雙排樁+拉錨支護(hù)形式的有限元分析

章萬勝

(中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司)

【關(guān)鍵字】雙排樁；大角度拉錨；基坑支護(hù)

1 引言

近年來，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，高層建筑和各類地下工程大量出現(xiàn)，深基坑工程的圍護(hù)也越來越多的引起工程界的高度重視。雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)是近年來在天津市發(fā)展較快、應(yīng)用較多的一種懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)，通過連梁和冠梁形成門式剛架，其變形及內(nèi)力受連梁與樁頂連接方式以及前后排樁間距的影響較大。在軟土地區(qū)，采用雙排樁支護(hù)的深度一般不超過6m，而目前天津地區(qū)采用雙排樁支護(hù)的基坑深度已達(dá)10m 左右[1]。雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在山西長(zhǎng)治高鐵南站與站前停車樓之間得到實(shí)質(zhì)性的應(yīng)用，雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)也是有效地永久結(jié)構(gòu)，通過細(xì)致地力學(xué)分析和構(gòu)造處理，使支護(hù)結(jié)構(gòu)滿足《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB50068-2018之規(guī)定的結(jié)構(gòu)使用50a的設(shè)計(jì)使用年限。

雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)（包括樁間土加固型式）是通過雙排樁樁身本身的剛度來控制基坑的變形，當(dāng)基坑深度較深時(shí)通過增加樁徑來控制變形，不僅效果不佳且造價(jià)昂貴。那么如果能夠在雙排樁樁頂施加一個(gè)約束，則懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力及變形性應(yīng)該能夠得到有效的改善。在常規(guī)的拉錨結(jié)合支護(hù)樁的設(shè)計(jì)中，拉錨與水平地面的角度一般不超過規(guī)范要求的15°～25°，導(dǎo)致拉錨的水平長(zhǎng)度較大，超越了用地紅線所規(guī)定的范圍。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中受到較大的限制。本文中的拉錨為大角度拉錨，與地面的夾角大于60°，一般情況下可控制在紅線內(nèi)實(shí)施。因此，針對(duì)以上問題，本文提出了雙排樁結(jié)合大角度拉錨的設(shè)計(jì)思路，并進(jìn)行了有限元模擬分析。

2 基本算例

本次模擬計(jì)算的基坑開挖深度為8.0m，雙排樁的有效樁長(zhǎng)為20.0m，嵌固深度為12.0m，排間距為2400mm，樁間距為1500mm，樁徑均為800mm?；油獬d取值為10kPa，模型內(nèi)土層分為兩層：上部為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層，厚度H=10m，c=10kpa，φ=10°，γ=18kN/m3；下部為粉質(zhì)粘土層，厚度H=20m，c=15kpa，φ=25°，γ=20kN/m3。拉錨作用于前排樁間冠梁上，拉錨的水平距離約為7.0m，錨的長(zhǎng)度為14.0m，拉錨端部進(jìn)入好土層。

三維有限元分析軟件為ABAQUS，其土體本構(gòu)模型采用Drucker-Prager模型[2]。模型網(wǎng)格如圖1 所示。二維有限元計(jì)算軟件為PLAXIS，其本構(gòu)模型為Hardening-Soil 模型[3]，模型網(wǎng)格如圖2 所示。

圖1 ABAQUS 有限元模型網(wǎng)格圖

圖2 PLAXIS 有限元模型網(wǎng)格圖

3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)PKPM 計(jì)算結(jié)果，純雙排樁支護(hù)下，基坑最大水平變形為10.05cm。

3.1 純雙排樁支護(hù)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)三維有限元軟件計(jì)算結(jié)果可知，本算例使用純雙排樁支護(hù)時(shí)，基坑的最大水平變形為10.31cm。二維有限元軟件計(jì)算的結(jié)果為10.55cm。從基坑的變形云圖中可以看出，基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境的影響范圍約為基坑深度的2.5 倍（見圖3、圖4、圖5、圖6）。

圖3 基坑變形云圖

圖4 雙排樁變形云圖

圖5 二維基坑網(wǎng)格變形圖

圖6 二維基坑變形云圖

3.2 雙排樁+拉錨支護(hù)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)三維有限元軟件計(jì)算結(jié)果可知，本算例使用雙排樁+拉錨支護(hù)時(shí)，基坑的最大水平變形為4.05cm。二維有限元軟件計(jì)算的結(jié)果為4.53cm（見圖7、圖8、圖9、圖10）。

從上述分析的結(jié)果可以看出，單純雙排樁支護(hù)條件下的位移為10cm 左右，當(dāng)作用拉錨時(shí)雙排樁樁頂?shù)乃轿灰谱畲笾祪H約為4cm，在拉錨的作用下支護(hù)樁的水平位移減少了近60%；同時(shí)，由于拉錨的彈性支座的作用，基坑的整體變形隨之大幅度減少，單純雙排樁時(shí)最大變形近11cm，作用拉錨后為5cm左右，減少了近54%（見圖11）。因此，該組合支護(hù)形式既不設(shè)置內(nèi)支撐方便施工，又能有效的控制基坑的變形，但目前還僅為理論分析階段，仍然需要在今后的實(shí)際工程中驗(yàn)證并真正在工程中應(yīng)用。

圖7 基坑變形云圖

圖8 雙排樁及拉錨變形云圖

圖9 二維基坑網(wǎng)格變形圖

圖10 二維基坑變形云圖

4 結(jié)語

通過上述分析可知，雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于軟土地區(qū)的較深基坑時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的變形，不利于周邊環(huán)境的保護(hù)，在實(shí)際工程的應(yīng)用中受到了較大的限制。本文通過采用設(shè)置大角度拉錨的措施，改善了雙排樁的受力性能和變形特性，使雙排樁的水平位移得到了有效的控制。由于大角度拉錨的存在在很大程度上減小了支護(hù)樁的最大水平位移，減少量近60%；使得基坑變形減小了約54%，大大降低了該支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)周邊環(huán)境的影響。

圖11 水平位移對(duì)比曲線

在土質(zhì)較好，地下水位比較深，一般在支護(hù)深度以下地區(qū)可以用不同樁徑的結(jié)構(gòu)，水平格構(gòu)冠梁加強(qiáng)灌注樁之間的聯(lián)系，前排大樁徑可達(dá)1.2m，后排小樁徑一般在0.8m ～1.2m 之間，樁距靈活布置并適當(dāng)?shù)臉?gòu)造防水措施，是雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)變?yōu)橛谰玫闹鯓?gòu)筑物。這也是我院把雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在太焦高鐵長(zhǎng)治南站站前廣場(chǎng)與停車樓之間實(shí)際應(yīng)用。