通過(guò)Midas/GTS軟件對(duì)長(zhǎng)沙某高層建筑深基坑雙排樁+錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值分析,驗(yàn)證深基坑開挖中雙排樁+錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性,研究分析了支護(hù)體系的變形特性,前、后排樁水平位移、整體位移及內(nèi)力隨深基坑開挖工況變化的規(guī)律,錨索結(jié)構(gòu)在雙排樁+錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)的變形、受力分析,說(shuō)明在深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中應(yīng)差異化設(shè)計(jì)前、后排樁,可減少工程材料浪費(fèi),同時(shí)應(yīng)充分發(fā)揮錨索對(duì)前排樁的限制作用,有效限制前排樁的水平位移。
深基坑; 雙排樁; 錨索; 有限元分析
TU94+2A
[定稿日期]2023-08-10
[作者簡(jiǎn)介]楊孝博(1994—),男,碩士,工程師,從事施工技術(shù)工作。
0 引言
在基坑支護(hù)形式中,樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)是將錨索的一端固定在開挖基坑外的穩(wěn)定地層中,另一端與支護(hù)樁相聯(lián)的基坑支護(hù)體系,結(jié)構(gòu)形式成熟且安全經(jīng)濟(jì),被廣泛應(yīng)用于深基坑支護(hù)工程中[1]。雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)是由兩平行排樁及樁頂冠梁和連梁組成,結(jié)構(gòu)形式如同門式框架,受力性能好、施工方便[2]。近年來(lái),結(jié)合雙排樁支護(hù)和樁錨支護(hù)的結(jié)構(gòu)特性及優(yōu)點(diǎn),雙排樁+錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)作為一種新型支護(hù)結(jié)構(gòu)得到推廣使用,可有效控制基坑變形,又保證地下室施工的作業(yè)面,特別在深基坑中應(yīng)用價(jià)值高。
近年來(lái)一些學(xué)者對(duì)雙排樁+錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)開始研究,趙貴生等[3]通過(guò)實(shí)際項(xiàng)目結(jié)合數(shù)值分析驗(yàn)證在市區(qū)復(fù)雜環(huán)境下支護(hù)體系可行性。蓋文等[4]在緊鄰建構(gòu)筑物基坑中雙排樁與錨索聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)體系與傳統(tǒng)樁錨支護(hù)體系對(duì)比分析。阿比爾的、范剛、王鴻運(yùn)等[5-7]作者針對(duì)雙排樁+錨索支護(hù)體系結(jié)合實(shí)際工程,采用試驗(yàn)儀器、監(jiān)測(cè)儀器采集數(shù)據(jù)分析基坑變形規(guī)律特性以及對(duì)周邊建筑物變形的影響,獲得了大量成果。
本文結(jié)合湖南長(zhǎng)沙某深基坑支護(hù)工程設(shè)計(jì)方案,采用Midas/GTS軟件對(duì)雙排樁+錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算,模擬基坑開挖詳細(xì)步驟,分析雙排樁+錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作機(jī)理。
1 工程概況和計(jì)算模型
1.1 工程概況
長(zhǎng)沙某高層建筑深基坑地上31層,地下4層,基坑頂標(biāo)高42.0 m,基坑底標(biāo)高22.0 m,因深基坑北側(cè)緊鄰道路且變形控制要求極高,支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí),故采用雙排支護(hù)樁+錨索支護(hù)結(jié)構(gòu),后排樁止水帷幕施工至圓礫層、細(xì)沙層與其他巖土層的交界位置。前排樁采用1 000 mm@2 000 mm鉆孔灌注樁,樁長(zhǎng)23.9 m,前排樁冠梁頂標(biāo)高39.5 m;后排樁采用1 200 mm@2 000 mm鉆孔灌注樁,樁長(zhǎng)24.7 m,后排樁冠梁頂標(biāo)高42.0 m,前、后排樁樁長(zhǎng)及樁底標(biāo)高均不相同。預(yù)應(yīng)力錨索由前排樁樁間打入,孔徑間距為D150 mm@2 000 mm,鉆孔傾角25°,設(shè)置8道錨索,標(biāo)高分別為39.8 m、37.5 m、35.5 m、33.5 m、31.5 m、29.0 m、26.5 m、24.0 m,其中第一道錨索設(shè)置在后排樁。支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面如圖1所示。
根據(jù)鉆探揭露,場(chǎng)地內(nèi)埋藏的地層主要有人工填土層、第四系沖積層、第四系殘積層,下伏基巖為白堊系泥質(zhì)粉砂巖,場(chǎng)地原始地貌單元為湘江沖積階地。工程地質(zhì)條件如表1所示。
根據(jù)設(shè)計(jì)資料,將基坑開挖分為以下8種工況,如表2所示。
1.2 計(jì)算假設(shè)
由于現(xiàn)場(chǎng)周邊環(huán)境復(fù)雜,管網(wǎng)密集,為了保證有限元計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,同時(shí)提高運(yùn)算效率,建模時(shí)對(duì)雙排樁+錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行簡(jiǎn)化,并作幾點(diǎn)假定:
(1)由于本基坑支護(hù)屬臨時(shí)性工程,不考慮地下水作用。
(2)只考慮土體開挖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響,假定土體為均質(zhì)且各向同性,材料屈服采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。
(3)假設(shè)雙排樁冠梁與連梁、連梁與腰梁的連接是剛性的,混凝土材料使用彈性本構(gòu)進(jìn)行模擬,因支護(hù)樁間距較小且樁間止水帷幕嵌入,采用地連墻模擬前、后排樁。
(4)錨索結(jié)構(gòu)采用空間桿單元進(jìn)行模擬,并根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?jiān)O(shè)置自由段與錨固段,據(jù)實(shí)添加預(yù)應(yīng)力。
1.3 模型的建立
因本工程支護(hù)范圍較長(zhǎng),選擇截取一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)段進(jìn)行建模分析。基坑開挖深度20 m,前排樁冠梁尺寸為1.1 m×0.6 m,后排樁冠梁尺寸為1.3 m×0.8 m,采用0.8 m×0.4 m連梁連接前排樁冠梁與后排樁腰梁。通?;娱_挖引起的周圍地層沉降范圍為3~4倍開挖深度,故建模時(shí)為消除邊界效應(yīng)影響,模型X方向(平行支護(hù)結(jié)構(gòu)方向)共選取3根支護(hù)樁,寬度為5.2 m,模型Y方向(垂直支護(hù)結(jié)構(gòu)方向)取4倍開挖深度即88 m,模型Z方向(垂直開挖方向)取3倍樁長(zhǎng)即77 m,最終土體模型尺寸為5.2 m×88 m×77 m(長(zhǎng)×寬×高)。雙排樁+錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2所示。
2 計(jì)算結(jié)果分析
2.1 水平位移變化分析
圖3為前、后排樁隨基坑施工推進(jìn)不同工況下的水平位移云圖。基坑施工初期,前、后排樁樁頂冠梁處水平位移最大,樁端因土體嵌固作用使水平位移較?。浑S著基坑施工的推進(jìn),支護(hù)樁水平位移產(chǎn)生范圍逐漸向下方延伸,基坑內(nèi)土體約束減弱,坑外土體作用增大,前排樁整體變形值大于后排樁,現(xiàn)行對(duì)于雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中對(duì)該效應(yīng)差異化設(shè)計(jì)前、后排樁,可減少工程材料浪費(fèi)。
圖4、圖5為前、后排樁隨基坑施工的推進(jìn)在不同工況、不同深度的水平位移變化曲線。
隨著開挖過(guò)程推進(jìn),雙排樁結(jié)構(gòu)的水平位移逐漸增大,前排樁最大水平位移值由1 mm增至7.23 mm,后排樁最大水平位移值由0.96 mm增至6.89 mm,限制水平位移效果良好;從工況三開始,前排樁位移大于后排樁,隨著開挖深度增大,前、后排樁水平位移差值逐漸增大,但前、后排樁變形保持較好協(xié)調(diào),表明連梁在受力過(guò)程中發(fā)揮重要連接作用,后排樁通過(guò)連梁限制前排樁的側(cè)移,前排樁相對(duì)后排樁分擔(dān)了更多基坑變形。
各工況下,前排樁在基坑底以上水平位移變化曲線呈“S”型,與傳統(tǒng)的單樁錨索受力規(guī)律不同,傳統(tǒng)單樁錨索側(cè)移分布大多為線性;雙排樁+錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)中前排樁設(shè)置的錨索,在前排樁樁身中部調(diào)整了前、后排樁樁間土壓力,在-10 m以上部分水平位移值為正值,以下部分水平位移值為負(fù)值,錨索對(duì)前排樁水平位移限制明顯,但后排樁作用十分有限。
挖至坑底時(shí),前、后排樁樁底發(fā)生了一定程度的側(cè)移,側(cè)移值基本相同,保持在2" mm范圍內(nèi),整體變化量較小,這說(shuō)明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,前排樁樁身靠近基坑底部時(shí)水平位移存在轉(zhuǎn)點(diǎn),支護(hù)結(jié)構(gòu)的嵌固效果明顯。
2.2 基坑變形分析
基坑開挖及支護(hù)結(jié)構(gòu)施工將引起周圍地表及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形,對(duì)基坑開挖完成后的周圍環(huán)境及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形結(jié)果進(jìn)行提取分析,如圖6~圖8所示為基坑施工整體、Y方向、Z方向位移云圖。
由圖6~圖8可以看出總體變形范圍主要集中分布在基坑開挖區(qū)域中部,呈現(xiàn)由基坑開挖區(qū)域中部向外側(cè)逐漸減小的趨勢(shì);基坑開挖過(guò)程中,雙排樁結(jié)構(gòu)在主動(dòng)土壓力作用下向基坑內(nèi)部移動(dòng),移動(dòng)過(guò)程中擠壓基坑內(nèi)土體,從而導(dǎo)致基坑底部隆起;隨著開挖深度的增加及錨索分層施作,較近處地表由于錨索結(jié)構(gòu)施加對(duì)土體所產(chǎn)生的擠壓作用,其地表處的豎向隆起值逐漸增加,隨著最后一道錨索的施作,其豎向隆起值達(dá)到9.88 mm,同時(shí)距離支護(hù)結(jié)構(gòu)41 m處(兩倍開挖深度)豎向變形由隆起轉(zhuǎn)變?yōu)槌两?;基坑外土體距離樁體越遠(yuǎn)水平位移越小,逐漸穩(wěn)定,土體以圓弧形滑動(dòng)向坑內(nèi)側(cè)移,雙排樁+錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部土體的水平位移相對(duì)于其他位置明顯偏大。
2.3 樁身內(nèi)力分析
將基坑開挖及錨索結(jié)構(gòu)施工引起的前、后排樁受力結(jié)果進(jìn)行提取分析,如圖9、圖10所示為前、后排樁的彎矩、軸力分布云圖。
由圖9可知,前排樁彎矩分布主要集中在中部和底部,后排樁彎矩分布主要集中在樁體中部,且后排樁彎矩受力范圍較大,集中在錨索結(jié)構(gòu)施作范圍之內(nèi),前排樁彎矩最大值為199.03 kN·m,說(shuō)明在前排樁上錨索的拉錨作用使前、后排樁受力特征產(chǎn)生區(qū)別,后排樁承擔(dān)更多土壓力,在雙排樁+錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中,應(yīng)適當(dāng)增大后排樁剛度,為前排樁分擔(dān)內(nèi)力以提高整體穩(wěn)定性。
雙排樁+錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力分布情況如圖10,由圖10可以看出前、后排樁均主要集中在中部和底部,軸力最大值為1 758.30 kN,隨著基坑開挖及逐道錨索施工,錨索鎖定荷載在豎向方向的分力使受力范圍有明顯分層現(xiàn)象,分層范圍根據(jù)錨索施工位置變化;后排樁軸力分布具有較明顯的中心對(duì)稱現(xiàn)象,存在軸力近乎為零的中性點(diǎn),因后排樁上部通過(guò)連梁與前排樁相連,結(jié)構(gòu)側(cè)移使后排樁中性點(diǎn)以上產(chǎn)生向上的軸力,中性點(diǎn)以下摩阻力、自重產(chǎn)生向下的軸力。
2.4 錨索結(jié)構(gòu)變形分析
在基坑開挖及支護(hù)結(jié)構(gòu)施工完成后,將錨索結(jié)構(gòu)變形最終結(jié)果進(jìn)行提取分析。圖11為錨索結(jié)構(gòu)Y方向(垂直支護(hù)結(jié)構(gòu)方向)水平位移分布情況,可以看出變形范圍主要集中在上部錨索,其中第一道及第二道錨索水平位移在基坑施工完成后數(shù)值較大,與前排樁水平位移分布規(guī)律一致;在周圍土體初始應(yīng)力場(chǎng)變化的情況下,錨索端部水平位移達(dá)到最大值6.44 mm,隨著基坑開挖深度增加,錨索結(jié)構(gòu)水平變形逐漸減小,同時(shí)變形分布也較為均勻。
2.5 錨索結(jié)構(gòu)受力分析
跟隨基坑分層開挖,將基坑開挖及支護(hù)結(jié)構(gòu)施工引起的錨索軸力變化情況結(jié)果進(jìn)行提取分析,圖12所示為分工況錨索結(jié)構(gòu)軸力云圖。
通過(guò)圖12可以看出錨索的鎖定荷載在錨固段傳遞,在錨固段內(nèi)軸力逐漸降低,在自由端內(nèi)軸力為定值;隨著基坑施工不斷推進(jìn),開挖深度增加導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移,其軸力值逐漸增大;同時(shí),下層錨索的施工導(dǎo)致上層錨索軸力值增加,各工況下軸力最大值分別為480.22 kN、491.69 kN、502.96 kN、510.73 kN、521.72 kN、535.83 kN、547.89 kN、547.19 kN,軸力最大值小于設(shè)計(jì)圖紙中的鎖定荷載,表明設(shè)計(jì)圖數(shù)據(jù)可靠,在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中,可充分發(fā)揮錨索對(duì)前排樁的限制作用,有效限制前排樁的水平位移。
3 結(jié)論與建議
通過(guò)應(yīng)用Midas/GTS軟件對(duì)長(zhǎng)沙某深基坑開挖過(guò)程不同工況進(jìn)行分析,主要得到幾點(diǎn)結(jié)論與建議:
(1)隨開挖過(guò)程推進(jìn),前、后排的水平位移逐漸增大,前排樁最大值為7.23 mm,后排樁最大值為6.89 mm,限制水平位移效果良好;前、后排樁變形保持較好協(xié)調(diào),連梁在受力過(guò)程中前、后排間發(fā)揮重要連接作用,后排樁通過(guò)連梁限制前排樁的側(cè)移。錨索在前排樁樁身中部調(diào)整前、后排樁樁間土壓力,對(duì)前排樁水平位移限制明顯,但后排樁作用十分有限。
(2)分析基坑開挖整體變形云圖,呈現(xiàn)由基坑開挖區(qū)域中部向外側(cè)逐漸減小的趨勢(shì);基坑開挖過(guò)程中,基坑內(nèi)土體為隆起狀態(tài),基坑外土體水平位移距離樁體越遠(yuǎn)逐漸穩(wěn)定,豎向變形距離兩倍開挖深度以外由隆起轉(zhuǎn)變?yōu)槌两怠?/p>
(3)分析前、后排樁彎矩、軸力分布情況,錨索的拉錨作用使前、后排樁受力特征產(chǎn)生區(qū)別,后排樁承擔(dān)更多土壓力;前排樁軸力分布范圍有明顯分層現(xiàn)象,后排樁軸力分布具有較明顯的中心對(duì)稱現(xiàn)象,存在軸力近乎為零的中性點(diǎn)。
(4)分析錨索結(jié)構(gòu)軸力變化情況,在錨固段內(nèi)軸力逐漸降低,在自由端內(nèi)軸力為定值,隨著基坑施工不斷推進(jìn),開挖深度增加導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移,其軸力值逐漸增大,同時(shí),下層錨索的施工導(dǎo)致上層錨索軸力值增加,在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中,可充分發(fā)揮錨索對(duì)前排樁的限制作用。
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