王 哲,孫 超

吉林建筑大學(xué) 測繪與勘查工程學(xué)院,長春 130118

隨著城市化進(jìn)程的加速,建筑規(guī)模不斷提升.為滿足施工要求,深基坑的支護(hù)技術(shù)手段也在不斷完善和發(fā)展,大型的基坑項(xiàng)目越來越多,維護(hù)基坑及周邊建筑物的安全和穩(wěn)定則更為重要.對(duì)于基坑施工而言,位移變形過大會(huì)使支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn),對(duì)基坑的安全產(chǎn)生不利影響,甚至導(dǎo)致基坑塌方,周邊建筑物開裂,因此對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的控制尤為重要.近年來,許多學(xué)者對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的影響因素進(jìn)行了研究與分析,并取得了一定成果.文獻(xiàn)[1]運(yùn)用FLAC3D模擬軟件,模擬粉質(zhì)黏土和黏土兩種土體在不同負(fù)溫下樁身水平凍脹力的分布和樁體水平位移的變化規(guī)律,并提出樁身最大水平凍脹力與樁頂位移呈指數(shù)關(guān)系;文獻(xiàn)[2]專門對(duì)管樁進(jìn)行了模擬分析,通過模擬管樁不同彈性模量、壁厚、外徑等條件分析支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律,并進(jìn)一步提出預(yù)應(yīng)力對(duì)水平位移的影響;朱艷、邱洪亮[3]從土體彈性模量、重度和內(nèi)摩擦角3個(gè)角度分析不同土體參數(shù)對(duì)支護(hù)樁水平位移的影響,為以后的工程設(shè)計(jì)提供參考;秦早立夫[4]從圍護(hù)樁樁徑、樁間距、樁長和內(nèi)支撐位置4個(gè)方向,探索了圍護(hù)樁的水平位移效果及變化規(guī)律,可為日后現(xiàn)場施工提供更加經(jīng)濟(jì)的支護(hù)方案;孫超等[5]人針對(duì)排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)位移變形問題,模擬不同混凝土強(qiáng)度及不同嵌固深度條件下樁身水平位移的變化;沈琪等[6]人則針對(duì)基坑懸臂樁模擬凍融循環(huán)條件下樁體產(chǎn)生水平位移大小,重點(diǎn)分析了凍結(jié)和融化時(shí)樁身的變化趨勢;文獻(xiàn)[7]針對(duì)樁錨形式的基坑越冬進(jìn)行模擬,以凍脹的時(shí)間和不同溫度為研究方向,對(duì)比分析支護(hù)樁水平位移變化和基坑坑底隆起值變化.

目前,對(duì)于支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移影響因素的研究多集中在使用FLAC3D軟件進(jìn)行模擬,而FLAC3D模擬軟件對(duì)于單個(gè)構(gòu)件模擬效果表現(xiàn)欠佳.本文以MIDAS有限元分析軟件為基礎(chǔ)建立數(shù)值模型,通過模擬不同樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)、土體內(nèi)摩擦角及外界溫度變化等條件,研究分析支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的變化規(guī)律.

1 建立模型

1.1 模型建立

由于整體基坑模型對(duì)稱,故選用模型的一半進(jìn)行建立.基坑深5 m、寬8 m,支護(hù)結(jié)構(gòu)采用圓形鉆孔灌注樁,由于懸臂樁嵌固深度不宜小于0.8倍的基坑深度[8],因此選用12 m樁長.樁身混凝土強(qiáng)度、樁側(cè)土體內(nèi)摩擦角和不同溫度條件為本次試驗(yàn)的變量,樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)選用C35,C45,C55,樁側(cè)土體內(nèi)摩擦角分為18°,21°和24°,溫度條件劃分為常溫15 ℃,-10 ℃和-15 ℃.本次模擬試驗(yàn)采用粉質(zhì)黏土作為模擬土層,計(jì)算模型長25 m,高20 m,取水平向右為x軸正方向,取垂直向上為y軸正方向,整體模型為2D模型.土體選用修正Mohr-cloumb模型,該模型由Mohr-cloumb模型優(yōu)化得到,從非線性彈性材料和彈塑性材料中融合了許多特點(diǎn),能針對(duì)加載和卸載選用不同的彈性模量模擬基坑開挖,更符合工程需求.因此,土體采用各向同性的修正Mohr-cloumb本構(gòu)模型,2D平面應(yīng)變單元;支護(hù)樁體選用均質(zhì)各向同性的彈性本構(gòu)模型,梁單元.

1.2 參數(shù)選取及確定邊界條件

在MIDAS GTS NX中,給模型賦值采用彈性模量,而容重、泊松比、粘聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)依據(jù)本構(gòu)模型進(jìn)行選取,土層參數(shù)及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值見表1,樁身材料及土體的熱力學(xué)參數(shù)[9]取值見表2.

表1 樁、土物理力學(xué)參數(shù)

表2 熱力學(xué)參數(shù)

確定位移邊界條件,將模型的左右兩側(cè)及底部邊界設(shè)置為固定邊界,模型頂部為自由表面.考慮重力影響設(shè)置土體初始應(yīng)力狀態(tài),不考慮地下水及周邊環(huán)境的影響.模擬試驗(yàn)分三組進(jìn)行,第一組僅考慮不同混凝土強(qiáng)度對(duì)樁身水平位移的影響;第二組考慮不同樁側(cè)土體內(nèi)摩擦角對(duì)支護(hù)樁水平位移的影響;第三組考慮不同溫度情況下土體對(duì)支護(hù)樁變形位移的影響.模擬過程中將影響樁體變形的其他因素設(shè)為相同,僅考慮不同試驗(yàn)變量對(duì)支護(hù)樁水平位移的影響.

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 不同樁身混凝土強(qiáng)度下的結(jié)果和分析

控制樁長和樁徑不變,通過改變樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)行數(shù)值模擬,分析不同樁體混凝土強(qiáng)度條件對(duì)樁體位移的影響.灌注樁選用0.8 m樁徑,12 m樁長,樁身混凝土強(qiáng)度分別采用C35混凝土,C45混凝土和C55混凝土.不同混凝土強(qiáng)度的樁體位移云圖如圖1～圖3所示.

圖1 C35混凝土強(qiáng)度樁體位移云圖

圖2 C45混凝土強(qiáng)度樁體位移云圖

圖3 C55混凝土強(qiáng)度樁體位移云圖

由圖1～圖3看出,在其他條件不發(fā)生變化、只改變樁體混凝土強(qiáng)度等級(jí)時(shí),C35混凝土樁樁頂位移為11.714 7 mm,C45混凝土樁樁頂位移為11.690 6 mm,C55混凝土樁樁頂位移為11.669 0 mm.由此可知,隨著支護(hù)樁體混凝土強(qiáng)度的增加,樁身位移變形逐漸減小.基坑底部以上樁身位移變化趨勢較大,呈線性變化,坑底以下由于土體對(duì)樁產(chǎn)生約束作用,變化趨勢較小.樁身位移減小的原因在于隨著混凝土強(qiáng)度增強(qiáng),樁身整體剛度增加,抵抗變形的能力得到提升.

2.2 不同土體內(nèi)摩擦角下的結(jié)果和分析

模擬過程中控制樁體材料屬性不變,只改變土體內(nèi)摩擦角進(jìn)行數(shù)值模擬,分析內(nèi)摩擦角的變化對(duì)樁體位移的影響.選用12 m樁長,0.8 m樁徑,樁身混凝土強(qiáng)度采用C30混凝土,樁側(cè)土體內(nèi)摩擦角分別控制在18°,21°,24°.利用origin繪圖軟件繪制不同土體內(nèi)摩擦角下樁體沿深度方向水平位移變化曲線圖,如圖4所示.

圖4 不同內(nèi)摩擦角下樁體位移

圖4為不同土體內(nèi)摩擦角對(duì)樁身位移變形的影響曲線,內(nèi)摩擦角為18°時(shí),樁頂位移為13.267 7 mm;內(nèi)摩擦角為21°時(shí),樁頂位移為11.074 2 mm;內(nèi)摩擦角為24°時(shí),樁頂位移為9.379 9 mm.在其他條件不變、只改變樁側(cè)土體內(nèi)摩擦角時(shí),內(nèi)摩擦角增大,樁身水平位移隨之減小,但在樁頂處水平位移值達(dá)到最大.原因在于內(nèi)摩擦角的提高會(huì)導(dǎo)致土體內(nèi)部摩擦增大,土體對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的摩擦阻力,使土體對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的約束增強(qiáng).

2.3 不同溫度下結(jié)果和分析

基坑開挖完成后,通過在模型表面施加溫度荷載,模擬不同溫度條件下土體對(duì)支護(hù)樁的變形影響.通過查閱資料,長春地區(qū)最大凍結(jié)深度為2.03 m,因此對(duì)基坑模型的側(cè)壁、坑底及地表施加2 m厚的溫度荷載(-10℃,-15℃),如圖5所示.模擬過程中樁體強(qiáng)度、樁長、含水率、土體參數(shù)等因素不變,僅考慮溫度對(duì)樁身位移的影響.設(shè)置3個(gè)溫度條件,常溫15 ℃,-10 ℃和-15 ℃.模擬結(jié)果顯示,常溫15 ℃時(shí)樁頂位移為11.619 5 mm;溫度降為-10 ℃時(shí),樁頂位移為13.878 4 mm;溫度降到-15 ℃時(shí)樁頂位移為15.101 6 mm.

圖5 基坑模型施加溫度荷載

如圖6所示,雖然施加溫度不同,但樁體水平位移隨深度的變化規(guī)律基本一致.在樁頂處樁體水平位移值達(dá)到最大,在樁身8 m處可見樁體水平位移變化有減小的趨勢,這是由于坑底土體對(duì)樁產(chǎn)生約束.隨著溫度的降低,樁頂水平位移不斷增大.當(dāng)?shù)乇頊囟刃∮? ℃時(shí),土體會(huì)發(fā)生凍結(jié);隨著溫度的繼續(xù)降低,土體內(nèi)部發(fā)生凍脹,凍脹力也會(huì)隨之不斷增大,最終導(dǎo)致樁體水平位移變大.因此,在實(shí)際工程中要對(duì)土體凍脹等問題加以重視,考慮不同地區(qū)的季節(jié)氣候條件,做好防范.

圖6 不同溫度下樁體位移

3 結(jié)語

本文通過MIDAS GTS NX有限元模擬分析軟件分析不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)、不同土體內(nèi)摩擦角、不同溫度對(duì)支護(hù)樁水平位移的影響,結(jié)論如下:

(1) 隨樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高,樁身水平位移呈減小趨勢,支護(hù)樁強(qiáng)度越高,其抵抗變形能力越強(qiáng).

(2) 土體內(nèi)摩擦角與樁身水平位移呈負(fù)相關(guān),內(nèi)摩擦角越大,土體對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的約束越強(qiáng),樁身水平位移越小.

(3) 溫度對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形有顯著影響,當(dāng)外界溫度降至負(fù)溫時(shí),表層土體發(fā)生凍脹,樁身水平位移隨溫度的降低而增大.