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        基坑后排樁傾斜的雙排樁受力與變形特征

        2020-12-17 11:45:54王祖珍董閣汪東林
        安徽建筑 2020年12期
        關(guān)鍵詞:水平影響

        王祖珍 ,董閣 ,汪東林

        (1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230088;2.公路交通節(jié)能與環(huán)保技術(shù)及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心,安徽 合肥 230088;3.安徽建筑大學(xué),安徽 合肥 230601)

        雙排樁具有側(cè)移剛度大、施工工期短、施工簡(jiǎn)便、穩(wěn)定性強(qiáng)、節(jié)約造價(jià)等優(yōu)點(diǎn),已在基坑支護(hù)工程中得到了廣泛應(yīng)用[1-6]。

        目前,雙排樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算理論尚不完善,且常用的雙排樁均為前后排樁豎直分布的形狀。已有少數(shù)學(xué)者對(duì)前排樁傾斜的雙排樁進(jìn)行了研究,如徐源等[7]基于模型試驗(yàn)對(duì)比分析不同傾角、不同排距及前后排樁不同布置形式時(shí)雙排樁的工作形狀,分析了前排樁傾斜的雙排樁的位移、內(nèi)力隨前排樁傾斜角度變化而變化的規(guī)律;王建[8]研究了前排樁不同傾斜角度時(shí)雙排樁的變形與受力規(guī)律,結(jié)果表明前排樁傾斜的雙排樁的樁頂水平位移小于常規(guī)雙排樁的樁頂水平位移;黃曉程等[9]針對(duì)武漢特定地區(qū)土層,利用有限元方法分析前排樁傾角、樁徑、樁長(zhǎng)對(duì)支護(hù)效果影響,計(jì)算表明前樁傾斜雙排樁樁身最大彎矩均出現(xiàn)在后排樁,后排樁受彎明顯。這些研究促進(jìn)了人們對(duì)前排樁傾斜雙排樁受力特性的認(rèn)識(shí)。

        但在實(shí)際工程中,可能無足夠的空間實(shí)現(xiàn)前排樁傾斜。如開挖深度為h=10.0mm、總樁長(zhǎng)H=20.0mm的基坑(見圖1所示),假設(shè)前排樁傾斜角度為β=6°,則可能存在下列問題:

        ①相比直立樁而言,基坑坑底處傾斜前排樁需多侵占空間 htanβ=10×tan6°=1.05m,導(dǎo)致基坑的周長(zhǎng)變大、占地?cái)U(kuò)大,顯然在城市空間緊湊的區(qū)域往往難以實(shí)現(xiàn)。

        ②相比直立樁而言,樁底處向基坑內(nèi)側(cè)傾斜 Htanβ=20×tan6°=2.10m,可能與擬建建筑物的樁基礎(chǔ)發(fā)生空間沖突。

        圖1 前排樁傾斜占地示意圖

        可見,傾斜前排樁的雙排樁應(yīng)用受到一定的空間限制。事實(shí)上,為了不擴(kuò)大基坑的空間,不妨采用后排樁傾斜的雙排樁方案。現(xiàn)有文獻(xiàn)中較少有關(guān)于后排樁傾斜的報(bào)道。

        為此,本文基于有限元方法,對(duì)比分析了后排樁不同傾角對(duì)土體水平位移、前后排樁內(nèi)力的影響,以便深入了解該類雙排樁的特性,促進(jìn)其在工程實(shí)踐中的應(yīng)用。

        1 有限元計(jì)算模型

        現(xiàn)針對(duì)某一典型基坑工程中的雙排樁進(jìn)行分析。前排樁與后排樁的樁徑均為900mm,樁中心距1200mm。樁頂設(shè)置冠梁與橫梁,橫梁尺寸為800mm×800mm,前后排樁中心距3.0m。該工程采用的是豎直等長(zhǎng)雙排樁,前后排抗滑樁長(zhǎng)度均為16.5m,基坑開挖深度8.0m。為了分析后排樁傾斜雙排樁的基本特性,假定后排樁的傾角為β,現(xiàn)以該工程為依托建立計(jì)算模型,如圖2所示。

        根據(jù)地勘報(bào)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(qiáng)風(fēng)化泥巖;⑤中風(fēng)化泥巖。采用Mohr-Coulomb模型對(duì)土體進(jìn)行模擬,土層的計(jì)算參數(shù)見下表。圖3給出了β=9°情況下的網(wǎng)格劃分情況。

        圖2 后排樁傾斜的雙排樁示意圖

        土層計(jì)算參數(shù)

        圖3 有限元網(wǎng)格劃分

        數(shù)值計(jì)算按平面應(yīng)變問題考慮,樁與橫梁等效為板單元,等效后前后排樁的軸向剛度EA=2.055E7kN/m、抗彎剛度EI=8.04E5kN·m2/m,連系梁的軸向剛度EA=2.09E7kN/m、抗彎剛度EI=8.54E5kN·m2/m。

        挖方工程的計(jì)算步驟為:原土體自重應(yīng)力平衡、激活樁單元、分層開挖(凍結(jié)開挖面處的土體單元)至坑底標(biāo)高-8.00m處。

        2 計(jì)算結(jié)果分析

        通過對(duì)比計(jì)算,得到了前排樁直立、后排樁傾角 β 分別取值 0°、3°、6°、9°、12°情況下的土體變形與樁體內(nèi)力情況。

        2.1 土體水平位移

        基坑開挖至標(biāo)底后,坑壁土體水平位移最大值與后排樁傾角β之間的關(guān)系見圖4所示??梢姡馏w水平位移最大值隨著后排樁傾角β的增大呈線性減小的規(guī)律,后排樁傾角β每增加1°土體水平位移最大值減小約0.79mm。

        圖4 后排樁傾角對(duì)土體水平位移最大值的影響

        圖5 土體水平位移等值線分布圖(單位:mm)

        圖5給出了基坑開挖后土體的水平位移等值線分布情況,水平位移方向指向開挖工作面。結(jié)果表明,β=1°時(shí)水平位移最大值的位置位于雙排樁頂部坑壁土體中,隨著后排樁傾角β的增大,土體水平位移最大值的位置逐漸下移,β=12°時(shí)土體水平位移最大值的位置位于坑底前排樁后方的土體中。

        圖6 后排樁傾角變化對(duì)前排樁水平位移的影響

        圖7 后排樁傾角變化對(duì)后排樁水平位移的影響

        圖8 后排樁傾角變化對(duì)前排樁軸力的影響

        不同傾角β取值情況下前排樁與后排樁的水平位移分布見圖6與圖7所示??梢?,隨著后排樁傾角β的增大,前排樁與后排樁的水平位移均發(fā)生明顯的減小,這與土體的變形規(guī)律是一致的。

        2.2 樁體軸力

        后排樁傾角β不同取值情況下前排樁與后排樁的軸力分布見圖7與圖8所示??梢?,前排樁的軸力最大值基本位于坑底位置處,而后排樁軸力最大值位于樁頂。隨著后排樁傾角β的增大,前排樁軸力最大值略有減小,后排樁軸力最大值略有增加,但變化幅度均不大。

        圖9 后排樁傾角變化對(duì)后排樁軸力的影響

        圖10 后排樁傾角變化對(duì)前排樁剪力的影響

        圖11 后排樁傾角變化對(duì)后排樁剪力的影響

        2.3 樁體剪力

        后排樁傾角不同取值情況下前排樁與后排樁的剪力分布見圖10與圖11所示。可見,前排樁的剪力最大值位于坑底或樁頂位置處,而后排樁剪力最大值位于樁頂。隨著后排樁傾角的增大,前排樁樁頂處的剪力略有增大,而坑底以上后排樁的剪力略有減小,變化幅度均不大。

        2.4 樁體彎矩

        后排樁傾角β不同取值情況下前排樁與后排樁的彎矩分布見圖12與圖13所示??梢?,前排樁的彎矩最大值基本位于-4.5m深度處,而后排樁的彎矩最大值位于樁頂處。β=0°時(shí)的前排樁與后排樁的彎矩絕對(duì)值最大值分別為480.4kN·m/m、598.6kN·m/m,β=12°時(shí)的前排樁與后排樁的彎矩絕對(duì)值最大值分別為 534.4kN·m/m、572.8kN·m/m。隨著后排樁傾角β的增大,前排樁彎矩最大值呈現(xiàn)增大、后排樁彎矩最大值呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

        圖12 后排樁傾角變化對(duì)前排樁彎矩的影響

        圖13 后排樁傾角變化對(duì)后排樁彎矩的影響

        圖14 后排樁傾角變化對(duì)連系梁軸力的影響

        2.5 連系梁內(nèi)力

        后排樁傾角β不同取值情況下連系梁的軸力、剪力與彎矩變化分別見圖14~圖16所示??梢姡S著后排樁傾角β的增大,連系梁的軸力逐漸增大,連系梁的剪力逐漸減小,而連系梁的彎矩基本不變。通常連系梁的設(shè)計(jì)由彎矩控制,故后排樁傾角β的變化對(duì)連系梁基本無影響。

        2.6 基坑穩(wěn)定性

        基于強(qiáng)度折減有限元法[10],對(duì)基坑開挖至底時(shí)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,得到土體滑裂面位置如圖17所示,后排樁不同傾角取β值對(duì)基坑安全系數(shù)的影響如圖18所示??梢姡影踩禂?shù)隨著后排樁傾角β的增大逐漸增大,但后排樁傾角β取值對(duì)滑裂面位置的影響非常小。

        圖15 后排樁傾角變化對(duì)連系梁剪力的影響

        圖16 后排樁傾角變化對(duì)連系梁彎矩的影響

        圖17 基坑失穩(wěn)破壞時(shí)的滑裂面位置

        圖18 后排樁傾角變化對(duì)基坑安全系數(shù)的影響

        3 結(jié)語(yǔ)

        雙排樁中的前排樁向基坑一側(cè)發(fā)生傾斜時(shí),需侵占一定的空間,且傾斜前排樁可能與后續(xù)建筑物的樁基礎(chǔ)發(fā)生空間沖突,若采用后排樁傾斜,則可避免該問題?;谟邢拊ǎ瑢?duì)比考察了后排樁不同傾角對(duì)基坑變形與樁體內(nèi)力的影響,計(jì)算結(jié)果表明:前排樁、后排樁與土體的水平位移均隨著后排樁傾角的增大而明顯減?。浑S著后排樁傾角的增大,前排樁軸力最大值略有減小,后排樁軸力最大值略有增加,但變化幅度均不大;基坑安全系數(shù)隨著后排樁傾角的增大逐漸增大;后排樁傾角的變化對(duì)連系梁基本無影響。

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