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        成都地區(qū)排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形特征

        2022-06-19 00:46:23吳兵呂寶丁斌向文濤呂晶日
        四川建筑 2022年2期

        吳兵 呂寶 丁斌 向文濤 呂晶日

        摘要:排樁支護(hù)是深基坑支護(hù)的一種常用形式,在成都的建筑深基坑中有著廣泛的應(yīng)用。文章以成都某地鐵車站深基坑工程為依托,應(yīng)用大型有限元軟件對(duì)該工程的開挖、支護(hù)進(jìn)行數(shù)值模擬,計(jì)算各個(gè)工況下圍護(hù)樁的變形、內(nèi)力、樁后土壓力、支撐軸力等,并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,以分析支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力變形特征。

        [作者簡介]吳兵(1981—),男,碩士,高級(jí)工程師,從事巖土工程工作。

        排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)是國內(nèi)深基坑普遍應(yīng)用的一種支護(hù)形式,在成都地區(qū)深基坑工程中有著廣泛的應(yīng)用。本文以某工程實(shí)例為依托,應(yīng)用有限元軟件對(duì)其開挖、支護(hù)進(jìn)行數(shù)值模擬,計(jì)算得到圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、內(nèi)力、樁后土壓力等,并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,分析排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力變形特征。

        1 工程概況

        1.1 工程特點(diǎn)

        成都地鐵某廣場(chǎng)站深基坑開挖深度約23.54 m,采用“排樁+內(nèi)支撐”支護(hù)體系。排樁采用1200@2 200 mm鋼筋混凝土樁,樁長為27 m,嵌固深度為3.5 m;內(nèi)支撐采用603×12 mm鋼管,水平間距2.7~3.5 m,豎向設(shè)置4道;樁間土體采用8@150 mm×150 mm鋼筋網(wǎng)片加150 mm厚C20混凝土防護(hù)。明挖基坑標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面見圖1。

        1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

        站區(qū)地處成都平原岷江Ⅲ級(jí)階地,為山前臺(tái)地地貌。場(chǎng)地范圍內(nèi)上覆第四系人工填土層,第四系中、下更新統(tǒng)冰水沉積(Q2-1fgl)黏土、粉砂、含卵石黏土和含黏土卵石,下伏基巖為白堊系灌口組泥巖。

        地下水主要有4種類型:一是賦存于黏土層之上的上層滯水,二是賦存于黏土中的裂隙水,三是第四系松散土層(含卵石黏土和含黏土卵石)的孔隙潛水,四是基巖裂隙水。

        2 有限元數(shù)值模擬

        2.1 基本假設(shè)及計(jì)算模型

        (1)該工程屬于典型的長條型基坑,計(jì)算時(shí)假設(shè)沿基坑長度方向無限長,取其中1根樁及1倍樁間距土體為研究對(duì)象。

        (2)由于在基坑開挖時(shí)通過降水使地下水位一直處在坑底以下,故不考慮地下水的滲流作用。

        (3)不考慮樁間掛網(wǎng)噴射混凝土對(duì)樁間土的支護(hù)作用。

        (4)砂卵石、泥巖采用Mohr-Coulomb模型;黏性土采用線性Drucker-Prager模型;圍護(hù)樁和鋼支撐均采用線彈性本構(gòu)關(guān)系。土體和圍護(hù)樁采用實(shí)體建模,采用C3D8R單元;鋼支撐采用僅壓桿單元T3D2。

        (5)本文采用接觸面加摩擦的方式來模擬支護(hù)結(jié)構(gòu)與土之間的接觸特性,摩擦系數(shù)統(tǒng)一取值0.35。

        整個(gè)模型土體共計(jì)11 841個(gè)單元,支撐40個(gè)單元和圍護(hù)樁1 242個(gè)單元,樁土界面建立7個(gè)接觸對(duì)(圖2)。

        2.2 材料參數(shù)選取

        (1)土巖的物理力學(xué)參數(shù)。為簡化計(jì)算,對(duì)實(shí)際地層進(jìn)行了適當(dāng)簡化,將地層分為黏性土、卵石、泥巖3層,根據(jù)工程勘察資料,其計(jì)算參數(shù)如表1所示。

        (2)鋼筋混凝土灌注樁?;炷翉?qiáng)度等級(jí)C30,樁身縱筋為2525 mm,鋼筋等級(jí)為Q235,圍護(hù)樁的彈性模量E近似取值為30 GPa,泊松比υ取值為0.2,密度取值為2 400 kg/m3。

        (3)鋼管內(nèi)支撐。彈性模量E取值為210 GPa,泊松比υ取值為0.2。

        2.3 計(jì)算工況

        根據(jù)基坑開挖和加撐的施工工序,每層土體開挖和加撐均單獨(dú)作為一個(gè)工序,工況劃分:開挖至1.5 m—加第一道支撐—開挖至7.5 m—加第二道支撐—開挖至13.5 m—加第三道支撐—開挖至18.5 m—加第四道支撐—開挖至23.5 m(基底)—拆除第四道支撐。

        各道支撐安裝完成后,立即施加預(yù)加軸力。因取1根樁(間距為2.2 m)進(jìn)行計(jì)算分析,所以應(yīng)按支撐水平間距(3.5 m)對(duì)支撐施加軸力進(jìn)行折減,折減比為2.2/3.5=0.63。計(jì)算模型中預(yù)加軸力取值自上而下依次為40 kN、200 kN、350 kN、350 kN。

        3 計(jì)算結(jié)果及分析

        選取的計(jì)算模型近似于基坑長邊中部的圍護(hù)樁及樁周土體,所以計(jì)算結(jié)果與基坑長邊中部的圍護(hù)樁的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較分析(圖3~圖7)。

        3.1 圍護(hù)樁水平位移

        計(jì)算結(jié)果表明:在開挖第一層土體(工況2)后,由于及時(shí)加撐并施加預(yù)加軸力,使得樁頂發(fā)生向坑外方向的水平位移,隨著開挖深度的增大和支撐的設(shè)置,樁頂位移不會(huì)明顯增大,樁身中部向坑內(nèi)凸出,樁身最大水平位移也相應(yīng)地逐漸下移,開挖至基坑底部時(shí),最大水平位移發(fā)生于樁頂以下約16.0 m處,其位移計(jì)算值約32.0 mm。

        實(shí)測(cè)結(jié)果表明:在開挖第一層土體(工況2)后,樁頂水平位移向坑內(nèi)方向約7 mm,之后施工過程中,樁頂水平位移逐漸減小,樁身最大水平位移位置逐漸下移,開挖至基底,最大水平位移發(fā)生于樁頂以下約15.0 m處,其位移值約為35.0 mm。由于實(shí)際施工中第一道支撐未及時(shí)架設(shè),圍護(hù)樁懸臂深度過大,導(dǎo)致樁頂水平位移實(shí)測(cè)值大于計(jì)算值。

        比較計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果的樁身水平位移曲線,形狀較為相似,呈“鼓肚”形狀,計(jì)算與實(shí)測(cè)的樁身最大水平位移及發(fā)生位置較為接近??傮w來講,計(jì)算結(jié)果所反映的圍護(hù)樁的變形趨勢(shì)與實(shí)際較為吻合的。

        3.2 樁身彎矩

        (1)由計(jì)算結(jié)果可知:在彎矩有拐點(diǎn)的位置基本上都是在支撐位置附近,說明支撐的設(shè)置并施加合理的預(yù)加軸力能有效減小樁身彎矩。最大彎矩值隨開挖深度的增加而增大,最大彎矩值的位置隨開挖深度的增加而往下移。樁身的最大正彎矩出現(xiàn)在開挖第四層土體時(shí)(工況8),最大值1 300 kN·m 發(fā)生深度在樁頂以下15 m處;最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在開挖至基底(工況10)時(shí),最大值-1 400 kN·m發(fā)生深度在樁頂以下25 m處。

        (2)實(shí)測(cè)結(jié)果表明:基坑開挖結(jié)束時(shí),樁身鋼筋計(jì)最大拉應(yīng)力實(shí)測(cè)值為35.64 MPa,換算成彎矩值為1 115.5 kN·m,發(fā)生深度在樁頂以下16 m處;最大壓應(yīng)力實(shí)測(cè)值為-20.85 MPa,換算成彎矩值為-652.6 kN·m,發(fā)生深度在樁頂以下23 m處。計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果存在差異,尤其是樁的嵌固段,計(jì)算的彎矩值比實(shí)測(cè)值大很多。

        3.3 支撐軸力

        (1)計(jì)算結(jié)果表明:隨著下一道支撐發(fā)生作用,上一道支撐的軸力趨勢(shì)發(fā)生明顯的減小,這是因?yàn)橄碌乐畏謸?dān)上道支撐承受的壓力。支撐1在支撐3發(fā)生作用時(shí)其軸力幾乎為零,支撐2在支撐3參加工作以前軸力不斷上升,且軸力增幅較大;隨著支撐3發(fā)揮作用,其軸力變化趨勢(shì)為緩慢下降并在后續(xù)工況趨于穩(wěn)定;支撐3的情況則與支撐2比較類似;支撐4因?yàn)榧尤塍w系后的工況較少,只剩下基坑開挖至底部這一工況,所以只能看出其軸力的上升過程。

        (2)從實(shí)測(cè)結(jié)果可看出,在基坑開挖整個(gè)開挖過程中,支撐1始終沒有軸力為零,只是在支撐2和支撐3發(fā)生作用后,軸力在減小。支撐2、3的軸力沒有經(jīng)歷減小的過程而是在一直增大,最后趨于穩(wěn)定。在計(jì)算模型中支撐是用桿單元與樁共節(jié)點(diǎn)連接作用,與實(shí)際中鋼管支撐與樁的相互作用存在差異;另外實(shí)際施工過程中支撐會(huì)應(yīng)力松弛、損耗,導(dǎo)致實(shí)測(cè)值比計(jì)算值小。計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果在數(shù)值上有所差異,但總體變化趨勢(shì)是一致的。

        (3)計(jì)算結(jié)果表明:基坑開挖結(jié)束,第3道支撐軸力最大,其值為1 050 kN;第1道支撐軸力最小,其值為0,計(jì)算值小于設(shè)計(jì)容許值。

        3.4 樁后土壓力

        (1)樁后土壓力的大小和分布是隨著基坑的開挖和支撐的設(shè)置而變化的,并非朗肯土壓力理論中墻后土壓力分布形式,而是呈“R”形非線性分布的。

        (2)基坑開挖的整個(gè)過程,樁后土壓力有限元計(jì)算值基本上都小于朗肯主動(dòng)土壓力計(jì)算值的,由于朗肯土壓力理論忽略擋土墻與墻后填土存在摩擦力的事實(shí),使得主動(dòng)土壓力計(jì)算值偏大。實(shí)際工程設(shè)計(jì)中樁后土壓力采用朗肯主動(dòng)土壓力分布模式,導(dǎo)致設(shè)計(jì)偏于保守。

        4 結(jié)束語

        (1)計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果的樁體水平位移曲線,形狀較為相似,呈“鼓肚”形狀。樁體最大水平位移值的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相差較小,最大水平位移發(fā)生位置也比較接近。

        (2)樁體的最大正彎矩計(jì)算值為1 300 kN·m,實(shí)測(cè)值為1 115.5 kN·m,發(fā)生深度均在樁頂以下15 m附近; 圍護(hù)樁嵌固段,樁體最大負(fù)彎矩計(jì)算值與實(shí)測(cè)值存在較大差異。

        (3)鋼支撐軸力計(jì)算值與實(shí)測(cè)結(jié)果在數(shù)值上有所差異,但總體變化趨勢(shì)是一致的。

        (4)樁后土壓力有限元計(jì)算值基本上都小于朗肯主動(dòng)土壓力計(jì)算值的,若實(shí)際工程設(shè)計(jì)中樁后土壓力采用朗肯主動(dòng)土壓力分布模式,將導(dǎo)致設(shè)計(jì)偏于保守。

        (5)由于影響基坑圍護(hù)體系的內(nèi)力與變形的因素非常復(fù)雜,工程實(shí)際條件與有限元計(jì)算假定的條件有較大差別,施工過程又會(huì)受到各種因素的影響等原因,使得計(jì)算值與實(shí)測(cè)值存在一定的差別,但整體上看,計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本吻合。

        參考文獻(xiàn)

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