直-斜樁中斜樁樁長與樁徑的影響研究★

李 棟，余振錫，鄭 軍

（安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032）

現(xiàn)代城市化發(fā)展一直呈現(xiàn)加劇的態(tài)勢，但地上空間的開發(fā)趨于飽和，所以地下空間發(fā)展開始逐漸變?yōu)橹攸c，支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和創(chuàng)新在很大程度上決定了這一進(jìn)程的發(fā)展，在整體工程中，基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)決定了基坑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。直-斜樁支護(hù)結(jié)構(gòu)對基坑周圍土體位移的約束，在一定的條件下效果明顯優(yōu)于普通的無支撐式雙排樁結(jié)構(gòu)，同時直-斜樁相較于其他支護(hù)結(jié)構(gòu)在工期與成本控制上也具有一定的優(yōu)勢。

鄭剛和白若虛等通過室內(nèi)試驗?zāi)Ｐ脱芯繂闻艃A斜樁在水平荷載下的具體特性，發(fā)現(xiàn)隨著傾斜角度在一定范圍內(nèi)增大樁體最大水平位移和最大彎矩均逐漸減小，同時指出交替布置的直-斜樁比單排的傾斜樁在支護(hù)效果上更加優(yōu)益［1］；周德泉等通過室內(nèi)試驗?zāi)Ｐ脱芯苛嗽趥?cè)向堆載下斜樁長度對于直-斜樁支護(hù)體系的影響實驗研究，指出了外側(cè)斜樁樁長的增加可以有效地使內(nèi)側(cè)直樁的水平位移減小，并使得內(nèi)側(cè)樁與外側(cè)樁彎矩峰值之比減?。?］；孔德森等通過數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗進(jìn)行比較得出斜直交替布置較全直樁或全斜樁兩種支護(hù)形式大大降低了樁身彎矩，優(yōu)化了支護(hù)結(jié)構(gòu)受力［3］；Zhang用單樁的離心機(jī)模型試驗，驗證了影響斜樁主要因素為樁的布置方式和斜樁與豎直方向的角度等有關(guān)［4］；Meyerhof等采用試驗對傾斜樁進(jìn)行了研究，并得出了斜樁的承載力取決于樁體的傾斜角等因素的結(jié)論［5］；代春利通過對雙排傾斜樁加錨索和不加錨索進(jìn)行對比，探索了加錨索的雙排傾斜樁對土體的控制變形原理與作用，發(fā)現(xiàn)其對于土體約束而言更加有利［6］；張靜通過研究雙排樁與斜樁的組合支護(hù)體系計算模式分析，發(fā)現(xiàn)規(guī)范規(guī)定的雙排樁計算模式較實際工程得到的試驗數(shù)據(jù)偏大，并得出了一種比較適合實際工程的計算模式［7］；張文超等使用數(shù)值模擬研究指出單排斜樁在10°～12°時最為經(jīng)濟(jì)適用［8］；李珍等通過有限元模擬多排（斜）樁指出了應(yīng)在實際工程中考慮樁與土的之間的共同作用，其發(fā)現(xiàn)樁間土的性質(zhì)對于直-斜樁支護(hù)體系的側(cè)向位移有較大的影響［9］；張松波等研究了前樁和后樁分別向坑內(nèi)與坑外傾斜的二維模型，指出其支護(hù)效果分別是：雙樁外傾斜＞前樁外傾斜＞后樁內(nèi)傾斜＞后樁外傾斜＞雙排豎直樁［10］。王建通過建立三維數(shù)值模型研究了前排傾斜的雙排樁結(jié)構(gòu)的性狀，其在研究中發(fā)現(xiàn)隨著傾斜角度的增加水平位移在不斷的減少，但減少的幅度在逐漸變小，同時樁身的負(fù)彎矩范圍在不斷地減少正彎矩的范圍在不斷的增加，且在傾斜角度在增大到一定程度時負(fù)彎矩完全消失［11］。

本文采用Midas gts nx對直-斜樁模型進(jìn)行三維數(shù)值模擬計算，對樁長和樁徑這兩個參數(shù)的控制來創(chuàng)建模型，研究直-斜樁中樁體在斜樁樁長和樁徑改變下的水平位移變化曲線和彎矩變化曲線對基坑結(jié)構(gòu)整體的影響，以期服務(wù)于相應(yīng)的工程實踐。

1 模型概況

1.1 模型建立

本次模擬運用的基坑模型是根據(jù)某實際工程簡化而來，采用其一側(cè)的部分長度范圍內(nèi)的支護(hù)結(jié)構(gòu)。本次模型中基坑開挖分為3 m放坡開挖和5 m基坑開挖共開挖8 m，模型的長寬高分別為55 m×15.6 m×40 m，后排直樁樁長15 m，樁徑0.8 m，后排樁之間間距為1.2 m，共13根樁；前排斜樁樁長分別為12 m，15 m，18 m，樁徑為0.6 m，0.8 m，1.0 m，前排斜樁之間間距為1.2 m，斜樁向為基坑方向與豎直方向傾斜夾角為12°，共13根樁，直樁和斜樁均采用梁單元模擬。放坡開挖底部至后排直樁之間有3 m寬的平臺，冠梁尺寸為2 m×0.8 m，采用實體單元模擬。模型為無內(nèi)支撐基坑，為了使模型更加方便計算和觀察，故決定采用每1 m開挖1次，共分有8次開挖，以樁徑將模型分為3組，每組各有3個不同樁長的模型共計9個模型。土體網(wǎng)格模型如圖1所示，樁體（0.8-12）網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖1 土體網(wǎng)格模型

圖2 樁體網(wǎng)格模型

1.2 參數(shù)選擇

基于本次模型研究的特點本構(gòu)模型選擇修正摩爾-庫侖模型，基坑土層分別為①雜填土、②素填土、③淤泥質(zhì)黏土、④淤泥，其土層性質(zhì)參數(shù)如表1所示。其中各參數(shù)所代表含義為：h為土層的厚度，m；γ為各層土的重度；為三軸割線剛度；為主壓密加載試驗的切線剛度為卸載/加載試驗剛度；c為黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角；μ為泊松比。

表1 土層計算參數(shù)

圖3斜樁(0.6-12)水平位移云圖

圖4斜樁(0.8-12)水平位移云圖

2 模型計算結(jié)果分析

2.1 內(nèi)側(cè)斜樁樁體位移變化

對于基坑支護(hù)樁而言，改變其參數(shù)對整體基坑結(jié)構(gòu)的影響反饋較為明顯的是樁體的水平位移變形，故可以通過總結(jié)擬合模型中斜樁的水平位移曲線來對其進(jìn)行研究分析。圖3～圖5分別是不同樁徑斜樁的水平位移云圖，圖6～圖8分別為基坑模型斜樁在同一樁徑條件下控制其不同樁長這一參數(shù)所得的水平位移擬合曲線，圖9為斜樁的樁頂水平位移隨開挖深度變化的曲線圖。圖3圖名中0.6-12中0.6指斜樁樁徑，12指斜樁樁長，圖6為斜樁樁徑0.6 m，樁長分別為12 m，15 m，18 m；圖7為斜樁樁徑0.8 m，樁長分別為12 m，15 m，18 m；圖8為斜樁樁徑1.0 m，樁長分別為12 m，15 m，18 m。

圖5 斜樁(1.0-12)水平位移云圖

在基坑工程中基坑的開挖深度不變，增加樁的樁長就是增加樁的嵌固深度，可以增強控制土體的變形能力，更加有效地減少樁的位移，從基坑整體來看是加強了整個基坑的穩(wěn)定性。從圖6～圖8的曲線變化中可以看出斜樁水平位移的最大值在樁頂下部靠近樁身中部的位置，大約0.3L～0.4L處，樁底水平位移較少但不為零，整體曲線形狀呈現(xiàn)約為鼓腹?fàn)睿@是因為冠梁對斜樁樁頂?shù)募s束作用以及斜樁起到的類似斜撐的作用，使其變形趨向于內(nèi)撐式基坑的形式，同時隨著斜樁入土深度的增加水平位移在最大水平位移點處至下部開始逐步的減少，整體曲線圖顯示斜樁的水平位移是由最大水平位移點向樁頂與樁底兩側(cè)遞減同時向樁底遞減的速率較快，與傳統(tǒng)無支撐式雙排樁最大位移在樁頂相比［12］，直-斜樁支護(hù)體系在樁身中部左右的最大水平位移能夠更好的約束樁體的側(cè)移，減少基坑可能因支護(hù)樁的變形而導(dǎo)致的事故，所以直-斜樁支護(hù)體系在基坑開挖過程中保持工程穩(wěn)定與安全有著較大的優(yōu)勢。在圖6中數(shù)據(jù)顯示樁長為12 m時其斜樁的最大水平位移可以達(dá)到17.2 mm，樁長18 m時斜樁的最大水平位移為10.6 mm，不同樁長時其最大水平位移相差較大，故可知在直-斜樁支護(hù)中斜樁的樁長對于整個直-斜樁支護(hù)的影響是較為明顯的，圖7和圖8亦可得出此結(jié)論。同時在斜樁樁頂下大約0.8 m處斜樁水平位移產(chǎn)生一個折角，對三組數(shù)據(jù)九個模型進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)其大致在斜樁樁頂下同一位置，考慮為冠梁的約束影響。

圖7 內(nèi)側(cè)0.8 m樁徑斜樁水平位移

圖6～圖8所代表的分別是直樁樁徑0.8 m，斜樁樁徑是0.6 m，0.8 m，1.0 m的位移曲線。從3個曲線圖中分別選取0.6-12，0.8-12，1.0-12的三組數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察比較可得隨著樁徑的增大斜樁的最大水平位移在逐漸減少，其在斜樁上最大水平位移點的位置大致無變化，同時從不同樁徑的曲線變化趨勢是大致相同的，可以得知改變樁徑主要影響的是斜樁的樁頂水平位移和斜樁的最大水平位移的大小而不會改變其的變化趨勢，同時從樁底的水平位移可以看出變化較少基本上接近零而不為 零，對其他數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察對比，可以得出相同結(jié)論。

圖6 內(nèi)側(cè)0.6 m樁徑斜樁水平位移

圖8 內(nèi)側(cè)1.0 m樁徑斜樁水平位移

圖9為斜樁樁體在不同開挖階段的樁頂水平位移變化曲線，可以從圖9中曲線的變化趨勢觀察到，大致在開挖5 m處樁頂位移出現(xiàn)較大的變化，在這一階段之前各個樁的樁頂水平位移差距較小，基本上維持在0 mm～1 mm之間，這一階段之后樁頂水平位移開始有較大的變化速率，同時各個樁的水平位移差距開始迅速的變大，在7 m之后即是最后一開挖階段樁頂水平位移的變化速率再次大幅增大。根據(jù)圖中曲線的變化趨勢可以將曲線變化大致分為3組，即以樁長12 m可分為一組，15 m分為一組和18 m分為一組，即不同樁長的斜樁其樁頂?shù)乃轿灰葡嗖钶^大，同一樁長的曲線大致在同一個區(qū)間，在開挖前期并不明顯，在后期這一變化會在圖片曲線上較為明顯，在7 m之前可以從圖中看出同一區(qū)間中不同樁徑的斜樁樁頂水平位移之間差距很小，大約在7 m之后不同樁徑才有了一定的差距，可得出結(jié)論：直-斜樁支護(hù)體系兩個參數(shù)對基坑開挖的影響，樁長比樁徑影響更加顯著。

圖9 內(nèi)側(cè)斜樁樁頂位移

2.2 外側(cè)直樁彎矩變化曲線

如圖10～圖12所示為外側(cè)直樁沿樁長的彎矩變化曲線，由不同樁徑分為3組。可以通過對任意一個圖中曲線進(jìn)行觀察分析得知在同一個斜樁樁徑條件下直樁彎矩的變化曲線隨樁長先增大后減小，整體呈現(xiàn)S型曲線，其彎矩最大值在樁身頂端下的靠近中部部位，同時在直樁樁身的中部彎矩變化速率是最大的，由樁身中部向樁底部進(jìn)行時的彎矩變化速率是逐漸減少的，樁底部彎矩逐漸趨近于零但不為零。在3個曲線圖中可以看出后排直樁的彎矩正負(fù)皆有分布，且正負(fù)彎矩絕對值之間的差值是在一定的范圍內(nèi)的，這避免了直樁出現(xiàn)只有一側(cè)彎矩而導(dǎo)致較大的應(yīng)力集中的樁體破壞。在圖10中可以觀察出，直樁彎矩從小到大的順序依次為0.6-18，0.6-15，0.6-12，觀察圖11，圖12的曲線變化也可得出類似結(jié)論，說明在同一樁徑條件下直樁的樁身彎矩隨著斜樁的樁長增加而增加。

圖11 外側(cè)0.8 m樁徑直樁彎矩變化

直-斜樁支護(hù)體系中，直樁、斜樁和冠梁組成了一個門式空間結(jié)構(gòu)，其整體剛度較大。其中斜樁受到了較大的軸向力和壓力，其起到的作用類似于斜撐，在一定程度上可以替代常規(guī)的內(nèi)撐式基坑。對圖10～圖12進(jìn)行觀察對比可知，隨著直-斜樁支護(hù)體系中斜樁的樁徑增大，直樁的最大彎矩在不斷的增大，且后排直樁的最大彎矩均在樁頂下側(cè)靠近樁頂?shù)奈恢?，可知在一定范圍?nèi)增加斜樁的樁徑可以有效提升直-斜樁體系的支護(hù)效果。

圖10 外側(cè)0.6 m樁徑直樁彎矩變化

圖12 外側(cè)1.0 m樁徑直樁彎矩變化

3 結(jié)論

通過控制模型中的參數(shù)變化，研究直-斜樁中斜樁樁長和樁徑的水平位移變化曲線和彎矩變化曲線對基坑結(jié)構(gòu)整體的影響得出以下幾個結(jié)論：

1）直-斜樁支護(hù)體系作為較新穎的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)在工期、成本等方面都比傳統(tǒng)支護(hù)結(jié)構(gòu)有一定的優(yōu)勢。在同一樁徑條件下，樁長對于直-斜樁支護(hù)體系的影響是比較大的。增加前排斜樁的樁長即在同等條件下增加支護(hù)樁在土體內(nèi)的有效嵌固深度，能有效地抑制土體位移變形。在同一樁長條件下，樁徑對于直-斜樁支護(hù)體系的影響也較為明顯，但相比于樁長，樁徑對于直-斜樁支護(hù)體系的影響較小。

2）在直-斜樁支護(hù)體系中傾斜樁的樁頂水平位移在初始開挖時，其位移變化曲線斜率較小，水平位移變化較小，但在后期開挖時土體發(fā)生塑性變形其位移曲線斜率突然增大，即直-斜樁支護(hù)體系其水平位移發(fā)生較大變化時是在開挖后期，并且隨樁長和樁徑的增大而增大，但以斜樁樁長和樁徑變化來分類的話，其整體表現(xiàn)為以樁長為劃分區(qū)間。

3）直-斜樁支護(hù)體系中斜樁的水平位移曲線由于冠梁和斜樁的作用呈現(xiàn)鼓腹?fàn)?，其最大水平位移位于斜樁大約為0.3L～0.4L的區(qū)域，與傳統(tǒng)的無支撐式雙排樁其最大位移在樁頂相比，直-斜樁支護(hù)體系對于基坑整體的作用更強。

4）在同一開挖條件下，后排直樁的彎矩曲線整體呈現(xiàn)類S型曲線，正負(fù)彎矩同時存在使得直樁上的彎矩絕對值之間的差值在一定范圍內(nèi)，避免了樁身因較大的應(yīng)力集中而出現(xiàn)的破壞，同時其最大彎矩出現(xiàn)在樁頂以下靠近樁頂?shù)奈恢帽憩F(xiàn)為背坑側(cè)受拉，控制土體變形的能力較強。