高欣亞

（青海大學(xué) 土木工程學(xué)院，青海 西寧810016）

引言

在基坑工程中排樁實(shí)際施工程中因施工的順序不當(dāng)造成了很多基樁傾斜的情況，一些學(xué)者對(duì)這些傾斜樁進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)傾斜支護(hù)樁相較于豎直支護(hù)樁能夠更好地減小在基坑開(kāi)挖過(guò)程中由水平荷載引起的樁頂水平位移和樁身側(cè)向變形，且樁身彎矩更小支護(hù)性能更強(qiáng)[1]，鄭剛[2]通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)不同傾角和不同布樁形式的單排傾斜支護(hù)樁的支護(hù)性能進(jìn)行研究，得出同等條件下，傾斜豎直交替布置的單排傾斜樁支護(hù)性能最強(qiáng)，豎直單排樁抗傾覆能力最弱的結(jié)論。孔德森[3]依據(jù)鄭剛等模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值模擬進(jìn)一步驗(yàn)證了模型試驗(yàn)的準(zhǔn)確性以及傾斜支護(hù)樁的優(yōu)越性。徐源[4]通過(guò)將雙排樁支護(hù)中的前排樁傾斜一定角度形成了斜直交替的雙排樁支護(hù)形式，并通過(guò)模型試驗(yàn)研究了不同傾角、不同樁間距和不同布樁方式下該結(jié)構(gòu)的受力性狀。王恩鈺[5]結(jié)合數(shù)值模擬軟件研究了不同形式斜直交替傾斜樁支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)性能。

本文在已有研究基礎(chǔ)上對(duì)斜直交替傾斜樁支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。通過(guò)有限元分析軟件PLAXIS-3D 對(duì)斜直交替傾斜樁在不同斜樁傾角下的支護(hù)性能進(jìn)行對(duì)比分析，探究斜樁傾角對(duì)該支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響作用。

1 有限元模型的建立與計(jì)算

1.1 模型建立。以某工程實(shí)例[5]為背景采用PLAXIS-3D 建立三維有限元模型。模型整體寬為7.2m，長(zhǎng)度取80m，開(kāi)挖深度為6m，坑底寬度設(shè)定為40m。支護(hù)結(jié)構(gòu)斜樁傾角分別設(shè)為5°、10°、15°和20°，用來(lái)比較不同斜樁傾角下支護(hù)機(jī)構(gòu)支護(hù)性能變化。具體模型與斜直交替傾斜樁形式如圖1 所示。

圖1 斜直交替傾斜樁數(shù)值模型

模型土體采用10 節(jié)點(diǎn)四面體單元模擬，土體材料模型選用硬化土模型，排水類(lèi)型設(shè)為排水，不考慮地下水對(duì)變形的影響，土體材料選用單一土層具體參數(shù)見(jiàn)表1。豎直支護(hù)樁采用板單元模擬，按截面等剛度原則計(jì)算板厚度為424mm，斜樁使用嵌入式梁?jiǎn)卧M，樁間距為0.6m，其模型參數(shù)見(jiàn)表2。冠梁采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，材料模型為線彈性模型，模型參數(shù)見(jiàn)表3。模型網(wǎng)格劃分粗細(xì)程度選擇“很細(xì)”，共生成11652 單元，20531 網(wǎng)格。

1.2 模型計(jì)算。計(jì)算第一步首先需要模擬天然場(chǎng)地應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行初始應(yīng)力平衡，之后進(jìn)行支護(hù)樁施工，為計(jì)算簡(jiǎn)便將冠梁施工與支護(hù)樁施工合并在一個(gè)工況內(nèi)完成，然后進(jìn)行基坑的分步開(kāi)挖，設(shè)定每次開(kāi)挖深度為2m。兩種支護(hù)結(jié)構(gòu)的基坑開(kāi)挖工況相同，主要分為5 個(gè)工況進(jìn)行。

表1 土體材料參數(shù)表

表3 冠梁參數(shù)表

2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

2.1 樁身位移對(duì)比分析。不同斜樁傾角下豎樁樁身位移曲線如圖2 所示。

圖2 樁身位移對(duì)比曲線

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不同斜樁傾角情況下樁身位移變化差異明顯。斜樁傾角為5°時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的豎樁樁身位移最大；當(dāng)傾角變?yōu)?0°時(shí)，豎樁位移值明顯減小，最大位移值與傾角為5°時(shí)相比減小50%。產(chǎn)生這種變化的原因主要是對(duì)于斜直交替支護(hù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)斜樁具有一定傾斜角度時(shí)會(huì)對(duì)豎樁施加面向擋土側(cè)的水平力，對(duì)豎樁后的主動(dòng)土壓力產(chǎn)生抵消作用。當(dāng)斜樁傾角較小時(shí)，該水平力對(duì)樁后主動(dòng)土壓力的抵消作用較弱，支護(hù)樁會(huì)產(chǎn)生較大的位移；隨著斜樁傾角的增加，斜樁的支撐效果逐步增強(qiáng)，對(duì)豎樁產(chǎn)生的水平力隨之增大，豎樁樁身位移因此減小。

另對(duì)比傾角為10°和5°時(shí)的豎樁身頂位移值，可以發(fā)現(xiàn)兩者差距明顯；而隨著傾角繼續(xù)增大到15°和20°，豎樁樁頂位移值正變?yōu)樨?fù)值，這表明斜樁傾角增大可以有效限制豎樁樁頂變形，防止支護(hù)結(jié)構(gòu)因樁頂變形過(guò)大發(fā)生破壞。

2.2 樁身彎矩對(duì)比分析。斜直交替傾斜樁在不同斜樁傾角時(shí)豎樁與斜樁的樁身彎矩對(duì)比曲線見(jiàn)圖3、圖4。

可看出當(dāng)斜樁傾角分別為10°、15°和20°時(shí)，斜直交替傾斜樁中的豎樁彎矩整體相差不大，斜樁彎矩方面，傾角為15°和20°時(shí)，樁身彎矩大于傾角為10°的樁身彎矩。這說(shuō)明隨著斜樁傾角增大，斜樁的支撐作用愈加明顯，其樁身內(nèi)力也隨之增加，樁身彎矩因此變大。

圖3 豎樁樁身彎矩曲線

圖4 斜樁樁身彎矩曲線

斜樁傾角為5°和10°時(shí)，豎樁樁頂彎矩為負(fù)，說(shuō)明在樁頂位置處支護(hù)樁擋土側(cè)受壓，臨空側(cè)受拉；而當(dāng)傾角變?yōu)?5°和20°時(shí)，樁頂彎矩為正彎矩，此時(shí)樁頂位置處臨空側(cè)受壓，擋土側(cè)受拉，這表明由于傾角增大，斜樁對(duì)豎樁施加的斜撐力使豎樁樁頂位置向后產(chǎn)生移動(dòng)，豎樁樁頂彎矩變?yōu)檎龔澗亍?/p>

斜樁傾角為5°和10°時(shí)，豎樁樁頂彎矩為負(fù)，說(shuō)明在樁頂位置處支護(hù)樁擋土側(cè)受壓，臨空側(cè)受拉；而當(dāng)傾角變?yōu)?5°和20°時(shí)，樁頂彎矩為正彎矩，此時(shí)樁頂位置處臨空側(cè)受壓，擋土側(cè)受拉，這表明由于傾角增大，斜樁對(duì)豎樁施加的斜撐力使豎樁樁頂位置向后產(chǎn)生移動(dòng)，豎樁樁頂彎矩變?yōu)檎龔澗亍?/p>

對(duì)比傾角為5°和10°時(shí)的豎樁彎矩和斜樁彎矩可以發(fā)現(xiàn)，傾角為5°的豎樁彎矩小于傾角10°且豎樁最大彎矩不超過(guò)20kN·m，與傾角為10°時(shí)的樁身最大彎矩差距明顯；而斜樁彎矩卻大于傾角為10°時(shí)的斜樁彎矩。這說(shuō)明當(dāng)斜樁傾角為5°時(shí)，斜直交替傾斜樁中的斜樁起主要支護(hù)作用，豎樁的支護(hù)性能并未激發(fā)，支護(hù)結(jié)構(gòu)整體的支護(hù)性能未被完全利用，因此，在實(shí)際工程中，設(shè)定斜樁傾角應(yīng)當(dāng)不小于10°以求完全利用斜直交替樁的支護(hù)性能。

3 結(jié)論

本文通過(guò)有限元分析軟件對(duì)不同斜樁傾角下斜直交替傾斜樁的支護(hù)性能和內(nèi)力變化進(jìn)行分析，得出了以下結(jié)論:從減小樁頂位移方面考慮，增大斜樁傾角能夠有效的限制豎樁樁頂位移變形，同時(shí)也可減小樁身整體變形，提升支護(hù)結(jié)構(gòu)整體安全性。

從斜樁彎矩方面考慮，斜樁傾角增大會(huì)使斜樁彎矩增大，對(duì)豎樁的支撐作用變強(qiáng)，傾角過(guò)小，斜樁無(wú)法發(fā)揮其支護(hù)性能。對(duì)于其他影響因素如樁徑、樁間距以及地質(zhì)條件等對(duì)斜直交替傾斜樁支護(hù)性能的影響，需要在接下來(lái)的工作中進(jìn)行進(jìn)一步研究。