供水泵站基坑排樁支護(hù)局部失效引發(fā)連續(xù)破壞機(jī)理研究

蔡紅巖

（肇慶市鼎湖區(qū)九坑河水庫(kù)工程管理所,廣東 肇慶 526070）

1 引言

在水利工程泵站基坑開(kāi)挖過(guò)程中,為維持基坑的穩(wěn)定性及變形情況,常采用基坑支護(hù)改善上述情況,但是在大型工程中,有些支護(hù)樁難以承受所受荷載,經(jīng)常發(fā)生破壞現(xiàn)象。近年來(lái),許多專(zhuān)家學(xué)者針對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中的支護(hù)樁破壞問(wèn)題開(kāi)展研究。

魏煥衛(wèi)等人[1]針對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中的連續(xù)性破壞開(kāi)展研究,利用有限元軟件對(duì)其破壞過(guò)程的受力情況和荷載傳遞情況進(jìn)行分析。鄭剛等人[2]以某地區(qū)基坑破壞案例為研究背景,基于有限差分法,對(duì)基坑支護(hù)樁破壞機(jī)理進(jìn)行研究,分析其荷載傳遞趨勢(shì)。鄭剛等人[3]以實(shí)際工程為研究對(duì)象,考慮空間效率對(duì)基坑變形的影響,研究各因素對(duì)其荷載傳遞系數(shù)的影響,分析其基坑破壞規(guī)律。雷亞偉等人[4]開(kāi)展模型試驗(yàn),結(jié)合有限元軟件,分析開(kāi)挖對(duì)基坑支護(hù)穩(wěn)定性的影響,研究挖掘過(guò)程對(duì)結(jié)構(gòu)整體荷載傳遞的影響。陳秋南等人[5]基于雙剪強(qiáng)度理論,對(duì)某地區(qū)支護(hù)樁進(jìn)行研究,研究支護(hù)樁間距對(duì)其所受土壓力的影響。

本文對(duì)支護(hù)樁對(duì)基坑變形的影響進(jìn)行分析,利用有限元軟件,模擬支護(hù)樁失效對(duì)結(jié)構(gòu)整體受力及荷載傳遞的影響。

2 有限元模擬

本研究以某水利工程泵站基坑為研究對(duì)象,基坑長(zhǎng)寬尺寸為40 m×20 m。該項(xiàng)目土質(zhì)以粉質(zhì)黏土和粉土為主,地下水位較深,標(biāo)高為27.01 m 左右,因此可忽略土體液化問(wèn)題。

在實(shí)際工程中,各樁體之間常存在相互作用,為研究群樁對(duì)基坑變形的影響,利用有限元軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬。由于實(shí)際工程中常有樁體在支護(hù)過(guò)程中發(fā)生破壞,可通過(guò)在有限元模型中刪除部分樁體,以模擬此類(lèi)破壞形式。在支護(hù)樁破壞后,其周?chē)耐馏w會(huì)隨之發(fā)生擾動(dòng),因此需要對(duì)其破壞情況進(jìn)行動(dòng)力模擬。動(dòng)力作用主要受阻尼比的影響,由于基坑的變形量較大,所以可近似將模型視為結(jié)構(gòu)整體變形,其阻尼比取10%。

采用線彈性結(jié)構(gòu)單元模擬樁體,但上述模擬方式易發(fā)生土體流失現(xiàn)象,因此,提升樁后土體強(qiáng)度,以防止上述情況的發(fā)生。有限元模型的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 有限元模型相關(guān)參數(shù)

3 連續(xù)破壞傳遞機(jī)理分析

分別分析支護(hù)樁破壞根數(shù)對(duì)群樁支護(hù)的破壞變形情況的影響。當(dāng)2根支護(hù)樁失效時(shí),其彎矩-時(shí)間曲線見(jiàn)圖1。由圖1可知,當(dāng)2根樁被破壞后,原有樁體承擔(dān)的彎矩被分散到其他樁體,使其周?chē)臉扼w受力增大,發(fā)生土拱效應(yīng)。隨著時(shí)間的增大,樁身最大彎矩在支護(hù)樁破壞前期所受樁身最大彎矩有明顯的提升,前期彎矩增長(zhǎng)趨勢(shì)顯著,當(dāng)時(shí)間超過(guò)0.4 s 時(shí),各樁所受的樁身最大彎矩逐漸趨于平緩。這是由于,在支護(hù)樁破壞前期,土體發(fā)生擾動(dòng),隨著時(shí)間的增大,土體受力逐漸趨于穩(wěn)定,所以支護(hù)樁所受的樁身最大彎矩趨于平穩(wěn)。其中,1 號(hào)樁所受的樁身最大彎矩最大,5 號(hào)樁所受的樁身最大彎矩最小。

圖1 2根樁失效下的時(shí)間-彎矩曲線

圖2為3根樁失效下的時(shí)間-彎矩曲線。由圖可知,在支護(hù)樁破壞前期,樁體所受的樁身最大彎矩隨著時(shí)間的增大而增大,但是其增長(zhǎng)趨勢(shì)相較于2根支護(hù)樁失效的時(shí)間-彎矩曲線,更為平滑。當(dāng)時(shí)間超過(guò)0.5 s 時(shí),曲線逐漸趨于平緩,支護(hù)樁所受的樁身最大彎矩趨于一個(gè)定值。這是由于,在支護(hù)樁破壞的前期,土體會(huì)發(fā)生擾動(dòng),土體內(nèi)部發(fā)生一定的變形,未破壞的支護(hù)樁承受的彎矩增大,其周?chē)l(fā)生土拱效應(yīng),以維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。隨著時(shí)間的增大,由于支護(hù)樁破壞產(chǎn)生的變形逐漸減小,直至穩(wěn)定狀態(tài),此時(shí)支護(hù)樁所受的樁身最大位移趨于定值,不再變化。1 號(hào)樁所受的樁身最大彎矩最大,5 號(hào)樁所受的樁身最大彎矩最小。其中,各未被破壞的支護(hù)樁所受的樁身最大彎矩大于2根樁失效時(shí)的樁身最大彎矩,說(shuō)明隨著支護(hù)樁被破壞根數(shù)的增大,其他未被破壞的支護(hù)樁所承受的彎矩增大,支護(hù)樁的破壞會(huì)增大結(jié)構(gòu)整體的受力,以破壞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖2 3根樁失效下的時(shí)間-彎矩曲線

圖3為4根樁失效下的時(shí)間-彎矩曲線。由圖3可知,隨著支護(hù)樁破壞根數(shù)的增大,基坑整體的變形逐漸增大,基坑整體出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象,未破壞支護(hù)樁周?chē)馏w的土拱現(xiàn)象也更加明顯。當(dāng)4根樁失效時(shí),未被破壞的支護(hù)樁的時(shí)間-彎矩曲線與3根樁失效時(shí)的時(shí)間-彎矩曲線類(lèi)似,在破壞的初期,樁體所受的最大彎矩隨時(shí)間的增大而增大,當(dāng)時(shí)間超過(guò)0.55 s 時(shí),柱身最大彎矩變化趨勢(shì)逐漸趨于平緩,其值趨于定值。其中,各未被破壞的支護(hù)樁所受的樁身最大彎矩大于3根樁失效時(shí)的樁身最大彎矩,1 號(hào)樁的樁身最大彎矩增長(zhǎng)量最大,5 號(hào)樁的樁身最大彎矩增量最小。

圖3 4根樁失效下的時(shí)間-彎矩曲線

為研究不同失效樁根數(shù)對(duì)破壞傳遞的影響,分析不同根失效樁根數(shù)對(duì)彎矩傳遞系數(shù)的影響。但是在不同土質(zhì)下,土體的受力情況有所差異,支護(hù)樁的荷載傳遞情況具有各異性,當(dāng)土體強(qiáng)度分布為1 時(shí),其彎矩傳遞系數(shù)見(jiàn)圖4（a）。由圖4可知,當(dāng)只有1根支護(hù)樁破壞時(shí),其彎矩傳遞系數(shù)較小,且其彎矩傳遞系數(shù)變化量較小,當(dāng)4根樁失效時(shí),其彎矩傳遞系數(shù)最下,且其彎矩傳遞系數(shù)變化量最大。隨著失效樁根數(shù)的增大,相同支護(hù)樁對(duì)應(yīng)的彎矩傳遞系數(shù)逐漸增大,但是當(dāng)失效根數(shù)較大時(shí),支護(hù)樁的彎矩傳遞系數(shù)的差距逐漸減小,說(shuō)明當(dāng)被破壞的支護(hù)樁較多時(shí),支護(hù)樁的破壞對(duì)彎矩傳遞系數(shù)的影響較小。當(dāng)樁編號(hào)的彎矩傳遞系數(shù)較小時(shí),支護(hù)樁對(duì)應(yīng)的彎矩傳遞系數(shù)較大,說(shuō)明與被破壞的支護(hù)樁距離較近的樁體所承受的彎矩較大,容易發(fā)生破壞。

當(dāng)強(qiáng)度分布為2 時(shí),支護(hù)樁的彎矩傳遞系數(shù)見(jiàn)圖4（b）。由圖4可知,當(dāng)強(qiáng)度分布為2 時(shí),各支護(hù)樁的彎矩傳遞系數(shù)變化趨勢(shì)與強(qiáng)度分布為1 時(shí)的變化趨勢(shì)一致,但是當(dāng)失效的支護(hù)樁根數(shù)不同時(shí),各支護(hù)樁的彎矩傳遞系數(shù)差距變化一致,說(shuō)明失效樁根數(shù)的變化對(duì)支護(hù)樁的彎矩傳遞系數(shù)有一定的影響。對(duì)比圖4（a）可知,強(qiáng)度分布為2 的彎矩傳遞系數(shù)大于強(qiáng)度分布為1 的彎矩傳遞系數(shù),說(shuō)明當(dāng)有支護(hù)樁被破壞時(shí),土體的強(qiáng)度較高的支護(hù)樁彎矩傳遞系數(shù)較大,此時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)容易發(fā)生連續(xù)破壞。

圖4 彎矩傳遞系數(shù)圖

4 結(jié)論

本研究對(duì)支護(hù)樁對(duì)基坑變形的影響進(jìn)行分析,利用有限元軟件,模擬支護(hù)樁失效對(duì)結(jié)構(gòu)整體受力及荷載傳遞的影響,得出以下結(jié)論。

兩根樁被破壞后,原有樁體承擔(dān)的彎矩被分散到其他樁體,使其周?chē)臉扼w受力增大,發(fā)生土拱效應(yīng)。隨著時(shí)間的增大,樁身最大彎矩在支護(hù)樁破壞前期所受樁身最大彎矩有明顯的提升,前期彎矩增長(zhǎng)趨勢(shì)顯著,當(dāng)時(shí)間超過(guò)0.4 s 時(shí),各樁所受的樁身最大彎矩逐漸趨于平緩。

在支護(hù)樁破壞的前期,土體會(huì)發(fā)生擾動(dòng),土體內(nèi)部發(fā)生一定的變形,未破壞的支護(hù)樁承受的彎矩增大,其周?chē)l(fā)生土拱效應(yīng),以維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。隨著時(shí)間的增大,由于支護(hù)樁破壞產(chǎn)生的變形逐漸減小,直至穩(wěn)定狀態(tài),此時(shí)支護(hù)樁所受的樁身最大位移趨于定值,不再變化。

隨著支護(hù)樁破壞根數(shù)的增大,基坑整體的變形逐漸增大,基坑整體出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象,未破壞支護(hù)樁周?chē)馏w的土拱現(xiàn)象也更加明顯。當(dāng)4根樁失效時(shí),未被破壞的支護(hù)樁的時(shí)間-彎矩曲線與3根樁失效時(shí)的時(shí)間-彎矩曲線類(lèi)似,在破壞的初期,樁體所受的最大彎矩隨時(shí)間的增大而增大。

隨著失效樁根數(shù)的增大,相同支護(hù)樁對(duì)應(yīng)的彎矩傳遞系數(shù)逐漸增大,但是當(dāng)失效根數(shù)較大時(shí),支護(hù)樁的彎矩傳遞系數(shù)的差距逐漸減小,說(shuō)明當(dāng)被破壞的支護(hù)樁較多時(shí),支護(hù)樁的破壞對(duì)彎矩傳遞系數(shù)的影響較小。

強(qiáng)度分布為2 的彎矩傳遞系數(shù)大于強(qiáng)度分布為1 的彎矩傳遞系數(shù),說(shuō)明當(dāng)有支護(hù)樁被破壞時(shí),土體的強(qiáng)度較高的支護(hù)樁彎矩傳遞系數(shù)較大,此時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)容易發(fā)生連續(xù)破壞。