基坑開挖中雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)空間受力特性研究

陳東海 許春虎

(浙江省錢塘江管理局勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江杭州 310016)

1 概述

近年來(lái)，雙排樁結(jié)構(gòu)作為一種新型的基坑支護(hù)形式受到了人們的廣泛關(guān)注，它是由前后兩排樁及樁頂冠梁連接而成的一個(gè)整體結(jié)構(gòu)體系。與單排懸臂支護(hù)樁相比，雙排樁懸臂支護(hù)是一空間超靜定結(jié)構(gòu)，具有較大的整體側(cè)向剛度，能有效的減小基坑的側(cè)向變形，其圍護(hù)深度遠(yuǎn)比一般支護(hù)結(jié)構(gòu)的圍護(hù)深度要深[1]，同時(shí)由于結(jié)構(gòu)前、后排樁與側(cè)壓力反向作用力偶的存在使樁頂位移也明顯減小。

盡管懸臂式雙排樁支護(hù)形式在圍護(hù)效果、經(jīng)濟(jì)效益等方面具有一定的優(yōu)點(diǎn)，然而目前針對(duì)懸臂式雙排樁的設(shè)計(jì)計(jì)算方法尚不成熟、計(jì)算模型較難真實(shí)的反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況。鑒于此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量有價(jià)值的研究工作，如日本學(xué)者沢口[2]針對(duì)早期排距較大連續(xù)梁會(huì)產(chǎn)生拉壓與轉(zhuǎn)角，不能再看作絕對(duì)的剛體的情況把基坑地面以上的板樁和樁間砂作為彈性復(fù)合體，基底部分作為彈性水平地基彈簧模型，提出了雙層板樁的理論解;大堀晃一[3]對(duì)沢口的方法做了改進(jìn)，考慮了基底以上樁間砂的剪應(yīng)力在地基中的傳播及支護(hù)內(nèi)側(cè)板樁打入部分?jǐn)D土作用，認(rèn)為兩者的合力為三角形分布，在地表最大，與墻體寬相等的深度處為零，對(duì)板樁的應(yīng)力—應(yīng)變進(jìn)行了非線性處理。國(guó)內(nèi)學(xué)者張弘(1993)[4]、何頤華等(1996)[5]、劉釗等(1992)[6]假定排樁和連梁為底端嵌固的剛架結(jié)構(gòu)，考慮樁—土的相互作用通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)和工程實(shí)測(cè)，對(duì)雙排樁的內(nèi)力、變形和土壓力分布特性進(jìn)行了分析，并對(duì)采用雙排支護(hù)樁的基坑周邊的建筑物因降水引起的沉降做了系統(tǒng)的預(yù)測(cè)研究。蔡袁強(qiáng)(1997)[7]、熊巨華等(1999)[8]基于樁—接觸面—土的非線性理論，采用有限元法對(duì)雙排樁支護(hù)形式的內(nèi)力和變形特性進(jìn)行了研究，并提出了簡(jiǎn)單的樁頂水平位移預(yù)測(cè)方法。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，依托青島某基坑開挖工程，運(yùn)用有限元程序ANSYS建立三維模型對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)體系受力特性的分析，為工程實(shí)踐提供了參考。

2 工程概況和地質(zhì)條件

1)工程概況。某基坑開挖工程位于青島市市南區(qū)南京路南端東側(cè)，凱旋大廈與時(shí)代廣場(chǎng)之間，擬建工程為站場(chǎng)及綜合樓工程，擬采用框支剪力墻結(jié)構(gòu)，高度99.90 m，基礎(chǔ)形式為筏板基礎(chǔ)，擬建物設(shè)計(jì)地坪標(biāo)高±0.00=4.50 m，自然地坪絕對(duì)標(biāo)高約為4.00 m(相對(duì)標(biāo)高－0.50 m)，圖1為基坑支護(hù)平面布置圖。

2)工程地質(zhì)條件。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，工程場(chǎng)地地形相對(duì)平坦地貌形態(tài)單一，均為第四系全新統(tǒng)形成的海岸階地，表層受人工改造，主要土層由上而下依次為:①-1素填土層;②-1細(xì)砂;③-1碎石;④-1強(qiáng)風(fēng)化花崗巖;⑤-1中風(fēng)化花崗巖;⑥-1微風(fēng)化花崗巖。表1為各土層物理力學(xué)指標(biāo)。

表1 各土層物理力學(xué)指標(biāo)

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 數(shù)值計(jì)算模型

有限元計(jì)算模型區(qū)域的確定對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，經(jīng)筆者對(duì)相關(guān)工程實(shí)例進(jìn)行查閱分析，目前采用雙排樁進(jìn)行基坑支護(hù)的工程中，開挖深度大都在6 m～12 m范圍內(nèi)，樁長(zhǎng)在10 m～20 m之間，土體深度方向取3倍左右的開挖深度。綜合以上資料，本文模型計(jì)算區(qū)域的確定做如下設(shè)置:基坑深度方向確定為28 m;擋墻后基坑邊界確定為距前排樁墻25 m。基坑為正方形，邊長(zhǎng)40 m，開挖深度為9 m，雙排樁為樁徑為1 m的鉆孔灌注樁。本文采用有限元軟件ANSYS，建立三維有限元模型，采用彈性板模型模擬雙排支護(hù)樁樁體，墻體和地基土層及連梁均采用八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元模擬，前排樁前和后排樁后均設(shè)置接觸單元。由于正方形基坑屬于對(duì)稱圖形，故本文建立的基坑模型只取其1/4部分，既避免了不必要的工作量，又能滿足分析內(nèi)容的要求。有限元模型計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖1 基坑支護(hù)平面布置圖

圖2 有限元模型簡(jiǎn)圖

3.2 計(jì)算過(guò)程

本文基坑開挖模擬計(jì)算通過(guò)分步開挖來(lái)實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程，共分為3步開挖，每步均為3 m，總共開挖深度為9 m。

計(jì)算步驟為:建立地基土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)三維有限元模型;初始地應(yīng)力的平衡，將地基土體的初始應(yīng)力作為應(yīng)力初始條件，同時(shí)將支護(hù)結(jié)構(gòu)“殺死”，即支護(hù)結(jié)構(gòu)單元失去活性。對(duì)地基的初始位移進(jìn)行清零計(jì)算(地應(yīng)力平衡過(guò)程)[9];模擬基坑開挖過(guò)程，激活支護(hù)結(jié)構(gòu)單元活性，施加重力荷載，分步挖去基坑土層，通過(guò)“殺死”結(jié)構(gòu)單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.3 本構(gòu)模型及計(jì)算參數(shù)

有限元計(jì)算中，雙排樁樁體采用線彈性模型，地基土體和墻體本構(gòu)模型選用Drucker-Prager模型，Drucker-Prager屈服條件為:

其中，I1(σij)為應(yīng)力張量第一不變量;I2(Sij)為應(yīng)力偏量第二不變量。

表2為有限元計(jì)算中地基土體及板樁墻計(jì)算參數(shù)。

表2 土體計(jì)算參數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 基坑豎向位移計(jì)算結(jié)果

圖3為排距為2 m時(shí)雙排樁支護(hù)在不同開挖階段基坑豎向應(yīng)力云圖，可以看出在未開挖之前，基底中心位置在自重應(yīng)力下的豎向位移大約為4.5 cm，當(dāng)?shù)谝淮伍_挖結(jié)束時(shí)，基底中心位置的豎向位移為3.9 cm，也就是說(shuō)由于基坑的開挖使地基土上浮了0.6 cm。而當(dāng)開挖完畢時(shí)，基坑底部最大隆起量達(dá)到了2.1 cm。由此可見隨著基坑開挖深度的加大，應(yīng)力的釋放，基坑內(nèi)地基土隆起越明顯。

圖3 排距2 m實(shí)體單元不同開挖深度豎向位移云圖

4.2 單、雙排樁樁身位移和彎矩對(duì)比分析

圖4給出了單、雙排樁前排樁身位移和彎矩對(duì)比圖。如圖4a)所示，單排樁的樁頂位移為15.6 cm，是雙排樁頂位移6.6 cm的兩倍多，這是因?yàn)閱闻艠妒且揽繎冶蹣肚度胪羶?nèi)的部分來(lái)承受樁后的土壓力從而維持穩(wěn)定。而雙排樁由于存在剛性連梁將前、后排樁構(gòu)成了一個(gè)超靜定結(jié)構(gòu)，整體剛度明顯增大。同時(shí)，前后排樁與樁側(cè)土的摩擦力作用形成了一個(gè)反向作用力偶，使雙排樁的樁身位移明顯減小。單排樁隨著入土深度的增加樁體位移在一定程度上有所減小，但效果逐漸減弱。所以單純?cè)黾又ёo(hù)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，并不能有效減小位移，反而會(huì)增加工程造價(jià)。雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在軟土地區(qū)或?qū)ψ冃我筝^高的工程中具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。如圖4b)所示，雙排樁樁身變形出現(xiàn)了明顯的樁頂受錨固的現(xiàn)象，樁身彎矩由原來(lái)的只有正彎矩變成了正負(fù)彎矩交替出現(xiàn)的情況。

圖4 單、雙排樁位移、彎矩對(duì)比圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文應(yīng)用有限元軟件ANSYS建立了雙排樁的模型算例，對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響因素進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論:1)隨著基坑開挖深度的加大，應(yīng)力的釋放，基坑內(nèi)地基土隆起現(xiàn)象越明顯。2)從單、雙排樁的樁身位移和彎矩對(duì)比分析可知:雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)屬于超靜定結(jié)構(gòu)，其受力機(jī)理復(fù)雜;前、后排樁構(gòu)成了一個(gè)力偶抵抗了樁側(cè)的土壓力，抗水平位移的能力大大增強(qiáng)，不到單排樁位移的1/2。因此，當(dāng)基坑開挖深度在5 m～10 m范圍內(nèi)，不便錨索施工，并對(duì)水平位移要求較高時(shí)，可以優(yōu)先考慮雙排樁支護(hù)形式。

[1] 劉建航，侯學(xué)淵.基坑工程手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997.

[2] Masatoshi Sawaguchi.Lateral Behavior of A Double Sheet Pole Wall Structure[J].Soils and Foundations，1974，14(1):45-59.

[3] 大堀晃一.二重矢板式構(gòu)造の力學(xué)的特性に関する研究[R].港灣技術(shù)研究報(bào)告，1984:71-74.

[4] 張 弘.深基坑開挖中雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與分析[J].華北石油設(shè)計(jì)，1993(1):19-24.

[5] 何頤華，楊 斌，金寶森，等.雙排護(hù)坡樁試驗(yàn)與計(jì)算的研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1996，17(2):58-66.

[6] 劉 釗.雙排支護(hù)樁結(jié)構(gòu)的分析及試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1992，14(5):76-80.

[7] 蔡袁強(qiáng)，趙永倩，吳世明，等.軟土地基深基坑中雙排樁式圍護(hù)結(jié)構(gòu)有限元分析[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，31(4):442-448.

[8] 熊巨華.一類雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化計(jì)算方法[J].勘察科學(xué)技術(shù)，1999(2):32-34.

[9] 張方瑞.ANSYS 8.0應(yīng)用基礎(chǔ)與實(shí)例教程[M].北京:電子工業(yè)出版社，2006.