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        不同工況下三排樁基坑支護特性分析

        2020-08-05 05:16:22曹新剛丁飛中煤第三建設集團有限責任公司安徽宿州234000
        安徽建筑 2020年7期
        關鍵詞:四中后排樁體

        曹新剛,丁飛 (中煤第三建設(集團)有限責任公司,安徽 宿州 234000)

        三排樁是由前排樁、中排樁、后排樁和樁頂?shù)墓诹?、連系梁組成的空間超靜定結(jié)構(gòu),與雙排樁相比,其具有更大的抗側(cè)移剛度、更大的抗傾覆性能。三排樁適用于變形控制要求苛刻、不用或少用內(nèi)支撐、不允許錨桿侵入周邊地界的狹小場地等多種情況,已在河流岸坡工程[1,2]、高邊坡治理[3,4]、基坑支護[5,6]等工程中得到了使用。

        目前關于抗滑樁的研究主要集中于雙排樁,對三排樁的研究較少,三排樁的受力機理與抗滑機制尚不明確。為此,本文基于有限元法,對比分析了基坑支護工程中4種不同構(gòu)型的三排樁的內(nèi)力區(qū)別,以便深入了解三排樁的特性,促進其在工程實踐中的應用。

        1 有限元計算模型

        現(xiàn)以某基坑的工程地質(zhì)為例,考察三排樁的受力特征。三排樁各樁樁徑為0.8m、間距1.5m,最大樁長20.0m,排距3.0m,樁頂?shù)倪B系梁尺寸為0.8m×0.8m?;娱_挖深度12.0m。事實上,基坑開挖過程中,三排樁的設置具有多種構(gòu)型。為了尋求相對較為經(jīng)濟合理的布置方式,現(xiàn)設置下列四種工況進行對比計算。

        ①工況一:前排樁、中排樁、后排樁的長度相等,均為20.0m,如圖1(a)所示。

        ②工況二:中排樁、后排樁的長度相等均為20.0m,前排樁長度為16.0m,如圖1(b)所示。

        ③工況三:前排樁與中排樁的長度相等為16.0m,后排樁長度為20.0m,如圖1(c)所示。

        ④工況四:前排樁長度為12.0m,中排樁長度為16.0m,后排樁長度為20.0m,三者呈臺階狀分布,如圖1(d)所示。

        上述各工況中各樁的樁底標高均相同。

        圖1 基坑支護工程中三排樁的不同構(gòu)型

        根據(jù)地勘報告,從上至下各土層可分為①雜填土、②粉質(zhì)黏土、③粉土、④強風化泥巖、⑤中風化泥巖、⑥微風化泥巖,采用小應變土體硬化(HS-Small)本構(gòu)模型對各土層進行模擬,主要計算參數(shù)見表1。表中為標準三軸排水試驗所得割線模量,為側(cè)限加載試驗的切線模量,為工程應變卸載/重加載模量。圖2給出了工況一的網(wǎng)格剖分情況。

        圖2 網(wǎng)格剖分情況

        數(shù)值計算按平面應變問題考慮,樁與連系梁等效為板單元,等效后樁的軸向剛度EA=1.63E7 kN/m、抗彎剛度EI=4.02E5 kN·m2/m,連系梁的軸向剛度EA=2.09E7 kN/m、抗彎剛度EI=8.54E5 kN·m2/m。

        基坑采用分層、分步開挖,開挖至底時為最危險工況,下面僅對比最危險工況下的變形與樁體內(nèi)力取值情況。

        2 計算結(jié)果分析

        2.1 土體水平位移

        基坑施工過程中,土體的水平位移是重要的監(jiān)控參數(shù)。基坑開挖至底時,各工況下土體的水平位移等值線分布如圖3所示。各工況下土體水平位移等值線的形狀分布基本相似,水平位移最大值均位于坑頂土體中。工況一~工況四的土體水平位移最大值分別為34.6mm、25.0mm、28.7mm、22.3mm??梢?,三排樁長度累計最大的工況一的水平位移最大,而三排樁長度累計最小的工況四的的水平位移反而最小。

        土層計算參數(shù) 表1

        工況一中三排樁在頂部基于連系梁形成整體,此時三排樁的長度最長。在結(jié)構(gòu)力學中,柱子的抗側(cè)移剛度與柱子高度的平方成反比。根據(jù)此概念,工況一中三排樁的長度最大,故其抗側(cè)移剛度最小,導致土體水平位移最大。而在工況四中,對于后排樁而言,連系梁支撐點下移反而提高了其抗側(cè)移剛度,前排樁與中排樁的長度變短也提高了抗側(cè)移剛度,故其總體上抗側(cè)移剛度最大、土體的水平位移最小。

        可見,抗滑樁的長度不是越長越好,需考慮其綜合的抗側(cè)移能力。三排樁的布置中,工況四的水平位移最小,其累計樁長最小、用料最少、造價相對較低,顯然是較為合理的構(gòu)型。

        圖3 土體水平位移等值線分布圖(單位:mm)

        2.2 樁體水平位移

        基坑開挖至底時,前排樁、中排樁、后排樁的水平位移如圖4~圖6所示。前排樁的水平位移最大值在工況一~工況四中分別為34.9mm、24.5mm、19.1mm、7.6mm;中排樁的水平位移最大值在工況一~工況四中分別為31.2mm、25.2mm、18.4mm、13.6mm;后排樁的水平位移最大值在工況一~工況四中分別為31.2mm、24.1mm、28.7mm、22.9mm。

        可見,前排樁與中排樁的水平位移最大值在工況一~工況四中依次減??;后排樁的水平位移最大值在工況一中最大,工況三次之,工況二再次之,工況四中最小。

        可見,工況一的各排樁水平位移最大、工況四的水平位移最小,這樣土體的變形規(guī)律是一致的。采用工況四較合理,其具有較小的水平位移,更能滿足規(guī)范要求。

        圖4 前排樁水平位移分布

        圖5 中排樁水平位移分布

        圖6 后排樁水平位移分布

        2.3 樁體軸力分布

        基坑開挖至底時,前排樁、中排樁、后排樁的軸力分布如圖7~圖9所示。前排樁的軸力絕對值最大值在工況一~工況四中分別為288.1kN/m、260.5 kN/m、167.6 kN/m、115.3kN/m;中排樁的軸力絕對值最大值在工況一~工況四中分別為178.8kN/m、110.6kN/m、140.3 kN/m、136.7kN/m;后排樁的軸力絕對值最大值在工況一~工況四中分別為85.2kN/m、80.2kN/m、87.1 kN/m、103.5kN/m??梢姡芭艠兜妮S力最大值位于坑底位置處,工況一~工況四中前排樁軸力最大值依次減?。恢信艠兜妮S力最大值在工況一中最大,工況三與工況四居中,工況二中最小;后排樁的軸力最大值在工況四中最大,其余工況相差不大。

        圖7 前排樁軸力分布

        圖8 中排樁軸力分布

        2.4 樁體剪力分布

        基坑開挖至底時,前排樁、中排樁、后排樁的剪力分布如圖10~圖12所示。前排樁的剪力絕對值最大值在工況一~工況四中分別為192.2kN/m、190.0 kN/m、159.2 kN/m、117.1kN/m;中排樁的剪力絕對值最大值在工況一~工況四中分別為 34.4kN/m、82.8 kN/m、44.6 kN/m、107.8kN/m;后排樁的剪力絕對值最大值在工況一~工況四中分別為78.2kN/m、56.9 kN/m、118.1 kN/m、64.3 kN/m??梢?,前排樁的剪力最大值位于坑底位置處,工況一~工況四中前排樁剪力最大值依次減?。恢信艠兜募袅ψ畲笾翟诠r一與工況三中取值較小,而在工況二與工況四中取值較大;后排樁的剪力最大值在工況三中最大,其余三種工況取值基本相當。

        圖9 后排樁軸力分布

        圖10 前排樁剪力分布

        圖11 中排樁剪力分布

        2.5 樁體彎矩分布

        基坑開挖至底時,前排樁、中排樁、后排樁的彎矩分布如圖13~圖15所示。前排樁的彎矩絕對值最大值在工況一~工況四中分別為 324.3kN·m/m、297.3kN·m/m、236.6kN·m/m、155.4kN·m/m;中排樁的彎矩絕對值最大值在工況一~工況四中分別為 230.9kN·m/m、286.1kN·m/m、187.9kN·m/m、155.5kN·m/m;后排樁的彎矩絕對值最大值在工況一~工況四中分別為331.4kN·m/m、258.8kN·m/m、216.9kN·m/m、80.7kN·m/m??梢?,工況一~工況四中前排樁與后排樁彎矩最大值均依次減??;中排樁中彎矩最大值在工況二中最大,工況一次之,工況三次之,工況四最小。

        2.6 基坑穩(wěn)定性分析

        基于強度折減有限元法[7,8],對基坑開挖至底時的穩(wěn)定性進行分析,得到土體潛在滑裂面位置如圖16所示,計算表明各工況的潛在滑裂面基本一致,三排樁的上部構(gòu)型變化對滑裂面的位置基本無影響。工況一的安全系數(shù)最小,工況四的安全系數(shù)最大,但各工況的安全系數(shù)均大于2.0,說明基坑的穩(wěn)定性滿足要求,基坑施工由變形控制而不由穩(wěn)定性控制,這與已有的施工經(jīng)驗是一致的。

        圖12 后排樁剪力分布

        圖13 前排樁彎矩分布

        圖14 中排樁彎矩分布

        綜上所述,雖然工況四的累計樁長最小,但在四種工況中其土體變形、樁體變形、樁體彎矩最大值均為最小,安全系數(shù)最大;相反,雖然工況一的累計樁長最大,但在四種工況中其土體變形、樁體變形、樁體彎矩最大值均為最大,安全系數(shù)最小。可見,三排樁的布置中,工況四為最優(yōu)構(gòu)型,該結(jié)論應引起設計人員的重視。

        3 結(jié)論

        基坑開挖過程中,可采用三排樁進行支護。設計了四種不同工況進行對比計算,其中工況一中三排樁長度相等、累計長度最大,工況四各排樁呈階梯狀分布、累計長度最小。計算表明,雖然工況一的累計樁長最大,但在四種工況中其土體變形、樁體變形、樁體彎矩最大值均為最大,安全系數(shù)最??;而工況四的土體變形、樁體變形、樁體彎矩最大值均為最小,安全系數(shù)最大??梢姡A梯狀分布的三排樁構(gòu)型是最合理的布置方式。

        圖15 后排樁彎矩分布

        圖16 基坑的潛在滑裂面位置

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