卞開春

(安徽開源路橋有限責(zé)任公司,安徽 合肥 230088)

0 引 言

隨著國(guó)家的發(fā)展,我國(guó)大規(guī)模的高層建筑及大規(guī)模的地下空間建筑越來(lái)越多,在建筑此類建筑時(shí)將會(huì)遇到深基坑的設(shè)計(jì)及施工上的問題[1],在深基坑的支護(hù)形式中,目前主要包括放坡開挖、懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)、土釘墻及復(fù)合土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)、水泥重力式擋土墻、拉錨式支護(hù)結(jié)構(gòu)和組合式支護(hù)結(jié)構(gòu),各種結(jié)構(gòu)都具有一定的適用特點(diǎn),其中雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)是一種超靜定的剛架結(jié)構(gòu),具有安全度高、支護(hù)效果好、施工簡(jiǎn)便及適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)被廣泛運(yùn)用[2]。

關(guān)于雙排樁的研究,有王星華[3]等人通過數(shù)值模擬對(duì)雙排樁和預(yù)應(yīng)力錨桿聯(lián)合支護(hù)體系不同開挖過程的樁土關(guān)系進(jìn)行分析,研究結(jié)果表明:增加冠梁的剛度能夠有效的減小土體的側(cè)移;陸培毅[4]等人借助有限元軟件對(duì)雙排樁的樁間距、開挖深度及寬度等參數(shù)進(jìn)行研究,研究得到雙排樁的最合理樁間距,并得到開挖深度對(duì)雙排樁支護(hù)效果的影響;鐘小春[5-6]等人對(duì)樁間土的側(cè)向土壓力進(jìn)行計(jì)算,得到樁間距對(duì)土拱效應(yīng)的影響。目前的研究已取得一定的成果,但在實(shí)際的工程運(yùn)用及理論研究中還存在較多問題,如由于該支護(hù)結(jié)構(gòu)的樁間土作用在前后排樁的土壓力分別形式不確定、水平反力系數(shù)取值不確定及對(duì)排樁樁間距、樁頂連接及樁間土的相互作用等缺少全面認(rèn)識(shí),針對(duì)該支護(hù)結(jié)構(gòu)的研究存在的不足[7-11]。本文在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上,通過理論研究結(jié)合有限元軟件對(duì)深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,希望能對(duì)該類支護(hù)結(jié)構(gòu)提高參考價(jià)值。

1 雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的計(jì)算理論

1.1 比例系數(shù)法

比例系數(shù)法是屬于經(jīng)典平衡法中的一種,這種計(jì)算方法的計(jì)算模型圖如圖1所示,在進(jìn)行計(jì)算時(shí)需要進(jìn)行一定的計(jì)算假定,其中假定前后排的排樁頂部和的連接為剛性連接,樁底是嵌固的門架式結(jié)構(gòu),假定連梁只產(chǎn)生水平位移,并且假定前后排樁的樁頂水平位移相同,第三是通過朗肯土壓力計(jì)算。

圖1 比例系數(shù)法雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖1中的Eaf表示基礎(chǔ)開挖后前排樁的主動(dòng)土壓力,Epf表示基礎(chǔ)開挖后前排樁的被動(dòng)土壓力,Eab表示后排樁的主動(dòng)土壓力,Epb表示后排樁的被動(dòng)土壓力。這種計(jì)算方法概念清晰明確,計(jì)算較為簡(jiǎn)單,能夠用于程序得以實(shí)現(xiàn),但這種計(jì)算方法會(huì)存在一定的誤差,主要在于連梁的不變形假定和前后排樁的水平位移相同的假定,在實(shí)際的工程中很難實(shí)現(xiàn)連梁不發(fā)生變化,并且保證前后排樁的水平位移一致。

1.2 修正系數(shù)法

在縱多計(jì)算方法中采用極限土壓力并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)的系數(shù)來(lái)確定樁體的土壓力的計(jì)算方法稱為修正系數(shù)法,這種計(jì)算方法的計(jì)算模型圖如圖2所示。

這種計(jì)算方法是將前排的樁等效為單錨板樁,以此來(lái)進(jìn)行計(jì)算;具體計(jì)算時(shí)按簡(jiǎn)支板樁的模式計(jì)算出樁最小的入土深度,支點(diǎn)的反力通過靜力平衡條件求得,以此計(jì)算出最大彎矩值和作用點(diǎn)的位置,通過樁抗傾覆的驗(yàn)算得到后排樁的樁長(zhǎng),結(jié)合土壓力計(jì)算公式得到最大彎矩和作用點(diǎn)位置,這種計(jì)算方法存在一些不足,比如:不能真實(shí)的反映在復(fù)雜荷載下雙排樁的調(diào)節(jié)作用,另外在計(jì)算時(shí)未能考慮樁頂?shù)淖饔?計(jì)算較為簡(jiǎn)單,準(zhǔn)確性上存在一定的誤差。

1.3 彈性地基梁法

彈性地基梁法計(jì)算支護(hù)樁時(shí)當(dāng)前工程應(yīng)用及認(rèn)可程度較高的計(jì)算方法,其計(jì)算的理論基礎(chǔ)是Winkler假定理論,該理論在計(jì)算時(shí)會(huì)考慮樁與土的共同作用,能夠準(zhǔn)確的得到前后排樁的土壓力荷載大小,并且還能通過計(jì)算得到地基土的水平基床系數(shù),最后的雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力可以通過彈性地基梁和結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法計(jì)算得到。

這種計(jì)算方法在計(jì)算時(shí)將支護(hù)結(jié)構(gòu)分為蓋梁、前排樁及后排樁三個(gè)部分,三者的變形協(xié)調(diào)關(guān)系和內(nèi)力關(guān)系可以通過計(jì)算求得,以樁尖集中彎矩和集中剪力為零的條件,聯(lián)合求解得到樁頂?shù)膬?nèi)力和位移,從而計(jì)算雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力,其中的Pa1表示作用在后排樁的樁側(cè)土壓力,Pa2表示作用在前排樁的樁側(cè)土壓力,M3表示后排樁樁頂受到的彎矩,Q3表示后排樁樁頂受到的剪力,M4表示前排樁樁頂受到的彎矩,Q4表示前排樁樁頂受到的剪力,M1、Q1分別表示在基底處后排樁受到的彎矩和剪力,M2、Q2分別表示基底處前排樁受到的彎矩和剪力,φ1、φ2表示樁頂處后排樁和前排樁的轉(zhuǎn)角,φ3、φ4表示基底處后排樁和前排樁的轉(zhuǎn)角,這種計(jì)算方法能夠考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)和土體之間的相互作用,在計(jì)算理論上較為合理,當(dāng)實(shí)際工程中的樁土與土存在脫離的現(xiàn)象,因此這種計(jì)算方法在樁頂?shù)奈灰平Y(jié)果上與實(shí)際的情況存在一定的偏差。

2 有限元模擬

2.1 有限元軟件介紹

采用的有限元軟件為FLAC3D軟件[6-10],通過將模型離散化,將節(jié)點(diǎn)單元連接,并將作用在節(jié)點(diǎn)上的荷載進(jìn)行讀寫運(yùn)算,得到單元間的相對(duì)位移,進(jìn)而求出單元的應(yīng)變,該軟件現(xiàn)已廣泛運(yùn)用于隧道工程、道路與鐵路工程、巖土工程及建筑工程等工程領(lǐng)域。運(yùn)用該軟件時(shí)其主要的求解過程主要包括四個(gè)過程,第一是建立幾何模型并進(jìn)行有限差網(wǎng)格劃分,第二確定模型中材料的本構(gòu)關(guān)系,第三進(jìn)行模型邊界的設(shè)置及初始條件的設(shè)置,第四進(jìn)行模擬計(jì)算并分析結(jié)果。

2.2 有限元模型的建立

建立的三維模型是根據(jù)實(shí)際的工程案例按1∶1的比例進(jìn)行模型創(chuàng)建,該工程位于某市,工程基坑的開挖深度為11.650～11.850 m,屬于深基坑工程。本次深基坑工程采用雙排樁支護(hù)方案。本文根據(jù)該支護(hù)方案進(jìn)行三維模型的建立,首先根據(jù)方案建立三維的幾個(gè)模型,本模型的長(zhǎng)為80 m,寬為6 m,高度為40 m,樁的彈性模量為30 000 MPa,重度為25 kN/m3,泊松比為0.2;然后選定模擬的結(jié)構(gòu)參數(shù),對(duì)支護(hù)樁采用軟件中的樁單元進(jìn)行模擬,支護(hù)樁與土體單元支架的切向及法向上的相互作用根據(jù)樁單元的各類參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn),對(duì)于連梁、冠梁采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬;接著確定模擬的邊界約束條件,本文模型邊界條件的設(shè)置中:底部設(shè)置為固定約束,對(duì)頂部定義為自由邊界,對(duì)模型的四周設(shè)置為滾動(dòng)支座,對(duì)模型的初始條件設(shè)置時(shí)考慮坡頂?shù)某d荷載為15 kPa,并根據(jù)實(shí)際的工程情況不考慮滲流和水壓力的影響,模型中的土層參數(shù)設(shè)置如表4所示,支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表1 土層參數(shù)設(shè)置

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置

2.3 有限元模擬假定

在有限元模擬的過程中需要對(duì)模型進(jìn)行一些的假定,(1)假定土體為彈塑性體,模擬的過程中當(dāng)外界條件發(fā)生變化時(shí),土層的壓縮模量、泊松比、內(nèi)摩擦角及粘聚力等參數(shù)保持不敗;(2)假設(shè)支護(hù)結(jié)構(gòu)完全符合平面應(yīng)變的假定;(3)假設(shè)樁頂與冠梁的連接是為剛性連接;(4)假定模擬中不存在水壓力和滲流的作用。在進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)為計(jì)算的簡(jiǎn)便,進(jìn)行初始應(yīng)力的平衡,不考慮打入樁時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的影響位移為零;在模擬開挖時(shí)采用的是放坡開挖,將開挖的土體單元定義為空的單元。

3 有限元模擬結(jié)果

3.1 位移分析

通過模擬計(jì)算對(duì)基坑開挖完成后土體及構(gòu)件位移與應(yīng)力進(jìn)行分析,基坑土體在X向的位移云圖,基坑土體在Y向的位移云圖,土體基坑在Z向的位移云圖。

基坑土體開挖后在X向位移云圖中在坡腳位置出現(xiàn)位移最大,最大的位移值約為20 mm,從支護(hù)樁的頂?shù)降自谥ёo(hù)的范圍內(nèi),土體位移呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì),最大處的位移值約為17.5 mm,基坑底部的位移值約為15 mm,并且發(fā)現(xiàn)在基坑外的土體位移比支護(hù)樁附近的土體位移小,離基坑越遠(yuǎn)支護(hù)樁的土體位移越小;基坑土體開挖后在Y向上應(yīng)力云圖未發(fā)生變化,因此在Y向上不發(fā)生位移;對(duì)著基坑深度的增大,基坑土體開挖后在Z向的位移逐漸減小,到達(dá)一定的深度后位移為零,在基坑的開挖面上出現(xiàn)的位移最大,說(shuō)明基坑在開挖的過程中出現(xiàn)了隆起的現(xiàn)象,出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是因?yàn)樵谶M(jìn)行基坑開挖時(shí)四周的應(yīng)力得到釋放導(dǎo)致的,并且發(fā)現(xiàn)距離基坑外一定范圍,土體出現(xiàn)負(fù)位移,說(shuō)明在此處的土體產(chǎn)生了沉降,并且隨著距離基坑越遠(yuǎn),其土體的沉降出現(xiàn)先增后減的凹陷狀態(tài)。

3.2 實(shí)際對(duì)比分析

將有限元軟件模擬的結(jié)果與實(shí)際工程中監(jiān)測(cè)得到的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比,在樁體的最大變形中,根據(jù)模擬的結(jié)果其最大值約為17.5 mm,出現(xiàn)的位置大約為樁頂下2.8 m,從監(jiān)測(cè)的數(shù)值可知樁體的最大變形位于樁頂下3 m處,并且最大的變形值約為17.4,說(shuō)明模擬的結(jié)果與實(shí)際的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相近;對(duì)比實(shí)際工程中與模擬結(jié)果在X向、Y向及Z向位移的變化,發(fā)現(xiàn)其位移分別及變化的規(guī)律基本一致,說(shuō)明采用有限元軟件建立的數(shù)值模型模擬結(jié)果與實(shí)際工程監(jiān)測(cè)的結(jié)果相似,也表明了該支護(hù)結(jié)構(gòu)的可行性,計(jì)算模型對(duì)深基坑雙排樁的設(shè)計(jì)具有參加價(jià)值。

4 結(jié) 論

本文為研究深基坑中雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu),通過理論研究結(jié)合有限元軟件對(duì)深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,研究結(jié)果表明:本文所采用的深基坑雙排支護(hù)結(jié)構(gòu)可以有效的對(duì)基坑起到支護(hù)作用,通過有限元模擬可知模擬的結(jié)果與實(shí)際工程監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)相似,位移變化的規(guī)律及分布規(guī)律也基本一致,說(shuō)明采用FLAC3D有限元軟件對(duì)深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)果進(jìn)行數(shù)值分析是可行的。