)更好，錨點(diǎn)在冠梁設(shè)置，其抗拉拔功效更能得到發(fā)揮，對(duì)形變約束要更為有效。雙排樁復(fù)合支護(hù)體系中以增加多排錨桿來(lái)約束形變的作用效果并不理想，雙排樁復(fù)合支護(hù)體系的形變約束，重點(diǎn)應(yīng)在第一排錨桿，冠梁處設(shè)置錨點(diǎn)約束效果明顯。表明在雙排樁復(fù)合支護(hù)體系中以增加多排錨桿來(lái)約束形變的作用效果并不理想，雙排樁復(fù)合支護(hù)體系的形變約束，重點(diǎn)應(yīng)在第一排錨桿，冠梁處設(shè)置錨點(diǎn)約束效果明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以有限元數(shù)理模擬分析的方式，對(duì)雙排樁復(fù)合錨固支護(hù)體系的功效特點(diǎn)開展有有針對(duì)性的數(shù)理模擬分析，得出的主要認(rèn)識(shí)和結(jié)論是：

1）雙排樁復(fù)合支護(hù)體系相對(duì)更應(yīng)力均衡，此結(jié)構(gòu)的最大位移通常于樁頂以下20 cm～40 cm區(qū)間發(fā)生，彎矩最大值無(wú)論正值還是負(fù)值在前排樁始終比較接近。但在后排樁這里，懸臂構(gòu)件受力特征顯著，存在較大受力差異，并且最大位移多在樁頂處發(fā)生。

2）雙排樁復(fù)合錨固支護(hù)中，在冠梁設(shè)置錨點(diǎn)，其約束效果相對(duì)更好，錨點(diǎn)在冠梁設(shè)置，其抗拉拔功效更能得到發(fā)揮，對(duì)形變約束要更為有效。雙排樁復(fù)合支護(hù)體系中以增加多排錨桿來(lái)約束形變的作用效果并不理想，雙排樁復(fù)合支護(hù)體系的形變約束，重點(diǎn)應(yīng)在第一排錨桿，冠梁處設(shè)置錨點(diǎn)約束效果明顯。