深基坑支護樁水平位移影響因素數(shù)值模擬研究

王 哲,孫 超

吉林建筑大學 測繪與勘查工程學院,長春 130118

隨著城市化進程的加速,建筑規(guī)模不斷提升.為滿足施工要求,深基坑的支護技術手段也在不斷完善和發(fā)展,大型的基坑項目越來越多,維護基坑及周邊建筑物的安全和穩(wěn)定則更為重要.對于基坑施工而言,位移變形過大會使支護結構失穩(wěn),對基坑的安全產生不利影響,甚至導致基坑塌方,周邊建筑物開裂,因此對支護結構水平位移的控制尤為重要.近年來,許多學者對基坑支護結構水平位移的影響因素進行了研究與分析,并取得了一定成果.文獻[1]運用FLAC3D模擬軟件,模擬粉質黏土和黏土兩種土體在不同負溫下樁身水平凍脹力的分布和樁體水平位移的變化規(guī)律,并提出樁身最大水平凍脹力與樁頂位移呈指數(shù)關系;文獻[2]專門對管樁進行了模擬分析,通過模擬管樁不同彈性模量、壁厚、外徑等條件分析支護結構的變形規(guī)律,并進一步提出預應力對水平位移的影響;朱艷、邱洪亮[3]從土體彈性模量、重度和內摩擦角3個角度分析不同土體參數(shù)對支護樁水平位移的影響,為以后的工程設計提供參考;秦早立夫[4]從圍護樁樁徑、樁間距、樁長和內支撐位置4個方向,探索了圍護樁的水平位移效果及變化規(guī)律,可為日后現(xiàn)場施工提供更加經濟的支護方案;孫超等[5]人針對排樁支護結構位移變形問題,模擬不同混凝土強度及不同嵌固深度條件下樁身水平位移的變化;沈琪等[6]人則針對基坑懸臂樁模擬凍融循環(huán)條件下樁體產生水平位移大小,重點分析了凍結和融化時樁身的變化趨勢;文獻[7]針對樁錨形式的基坑越冬進行模擬,以凍脹的時間和不同溫度為研究方向,對比分析支護樁水平位移變化和基坑坑底隆起值變化.

目前,對于支護結構水平位移影響因素的研究多集中在使用FLAC3D軟件進行模擬,而FLAC3D模擬軟件對于單個構件模擬效果表現(xiàn)欠佳.本文以MIDAS有限元分析軟件為基礎建立數(shù)值模型,通過模擬不同樁身混凝土強度等級、土體內摩擦角及外界溫度變化等條件,研究分析支護結構水平位移的變化規(guī)律.

1 建立模型

1.1 模型建立

由于整體基坑模型對稱,故選用模型的一半進行建立.基坑深5 m、寬8 m,支護結構采用圓形鉆孔灌注樁,由于懸臂樁嵌固深度不宜小于0.8倍的基坑深度[8],因此選用12 m樁長.樁身混凝土強度、樁側土體內摩擦角和不同溫度條件為本次試驗的變量,樁身混凝土強度等級選用C35,C45,C55,樁側土體內摩擦角分為18°,21°和24°,溫度條件劃分為常溫15 ℃,-10 ℃和-15 ℃.本次模擬試驗采用粉質黏土作為模擬土層,計算模型長25 m,高20 m,取水平向右為x軸正方向,取垂直向上為y軸正方向,整體模型為2D模型.土體選用修正Mohr-cloumb模型,該模型由Mohr-cloumb模型優(yōu)化得到,從非線性彈性材料和彈塑性材料中融合了許多特點,能針對加載和卸載選用不同的彈性模量模擬基坑開挖,更符合工程需求.因此,土體采用各向同性的修正Mohr-cloumb本構模型,2D平面應變單元;支護樁體選用均質各向同性的彈性本構模型,梁單元.

1.2 參數(shù)選取及確定邊界條件

在MIDAS GTS NX中,給模型賦值采用彈性模量,而容重、泊松比、粘聚力、內摩擦角等參數(shù)依據(jù)本構模型進行選取,土層參數(shù)及支護結構參數(shù)的取值見表1,樁身材料及土體的熱力學參數(shù)[9]取值見表2.

表1 樁、土物理力學參數(shù)

表2 熱力學參數(shù)

確定位移邊界條件,將模型的左右兩側及底部邊界設置為固定邊界,模型頂部為自由表面.考慮重力影響設置土體初始應力狀態(tài),不考慮地下水及周邊環(huán)境的影響.模擬試驗分三組進行,第一組僅考慮不同混凝土強度對樁身水平位移的影響;第二組考慮不同樁側土體內摩擦角對支護樁水平位移的影響;第三組考慮不同溫度情況下土體對支護樁變形位移的影響.模擬過程中將影響樁體變形的其他因素設為相同,僅考慮不同試驗變量對支護樁水平位移的影響.

2 數(shù)值模擬結果及分析

2.1 不同樁身混凝土強度下的結果和分析

控制樁長和樁徑不變,通過改變樁身混凝土強度等級進行數(shù)值模擬,分析不同樁體混凝土強度條件對樁體位移的影響.灌注樁選用0.8 m樁徑,12 m樁長,樁身混凝土強度分別采用C35混凝土,C45混凝土和C55混凝土.不同混凝土強度的樁體位移云圖如圖1～圖3所示.

圖1 C35混凝土強度樁體位移云圖

圖2 C45混凝土強度樁體位移云圖

圖3 C55混凝土強度樁體位移云圖

由圖1～圖3看出,在其他條件不發(fā)生變化、只改變樁體混凝土強度等級時,C35混凝土樁樁頂位移為11.714 7 mm,C45混凝土樁樁頂位移為11.690 6 mm,C55混凝土樁樁頂位移為11.669 0 mm.由此可知,隨著支護樁體混凝土強度的增加,樁身位移變形逐漸減小.基坑底部以上樁身位移變化趨勢較大,呈線性變化,坑底以下由于土體對樁產生約束作用,變化趨勢較小.樁身位移減小的原因在于隨著混凝土強度增強,樁身整體剛度增加,抵抗變形的能力得到提升.

2.2 不同土體內摩擦角下的結果和分析

模擬過程中控制樁體材料屬性不變,只改變土體內摩擦角進行數(shù)值模擬,分析內摩擦角的變化對樁體位移的影響.選用12 m樁長,0.8 m樁徑,樁身混凝土強度采用C30混凝土,樁側土體內摩擦角分別控制在18°,21°,24°.利用origin繪圖軟件繪制不同土體內摩擦角下樁體沿深度方向水平位移變化曲線圖,如圖4所示.

圖4 不同內摩擦角下樁體位移

圖4為不同土體內摩擦角對樁身位移變形的影響曲線,內摩擦角為18°時,樁頂位移為13.267 7 mm;內摩擦角為21°時,樁頂位移為11.074 2 mm;內摩擦角為24°時,樁頂位移為9.379 9 mm.在其他條件不變、只改變樁側土體內摩擦角時,內摩擦角增大,樁身水平位移隨之減小,但在樁頂處水平位移值達到最大.原因在于內摩擦角的提高會導致土體內部摩擦增大,土體對支護結構也會產生更強的摩擦阻力,使土體對支護結構的約束增強.

2.3 不同溫度下結果和分析

基坑開挖完成后,通過在模型表面施加溫度荷載,模擬不同溫度條件下土體對支護樁的變形影響.通過查閱資料,長春地區(qū)最大凍結深度為2.03 m,因此對基坑模型的側壁、坑底及地表施加2 m厚的溫度荷載(-10℃,-15℃),如圖5所示.模擬過程中樁體強度、樁長、含水率、土體參數(shù)等因素不變,僅考慮溫度對樁身位移的影響.設置3個溫度條件,常溫15 ℃,-10 ℃和-15 ℃.模擬結果顯示,常溫15 ℃時樁頂位移為11.619 5 mm;溫度降為-10 ℃時,樁頂位移為13.878 4 mm;溫度降到-15 ℃時樁頂位移為15.101 6 mm.

圖5 基坑模型施加溫度荷載

如圖6所示,雖然施加溫度不同,但樁體水平位移隨深度的變化規(guī)律基本一致.在樁頂處樁體水平位移值達到最大,在樁身8 m處可見樁體水平位移變化有減小的趨勢,這是由于坑底土體對樁產生約束.隨著溫度的降低,樁頂水平位移不斷增大.當?shù)乇頊囟刃∮? ℃時,土體會發(fā)生凍結;隨著溫度的繼續(xù)降低,土體內部發(fā)生凍脹,凍脹力也會隨之不斷增大,最終導致樁體水平位移變大.因此,在實際工程中要對土體凍脹等問題加以重視,考慮不同地區(qū)的季節(jié)氣候條件,做好防范.

圖6 不同溫度下樁體位移

3 結語

本文通過MIDAS GTS NX有限元模擬分析軟件分析不同混凝土強度等級、不同土體內摩擦角、不同溫度對支護樁水平位移的影響,結論如下:

(1) 隨樁身混凝土強度等級提高,樁身水平位移呈減小趨勢,支護樁強度越高,其抵抗變形能力越強.

(2) 土體內摩擦角與樁身水平位移呈負相關,內摩擦角越大,土體對支護結構的約束越強,樁身水平位移越小.

(3) 溫度對基坑支護結構變形有顯著影響,當外界溫度降至負溫時,表層土體發(fā)生凍脹,樁身水平位移隨溫度的降低而增大.