石 堅(jiān),田漢儒,黃春花,趙 寶
(長(zhǎng)安大學(xué) 建筑工程學(xué)院,西安 710061)
基坑工程是一個(gè)綜合性很強(qiáng)的巖土工程問(wèn)題,它涉及土力學(xué)中強(qiáng)度、穩(wěn)定、變形及土與支護(hù)結(jié)構(gòu)的共同作用等問(wèn)題,由于問(wèn)題的復(fù)雜性,目前對(duì)基坑支護(hù)影響因素的研究尚不能滿足實(shí)際工程的需要,有必要針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行深入研究。
懸臂樁支護(hù)是指不帶內(nèi)撐和拉錨的支撐結(jié)構(gòu),可以通過(guò)設(shè)置鋼筋混凝土樁形成支護(hù),這是目前常用的一種基坑支護(hù)形式。本文用ANSYS有限元軟件,通過(guò)數(shù)值模擬,研究分析鋼筋混凝土懸臂樁支護(hù)的影響因素。
有限元計(jì)算模型包括幾何模型、材料模型的建立及邊界條件的定義。本研究計(jì)算基坑尺寸為41 m×29 m,懸臂樁樁長(zhǎng)20 m,尺寸如圖1所示,采用二維模型模擬。樁體采用各向同性線彈性本構(gòu)模型,土體采用Drucker-Prager模型。
圖1 計(jì)算簡(jiǎn)圖(單位:m)
計(jì)算單元?jiǎng)澐秩鐖D2所示。
圖2 計(jì)算單元?jiǎng)澐?/p>
樁的計(jì)算參數(shù)取為彈性模量 E=2.0×1010Pa,泊松比ν=0.25;土的內(nèi)聚力 c=10 kPa,內(nèi)摩擦角 φ=20°,變形模量 E0=1.6×107Pa,泊松比 ν=0.39。樁徑 d分別取0.6 m,0.8 m,1.0 m,1.2 m 和1.4 m。
2.1.1 對(duì)樁水平位移的影響
計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3和表1。
圖3 不同樁徑時(shí)懸臂樁水平位移曲線
表1 不同樁徑時(shí)樁的最大水平位移
由圖3和表1可知,樁的最大水平位移出現(xiàn)在樁頂,樁的最小水平位移在樁底,但是并不為零。隨著樁徑的增大,樁體的最大水平位移減少,但對(duì)樁底的水平位移基本上沒(méi)有影響。由表1可知:當(dāng)樁徑為0.6 m時(shí),樁的最大水平位移為73.6 mm,當(dāng)樁徑從0.6 m增大到1.4 m時(shí),樁的最大水平位移減小至44.9 mm,減小的幅度為41.1%。當(dāng)樁徑從1.2 m增大到1.4 m時(shí),水平位移減小的幅度變小,為4.26%。這表明,適當(dāng)增大樁徑可以有效地減小懸臂樁的水平位移,但當(dāng)d>1.2 m時(shí)對(duì)減小樁的水平位移影響不明顯。
2.1.2 對(duì)土壓力影響
圖4為不同樁徑時(shí)樁側(cè)土壓力計(jì)算結(jié)果。
圖4 不同樁徑時(shí)樁側(cè)土壓力分布
由圖4可知,樁徑的改變對(duì)于支護(hù)樁土壓力的分布影響不大,朗金理論的支護(hù)土壓力計(jì)算結(jié)果偏于保守。
樁基本參數(shù)取為 E=2.0×1010Pa,ν=0.25,樁直徑d取0.8 m;土的基本參數(shù)為 E0=1.6×107Pa,ν=0.39。土的 c,φ 值取 5 組計(jì)算:c=10 kPa,φ =15°;c=10 kPa,φ =20°;c=15 kPa,φ =20°;c=20 kPa,φ =20°;c=25 kPa,φ =20°。
2.2.1 對(duì)樁水平位移影響
表2為不同c,φ時(shí)樁最大水平位移的計(jì)算結(jié)果。
由表2可知:當(dāng) c=10 kPa,φ=15°增大到 c=10kPa,φ=20°時(shí),樁的最大位移由 105.1 mm 減小到58.3 mm,減小了44.5%;土的抗剪強(qiáng)度由 c=10 kPa,φ=20°增大到 c=15 kPa,φ =20°時(shí),樁的最大位移由58.3 mm減小到42.5 mm,減小了27.1%;當(dāng)土抗剪強(qiáng)度由 c=20 kPa,φ =20°增大到 c=25 kPa,φ =20°時(shí),樁的最大位移由41.4 mm減小到40.9 mm,減小了1.2%。由此可知:土的抗剪強(qiáng)度對(duì)樁的水平位移影響明顯,但當(dāng)c,φ值增大到一定程度時(shí),影響程度減弱。
表2 不同c,φ時(shí)樁的最大水平位移
2.2.2 對(duì)樁身應(yīng)力的影響
表3為不同c,φ值時(shí)樁身的最大拉、壓應(yīng)力。
表3 不同c,φ時(shí)樁身最大拉、壓應(yīng)力
由表3可知:當(dāng)土的 c,φ 值由 c=10 kPa,φ=15°增大到c=10 kPa,φ=20°時(shí),樁的最大拉、壓應(yīng)力減小的平均幅度為59.1%;而當(dāng)土的 c,φ值由 c=20 kPa,φ=20°增大到 c=25 kPa,φ =20°時(shí),樁的最大拉應(yīng)力僅減小了0.01 MPa,最大壓應(yīng)力沒(méi)有變化。由此可知:當(dāng) c=10 ~20 kPa,φ =15°~20°時(shí),對(duì)樁體的應(yīng)力的影響明顯,當(dāng) c>20 kPa,φ >20°時(shí),對(duì)樁體的應(yīng)力的影響很小。
1)增大樁徑可有效減少樁的水平位移,在實(shí)際工程中,支護(hù)樁的直徑宜在0.8~1.2 m之間。
2)增大樁徑對(duì)支護(hù)樁土壓力分布影響不大。朗金理論計(jì)算的土壓力偏于保守。
3)土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo) c,φ值對(duì)支護(hù)樁水平位移影響明顯。隨著c,φ值的增大,影響減弱。
4)當(dāng) c=10 ~20 kPa,φ =15°~20°時(shí),對(duì)支護(hù)樁樁身應(yīng)力影響明顯,在該范圍內(nèi)隨著c,φ值增大,樁身應(yīng)力減小明顯。
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