斜樁支護(hù)基坑的數(shù)值模擬研究

張文超，薛煒

(1.中科院廣州化灌工程有限公司，廣東 廣州 510650； 2.廣東省化學(xué)灌漿工程技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心，廣東 廣州 510650；3.廣東省中科化灌工程與材料院士工作站，廣東 廣州 510650)

斜樁支護(hù)基坑的數(shù)值模擬研究

張文超1，2，3*，薛煒1，2，3

(1.中科院廣州化灌工程有限公司，廣東 廣州 510650； 2.廣東省化學(xué)灌漿工程技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心，廣東 廣州 510650；3.廣東省中科化灌工程與材料院士工作站，廣東 廣州 510650)

具有一定傾斜角度的樁在公路橋梁、港口碼頭行業(yè)中中已應(yīng)用廣泛，而在基坑支護(hù)工程中則鮮有應(yīng)用和研究。為了研究具有一定傾斜角度的樁作為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)的工作機(jī)理，采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)不同傾斜角度的鋼板樁進(jìn)行計(jì)算，研究不同傾斜角度對(duì)支護(hù)樁內(nèi)力、位移的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，斜樁有利于與降低基坑位移、減小支護(hù)樁剪力，而支護(hù)樁正彎矩隨角度增大而減小，負(fù)彎矩隨角度增大而增大。從充分發(fā)揮材料性能、節(jié)約造價(jià)的角度，斜樁傾斜角度以10°～12°為宜。

基坑；斜樁；有限元

1 引 言

目前，具有一定傾斜角度的斜樁已廣泛應(yīng)用于公路橋梁、港口碼頭、輸電線塔架及海上鉆井平臺(tái)等結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)中[1，2]，眾多學(xué)者采用各種手段對(duì)傾斜單樁及傾斜群樁基礎(chǔ)的承載、變形特性進(jìn)行了廣泛的研究[3，7]，這些研究的簡(jiǎn)化模型都是在一定的豎向荷載下，單樁承受水平荷載的變形和承載特性。

基坑工程是巖土工程學(xué)中的一個(gè)古老的傳統(tǒng)課題，基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)既涉及前述樁基礎(chǔ)的承載和變形特性問(wèn)題，還涉及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和外部環(huán)境影響的問(wèn)題。從土壓力計(jì)算理論的角度而言，用斜樁對(duì)開(kāi)挖的基坑進(jìn)行支護(hù)，有利于減小樁后側(cè)主動(dòng)土壓力，降低樁身內(nèi)力，并有利于降低基坑開(kāi)挖對(duì)環(huán)境的影響。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)斜樁支護(hù)基坑的研究還比較少。郭建芝等[8]結(jié)合具體的工程實(shí)例指出，斜樁支護(hù)基坑有利于充分發(fā)揮材料的特性，在同等條件下，可有效控制基坑開(kāi)挖對(duì)環(huán)境的影響，同時(shí)可大幅度降低造價(jià)；李珍等[9]通過(guò)數(shù)值模擬的方式，對(duì)雙排樁結(jié)構(gòu)中后排樁傾斜的情況進(jìn)行了研究，指出斜樁與直樁結(jié)合可達(dá)到更好的支護(hù)效果，且斜樁角度在20°時(shí)為宜；徐源等[10]通過(guò)模型試驗(yàn)研究了雙排樁中前排樁傾斜的情況進(jìn)行研究，指出前排樁傾角10°時(shí)，樁身內(nèi)力及位移均有一定的減??；鄭剛等[11]采用室內(nèi)模型試驗(yàn)的方法研究了傾斜單排樁在水平荷載下的變形和承載特性，指出斜樁傾斜角度越大，樁身位移及彎矩越小，且斜直交替樁比斜樁支護(hù)效果更好；孔德森等[2]以鄭剛等[11]的模型試驗(yàn)為計(jì)算模型，采用數(shù)值模擬的方法驗(yàn)證了模型試驗(yàn)的結(jié)果，為斜樁支護(hù)的計(jì)算提供一定的參考。

前人的研究多建立在模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)小尺度模型的結(jié)果或有可靠度的問(wèn)題。為進(jìn)一步了解斜樁對(duì)基坑支護(hù)的作用及基坑開(kāi)挖對(duì)斜樁的影響規(guī)律，本文以某工程中采用鋼板樁傾斜支護(hù)基坑的實(shí)施方案為例，采用通用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，研究?jī)A斜鋼板樁在基坑開(kāi)挖時(shí)的受力特性，揭示斜樁在基坑支護(hù)中的工作性狀。

2 數(shù)值模型及計(jì)算內(nèi)容

有限元作為一種有效的數(shù)值分析方法，在巖土工程領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，本文采用通用有限元軟件進(jìn)行計(jì)算，支護(hù)結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。計(jì)算共設(shè)置12個(gè)不同的工況，每個(gè)工況的鋼板樁對(duì)應(yīng)不同的傾斜角度θ(如圖1所示)，分別為0°(垂直插入)、2°、5°、7°、9°、10°、12°、15°、17°、20°、22°、25°。研究每個(gè)工況下，鋼板樁傾斜角度對(duì)鋼板樁位移及內(nèi)力的影響規(guī)律。

選取計(jì)算斷面基坑開(kāi)挖深度 5 m，采用新IV型拉森鋼板樁懸臂支護(hù)，樁長(zhǎng) 15 m，當(dāng)鋼板樁垂直插入時(shí)，嵌固深度 10 m。鋼板樁計(jì)算采用線彈性模型，原位土體采用摩爾-庫(kù)倫模型，土層相關(guān)參數(shù)如表1所示。

土層參數(shù) 表1

土體初始應(yīng)力按靜止土壓力計(jì)，不考慮基坑開(kāi)挖以前由于打入鋼板樁所引起的應(yīng)力重分布及位移的變化。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 角度對(duì)樁身位移的影響

圖2是鋼板樁傾斜角度與樁身最大水平位移之間的關(guān)系曲線。從曲線中看出，隨著鋼板樁傾斜角度的逐漸增大，鋼板樁最大水平位移逐漸減小，但是傾斜角度對(duì)樁身位移的影響程度有限。當(dāng)鋼板樁傾斜角度達(dá)到25°時(shí)，相比于垂直插入時(shí)樁身最大水平位移減小14.57%，這一結(jié)果與已有的模型試驗(yàn)成果[10，11]有所出入。結(jié)合文獻(xiàn)[10][11]的研究成果分析，傾斜角度對(duì)位移的影響不僅與傾斜角度有關(guān)，而且與基坑開(kāi)挖深度及土性有關(guān)，同樣的傾斜角度，斜樁在無(wú)黏性土中減小位移的效果更加顯著，且開(kāi)挖深度越大，控制位移的效果越明顯(文獻(xiàn)[11]圖12)，但是總體規(guī)律是隨著傾斜角度增大，位移減小。

圖2 角度對(duì)位移的影響

3.2 角度對(duì)樁身剪力的影響

圖3是傾斜角度對(duì)鋼板樁樁身剪力最大值的影響曲線。從圖中明顯看出，角度與剪力最大值近似呈線性關(guān)系，且隨著角度增大，剪力最大值減小。當(dāng)傾斜角度達(dá)到25時(shí)，剪力最大值相比于垂直插入時(shí)減小67.41%。

圖3 角度對(duì)樁身剪力的影響

3.3 角度對(duì)樁身彎矩的影響

圖4為傾斜角度與樁身彎矩最大值的關(guān)系曲線(圖中彎矩值為彎矩絕對(duì)值)。圖5是樁身彎矩隨深度的分布圖。結(jié)合圖5可以看出，圖4中所顯示的樁身彎矩隨傾斜角度先減小再增大的規(guī)律并不是樁身彎矩實(shí)際值的簡(jiǎn)單增大和減小，而是正彎矩隨角度增大不斷減小，負(fù)彎矩隨角度增大逐漸增大，在圖4中傾斜角度為12°左右時(shí)，樁身正負(fù)彎矩值基本相等。

圖4 角度對(duì)樁身彎矩的影響

圖5 樁身彎矩分布圖

3.4 計(jì)算結(jié)果總結(jié)

從控制位移和鋼板樁剪力的角度，斜樁的傾斜角度越大越好，而實(shí)際上斜樁傾斜角度無(wú)法隨意設(shè)置，角度主要受限于兩方面因素，一是斜樁的傾斜角度受到施工工藝的限制，不能無(wú)限制的增大，尤其是采用混凝土灌注樁或者鋼管樁時(shí)，過(guò)大的傾斜角度導(dǎo)致無(wú)法施工；二是采用斜樁則需要一定的施工空間，如圖6所示，當(dāng)基坑開(kāi)挖深度 5 m，采用傾斜角度15°時(shí)，所需的水平寬度B=1.34 m，而當(dāng)采用25°傾斜角時(shí)，B=2.33 m。此外，當(dāng)斜樁的傾斜角度足夠大時(shí)，而外部環(huán)境條件允許時(shí)，完全可以改用其他的更合理的支護(hù)形式，甚至于采用自然放坡的方式。

圖6 斜樁支護(hù)剖面示意圖

從圖4中彎矩與傾斜角度的關(guān)系來(lái)看，樁身正負(fù)彎矩絕對(duì)值接近時(shí)，能夠最大限度發(fā)揮材料的作用，避免浪費(fèi)，而此時(shí)，樁身最大位移和最大剪力較垂直插入時(shí)分別減小7.5%、36.4%，彎矩絕對(duì)值相比于垂直插入時(shí)減小47.4%。因此，從計(jì)算結(jié)果看，斜樁能夠有效減小樁身內(nèi)力，從一定程度上減小位移，從節(jié)省材料、控制造價(jià)的角度，斜樁傾斜角度建議10°～12°比較合理。

4 結(jié) 論

本文采用數(shù)值模擬的方法，通過(guò)針對(duì)不同傾斜角度的斜樁進(jìn)行數(shù)值模擬的計(jì)算，討論了斜樁傾斜角度對(duì)基坑位移及斜樁內(nèi)力的影響規(guī)律，得到如下結(jié)論：

(1)斜樁結(jié)構(gòu)支護(hù)基坑相比于垂直支護(hù)樁能夠有效減小樁身內(nèi)力，并從一定程度上控制位移，但是控制位移的效果有限。

(2)在同樣的開(kāi)挖深度條件下，斜樁的傾斜角度與樁身最大位移和剪力呈反比關(guān)系，而樁身最大彎矩則隨角度增大先減小后增大，樁身正彎矩隨角度增大而減小，負(fù)彎矩隨角度增大而增大。

(3)相同條件下，采用斜樁支護(hù)基坑比垂直樁支護(hù)更能發(fā)揮材料性能，節(jié)約工程造價(jià)。

(4)從控制造價(jià)、節(jié)省材料的角度，并結(jié)合斜樁所需的空間，斜樁的傾斜角度以10°～12°為宜。

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Numerical Simulation on Inclined Retaining Piles in Excavations

Zhang Wenchao1，2，3，Xue Wei1，2，3

(1.Guangzhou Chemical Grouting Engineering Co.，Ltd，Chinese Academic of Science，Guangzhou 510650，China； 2.Guangdong Chemical Grouting Technology Research Centre，Guangzhou 510650，China； 3.Guangdong Zhongke Grouting Engineering and Material Academician Workstation，Guangzhou 510650，China)

Inclined pile is applied widely in foundations of highway bridges and port wharfs etc，it is nearly blank in excavations and few people study it. To study the working mechanism of inclined pile as retaining structure，numerical simulation is performed，including different angles of inclined steel sheet piles. The influence of angle on displacement and internal force is researched. The results show that it is beneficial to reduce displacement and shear force of pile when the pile is inclined. In addition，positive moment decreases with increasing angles，when negative moment increases with decreasing anles. For fully playing the performance of materials and cost reduction，the appropriate inclined angle is 10～12 degree.

excavation；inclined piles；finite element method

1672-8262(2017)02-171-03

TU473.1

A

2016—09—23

張文超(1984—)，男，碩士，工程師，主要從事巖土工程設(shè)計(jì)施工技術(shù)工作。