新型可回收深基坑支護(hù)體系豎向樁位移和變形分析

李海哲 王維玉 王海龍

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.河北建筑科學(xué)研究院，河北 石家莊 050021)

0 引 言

由于基坑工程的特殊性，基坑支護(hù)屬于臨時(shí)性工程，在基坑回填完成后便失去使用價(jià)值，屬于一次性工程，不能拆除再次使用，造成材料不必要的浪費(fèi)，同時(shí)為后續(xù)的工程開發(fā)帶來巨大阻力和極大的浪費(fèi).現(xiàn)有基坑支護(hù)方式普遍存在施工工序繁瑣、建筑材料浪費(fèi)、施工周期長、污染環(huán)境等問題，為了避免這種情況發(fā)生，提出了一種可全部回收重復(fù)利用的支護(hù)體系——裝配式可回收深基坑支護(hù)體系[1].裝配式可回收支護(hù)體系豎向鋼管樁、橫向梁、擋土板與可回收錨桿組成，其荷載傳遞方式為土壓力首先傳遞給豎向支撐的樁然后再由豎向支撐樁傳遞給橫向梁，橫向梁繼而將力傳遞到錨桿上[2].

目前裝配式可回收深基坑支護(hù)的深基坑理論研究[3]在進(jìn)行樁的計(jì)算設(shè)計(jì)時(shí)由于這種嵌套結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，把它等效成等長度的單根鋼樁來進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，使得單根鋼管樁和嵌套樁的水平位移有一定差異.嵌套樁結(jié)構(gòu)的可回收性，對樁身的變形彎曲會有一定的限制，彎曲過大時(shí)會導(dǎo)致無法達(dá)到可回收的效果.本文正是基于這樣的考慮來研究這不同支護(hù)方式、不同荷載樁的變形規(guī)律，嵌套樁和單根套管樁的水平位移差異對工程造成的影響，以及嵌套樁的彎曲變形規(guī)律，為今后的設(shè)計(jì)提供更精確、安全合理的指導(dǎo).

1 工程概況

河北省石家莊市某醫(yī)院，擬建醫(yī)學(xué)樓地上5層，其中中南部地下2層，框架結(jié)構(gòu)，獨(dú)立基礎(chǔ)，局部筏板基礎(chǔ)，基坑實(shí)際開挖深度由現(xiàn)有地面算起為10.7-12.7米，整個(gè)基坑周長198m.場地北側(cè)為2層配電房，與基坑下口線距離2.50m；東側(cè)有小區(qū)道路及6層住宅樓，道路距離基坑下口線3.9m，住宅樓距離下口線13.90m基坑平面圖如圖1所示：

圖1 基坑平面圖

2 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 土壓力計(jì)算

本工程基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的側(cè)向壓力有土壓力、基坑周邊建筑物以及施工荷載和道路荷載.土壓力由土體所受到的側(cè)向變形條件來確定[4]其中包括：主動土壓力、被動土壓力、靜止土壓力.本次基坑支護(hù)設(shè)計(jì)采用朗肯土壓力計(jì)算，根據(jù)表1中的土體參數(shù)來計(jì)算主動土壓力.

表1 土體參數(shù)

計(jì)算得出土壓力計(jì)算值如圖2所示：

圖2 土壓力計(jì)算值

2.2 錨索計(jì)算設(shè)計(jì)

可回收新型支護(hù)結(jié)構(gòu)采用了一種可回收式錨桿[5]，這種新型錨桿的設(shè)計(jì)規(guī)范目前還比較欠缺，按傳統(tǒng)鋼絞線進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算.

初步設(shè)計(jì)[6]錨桿水平間距為1.2m,即一樁一錨式，垂直間距為3m,第一層錨桿距離坑頂間距1.5m,第四層錨桿距離坑頂10.5m,錨桿傾角為15°，成孔直徑150mm.依據(jù)錨索設(shè)計(jì)理論知識[4]得出錨桿最終設(shè)計(jì)結(jié)果如表2所示：

表2 錨桿設(shè)計(jì)表

2.3 豎向支撐設(shè)計(jì)

2.3.1 豎向樁簡化

豎向樁為嵌套樁，套管選用Q235φ600×15、φ550×15、φ500×15三種不同直徑的鋼管，每根長度為6m，之間用插銷搭接每根套管之間搭接長度為3.5m,每一根隔1.5m開一個(gè)直徑15mm孔方便裝配，組合后的長度為11m,如圖3所示：

圖3 嵌套樁圖形

由于這種嵌套結(jié)構(gòu)模型過于復(fù)雜不利于計(jì)算，把嵌套結(jié)構(gòu)簡化成無搭接的一根11m長厚度15mm的鋼管，如圖4所示：

圖4 單根豎向樁圖形

2.3.2 豎向樁計(jì)算

依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算原理[7]，按照圖5計(jì)算豎向樁的彎矩和剪力，計(jì)算結(jié)果如圖6、7所示：

圖5 豎向樁計(jì)算示意圖

圖6 豎向樁剪力圖圖7 豎向樁彎矩圖

從圖中可以看出最大彎矩和最大剪力均出現(xiàn)在第四層支點(diǎn)處，剪力最大值為220KN,彎矩最大值為90.39KN/m.根據(jù)以上數(shù)據(jù)選豎向樁受力最大位置作為驗(yàn)算界面進(jìn)行驗(yàn)算，本工程采用豎向樁為Q235Φ600×15的鋼管進(jìn)行結(jié)構(gòu)受彎計(jì)算，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)彎曲梁計(jì)算公式和抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式[8]，本次計(jì)算按修正后的單向梁進(jìn)行驗(yàn)算進(jìn)行計(jì)算：

(1)抗彎強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定：

2-1

2-2

式中：Mnx、Mny分別為同一截面對于x、y軸的彎矩KN/m；Wnx、Wny分別為對x、y軸的凈截面模量m3；γx、γy塑性發(fā)展系數(shù)；f鋼材的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值KN/m3;Inx、Iny對于x、y軸的慣性矩m4；K修正系數(shù)1/Kt，Kt為基坑支護(hù)安全系數(shù).

圓環(huán)形界面查表γx、γy都取值為1.5，計(jì)算結(jié)果為20.592N/mm<119.56N/mm.

(2)抗剪強(qiáng)度計(jì)算:

2-3

式中：V計(jì)算截面平面中作用的剪力(KN)；S計(jì)算點(diǎn)面積矩(m3)；I慣性矩(m4)；tw鋼管厚度(m)；fv鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(N/mm).

抗剪強(qiáng)度計(jì)算強(qiáng)度為29.33N/mm<69.44N/mm.

驗(yàn)算結(jié)果：本工程采用豎向樁為Q235Φ600×15鋼管的強(qiáng)度滿足要求.

3 基坑模型建立

3.1 模型尺寸

本文采用ABAQUS軟件進(jìn)行基坑開挖模擬[9]，研究對象為嵌套樁和單根鋼管樁的水平位移和彎曲變形，為了簡化模型采用取基坑中間局部位置建立三維平面進(jìn)行模擬[10].根據(jù)實(shí)際工況基坑?xùn)|側(cè)受到超載荷載最大，取基坑?xùn)|側(cè)作為研究建立模型，基坑尺寸為長21m,深11m,模型大小為長87m,深35m.

3.2 模型材料參數(shù)選取

土體參數(shù)采用第2章表1中給出的土體參數(shù).豎向樁、錨索材料屬性如表3中所示：

表3 豎向樁、錨索材料屬性

3.3 模型建立

模型左右兩邊的地質(zhì)條件、載荷、錨索和樁間距相同，左邊支護(hù)樁采用嵌套形式，右邊采用單根鋼管樁.模型一采用四道錨索，錨索位置距離坑頂位置分別為1.5m、4.5m、7.5m、10.5m，模型二采用五道錨索，距離坑頂距離分別為2m、4m、6m、8m、10m，地面荷載數(shù)值如表4所示.土體采用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型，支護(hù)樁、錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模型，模型在第一個(gè)分析步中進(jìn)行地應(yīng)力平衡[11]，后續(xù)分析步中利用ABAQUS中的model change功能分析開挖的土層達(dá)到分步開挖效果.邊界條件模型上部為自由邊，左右兩側(cè)及底部施加固定約束邊界.經(jīng)過繪制模擬模型如圖8所示：

表4 地面荷載值

圖8 基坑模擬模型圖

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過數(shù)值結(jié)果對比分析不同錨索位置、不同地面荷載作用樁的變形規(guī)律，下列圖形中正值表示為坑內(nèi)方向、負(fù)值為坑外方向.

4.1 施加四道錨索支護(hù)樁水平位移和彎曲變形分析

(1)實(shí)際工況地面荷載作用：兩種樁的水平位移數(shù)據(jù)如圖9和10所示；左邊樁(嵌套鋼管)的位移減去右邊樁(簡化為單個(gè)鋼管樁)的位移，可以得出兩種支護(hù)形式的水平位差異如圖11所示；嵌套樁的彎曲變形如圖12所示：

圖9 左樁水平位移(嵌套鋼管樁) 圖10 右樁水平位移(單根鋼管樁)

圖11 樁水平位移對比圖 圖12 彎曲變形圖

分析以上數(shù)據(jù)可以得出：

①從圖9、圖10中可以看出嵌套樁和單根鋼管樁的水平位移隨著開挖深度增加而不斷變大，嵌套樁和單根鋼管樁均在開挖四中水平位移達(dá)到最大值2cm，通過查閱規(guī)范[12]一級基坑水平位移預(yù)警值為3cm,符合基坑技術(shù)規(guī)范要求；

②從圖11中可以看出在0～6m嵌套樁水平位移比單根鋼管樁小0.2mm,6～11m大0.15mm并且6～11m圖形變化節(jié)點(diǎn)處在套管插銷連接處，說明樁在這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生了水平方向轉(zhuǎn)動；

③從圖12中可以看出樁身的彎曲值都為正值，說明樁身是向著基坑內(nèi)方向彎曲的；樁身彎曲最大值在樁中間位置，并且隨著開挖深度的增加而變大，在開挖四中達(dá)到最大值9mm,嵌套樁上下相鄰套管預(yù)留的空隙為15mm,此時(shí)產(chǎn)生的彎曲不會對回收造成影響.

(2)兩倍荷載作用：樁的水平位移數(shù)據(jù)如圖13和14所示；支護(hù)形式的水平位差異如圖15所示；嵌套樁的彎曲變形如圖16所示：

圖13 左樁水平位移(嵌套鋼管樁) 圖14 右樁水平位移(單根鋼管樁)

圖15 樁水平位移對比圖 圖16 彎曲變形圖

分析以上數(shù)據(jù)可以得出：

①從圖13、圖14中可以看出嵌套樁和單根鋼管樁的水平位移在開挖四顯著增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)全部土體的側(cè)向壓力，中嵌套樁和單根鋼管樁水平位移達(dá)到最大值6cm，超過基坑水平位移規(guī)范預(yù)警值；

②從圖15中可以看出開挖三、開挖四中支護(hù)結(jié)構(gòu)受到比較大的土體壓力在0-6m嵌套樁水平位移比單根鋼管樁大1mm,且在6m的節(jié)點(diǎn)處兩邊變化不一致，樁在此節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生了水平方向轉(zhuǎn)動；

③從圖16中樁身是向著基坑內(nèi)方向彎曲的，樁身彎曲最大值在樁中間位置，并且隨著開挖深度的增加而變大，在開挖四中達(dá)到最大值13mm,嵌套樁上下相鄰套管預(yù)留的空隙為15mm,此時(shí)產(chǎn)生的彎曲對回收造成影響.

4.2 施加五道錨索支護(hù)樁水平位移和彎曲變形分析

(1)實(shí)際工況地面荷載作用：樁的水平位移如圖17、18所示；左邊樁(嵌套鋼管)的位移減去右邊樁(簡化為單個(gè)鋼管樁)的位移，可以得出兩種支護(hù)形式的水平位差異如圖19所示；嵌套樁的彎曲變形圖如圖20所示：

圖17 左樁水平位移(嵌套鋼管樁) 圖18 右樁水平位移(單根鋼管樁)

圖19 樁位移對比圖 圖20 彎曲變形圖

以上數(shù)據(jù)水平位移進(jìn)行分析可以得出：

①從圖17、圖18中可以看出嵌套樁和單根鋼管樁的水平位移隨著開挖深度增加產(chǎn)生了一定的傾斜，坑頂?shù)乃轿灰菩∮诳拥?，嵌套樁和單根鋼管樁均在開挖五水平位移達(dá)到最大值1.8cm，與施加四道錨索的水平位移差異很小；

②從圖19中可以看出在嵌套樁水平位移比單根鋼管樁在樁中間位置處小0.4mm,并且在1-8m樁體水平位移都小于單根鋼管樁,在底部第三節(jié)連接節(jié)點(diǎn)處發(fā)生了轉(zhuǎn)動；

③從圖20中看出樁身也是向著基坑內(nèi)方向彎曲的，樁身彎曲最大值在樁中間位置，并且隨著開挖深度的增加而變大，在開挖四中達(dá)到最大值4.7mm,明顯小于施加四道錨索樁的彎曲.

(2)兩倍地面荷載作用：樁的水平位移數(shù)據(jù)如圖21和22所示；支護(hù)形式的水平位差異如圖23所示；嵌套樁的彎曲變形如圖24所示：

圖21 左樁水平位移(嵌套鋼管樁) 圖22 右樁水平位移(單根鋼管樁)

圖23 樁位移對比圖 圖24 彎曲變形圖

以上數(shù)據(jù)水平位移進(jìn)行分析可以得出：

①從圖21、圖22中可以看出嵌套樁和單根鋼管樁的水平位移隨著開挖深度增加，開挖五大道最大值5cm；

②從圖23中可以看出在嵌套樁水平位移比單根鋼管樁在開挖一、二、三中小0.38mm；開挖四中0-5m小于單根鋼管樁，5-11m大于大于單根鋼管樁；開挖五嵌套樁整體位移都大于單根鋼管樁，并且在6m處變形曲線發(fā)生了轉(zhuǎn)折；

③從圖24中看出樁身也是向著基坑內(nèi)方向彎曲的，樁身彎曲最大值在樁中間位置，并且隨著開挖深度的增加而變大，在開挖四中達(dá)到最大值7mm,沒有影響到樁的回收，明顯小于施加四道錨索樁的彎曲.

5 結(jié) 論

通過基坑設(shè)計(jì)以及數(shù)值模擬分析，支護(hù)嵌套樁樁結(jié)構(gòu)簡化成單根鋼管樁設(shè)計(jì)這兩種支護(hù)樁在不同支護(hù)條件下的變形對比以及嵌套樁的彎曲變形分析，得出如下結(jié)論：

(1)嵌套樁和單根鋼管樁在施加四道和五道錨索的情況下的水平位移對比分析，這兩者樁的水平位移誤差可以忽略不計(jì)，可以采用簡化計(jì)算方式進(jìn)行計(jì)算；

(2)嵌套樁結(jié)構(gòu)在插銷連接處產(chǎn)生輕微的轉(zhuǎn)動，反映了采用一個(gè)鉸接的方式會影響樁的整體穩(wěn)定性，應(yīng)該在每個(gè)連接處增加連接節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)樁的穩(wěn)定性；

(3)樁的水平位移滿足要求的情況下，樁的彎曲變形沒有影響到樁的回收；

(4)超載作用下，施加四道錨索和五道錨索都產(chǎn)生的水平位移都超過預(yù)警值，兩者水平位移變形規(guī)律基本一致，采用五道錨索樁彎曲變形小于四道錨索，選取錨索豎向間距小的支護(hù)形式更有利用控制樁的變形；

(5)支護(hù)樁進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到樁的變形根據(jù)側(cè)向壓力大小選擇合理的錨索支護(hù)形式，在壓力較大時(shí)應(yīng)注意減小錨索豎向間距，增加錨索道數(shù)，合理控制支護(hù)樁在受力過程中產(chǎn)生的變形.