基坑支護(hù)樁嵌固深度變化對基坑性狀的影響

侯 向

(西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，云南昆明 650224)

對基坑的穩(wěn)定性分析是基坑工程的重要環(huán)節(jié)，而在采用排樁結(jié)構(gòu)進(jìn)行基坑支護(hù)中，支護(hù)樁的嵌固深度對基坑變形性狀有較大影響，嵌固深度過小會(huì)造成基坑失穩(wěn)，嵌固深度過深又會(huì)造成成本提升，隨著有限元法理論與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元法在深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形性狀模擬中得到了廣泛的應(yīng)用。本文將采用二維有限元法模擬樁嵌固深度的變化對基坑性狀的影響，通過驗(yàn)算找出合理嵌固深度。

1 嵌固深度的計(jì)算方法

基坑支護(hù)規(guī)范針對不同支護(hù)形式給出了適宜的嵌固深度計(jì)算方法，常用圓弧滑動(dòng)簡單條分法確定嵌固深度hd，驗(yàn)算方法可采用抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算。

樁底低端平面下土穩(wěn)定性驗(yàn)算計(jì)算方法見圖1。

圖1 樁底低端平面下土穩(wěn)定性驗(yàn)算計(jì)算方法

計(jì)算方法可以采用上式進(jìn)行抗隆起安全系數(shù)驗(yàn)算，以求得嵌固深度D，安全系數(shù)Khs對應(yīng)安全等級(jí)一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)為1.8，1.6，1.4。Nc為 Prandtl地基承載力系數(shù)，Nq為 Terzaghi承載力系數(shù)，并考慮c，φ值。排樁、地下連續(xù)墻等支護(hù)結(jié)構(gòu)的嵌固深度hd除應(yīng)滿足以上計(jì)算，還應(yīng)同時(shí)滿足基底抗隆起的要求。

2 支護(hù)樁不同嵌固深度下對基坑變形影響的數(shù)值模擬

工程中影響支護(hù)樁嵌固深度的因素通常有:地質(zhì)條件、開挖深度、冠梁、樁徑等，為確定基坑開挖中幾種常見土對支護(hù)樁嵌固深度的影響大小，為方便計(jì)算機(jī)建模分析，本文分析時(shí)將土層均質(zhì)化。

2.1 工程概況

某基坑開挖深度10 m，支護(hù)樁一排φ1 000@1 200，樁徑1 m，基坑周邊施工超載10 kN/m2，取模型深度為基坑深度的3倍，寬度為基坑寬度的2倍，為研究樁嵌固深度的不同對基坑變形性狀的影響，對支護(hù)樁的嵌固深度分別采用6 m，9 m，12 m，15 m，18 m，21 m，24 m，28 m運(yùn)用Plaxis進(jìn)行有限元模擬，并對不同嵌固深度下對基坑變形產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析。地基土主要物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1，支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)見表2。

表1 地基土主要物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)表

2.2 計(jì)算模型

支護(hù)樁的嵌固深度在滿足支護(hù)規(guī)范的情況下，不同的嵌固深度會(huì)對支護(hù)樁所受作用力的大小產(chǎn)生影響，本文通過改變支護(hù)樁的嵌固深度，對基坑周邊位移與樁所受最大彎矩、最大剪力的變化進(jìn)行分析，得出支護(hù)樁不同嵌固深度下對基坑穩(wěn)定性影響的規(guī)律。支護(hù)樁的設(shè)置同上，分析時(shí)將土層均質(zhì)化，土體本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型，其他參數(shù)不變，圖2為Plaxis軟件模擬計(jì)算結(jié)果。

圖2 基坑有限元計(jì)算模型

圖3 基坑樁后土體最大位移量及地表沉降隨樁嵌固深度變化曲線

由圖3可以看出位移曲線出現(xiàn)折點(diǎn)，表明在某一階段增加嵌固深度會(huì)顯著增加基坑穩(wěn)定性，但是嵌固深度超過某一值再不斷增加并不會(huì)對基坑的穩(wěn)定有很大幫助，這就說明存在一個(gè)最佳的嵌固值，使基坑支護(hù)體系既經(jīng)濟(jì)又可以保證其穩(wěn)定性。

圖4 支護(hù)樁最大彎矩隨嵌固深度變化曲線

圖5 支護(hù)樁最大剪力隨嵌固深度變化曲線

由圖4，圖5可以看出，支護(hù)樁最大彎矩、剪力值出現(xiàn)折點(diǎn)，說明存在一個(gè)合理嵌固深度，在嵌固深度超過9 m后，增加的支護(hù)樁深度對基坑穩(wěn)定性貢獻(xiàn)不大，最大彎矩、剪力值變化不大。

3 結(jié)語

根據(jù)以上基坑周邊位移、支護(hù)樁剪力、彎矩值隨嵌固深度的變化可以看出，在滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求前提下，在某一區(qū)間，支護(hù)樁嵌固深度越深，基坑越趨于穩(wěn)定，但當(dāng)嵌固深度超過某一深度(最佳嵌固深度)時(shí)，支護(hù)樁在基坑體系作用下，不會(huì)對基坑穩(wěn)定有很大貢獻(xiàn)，所以在實(shí)際基坑支護(hù)體系設(shè)計(jì)時(shí)，須對支護(hù)樁嵌固深度進(jìn)行迭代驗(yàn)算，找出最佳嵌固深度。對于懸臂支護(hù)體系，設(shè)計(jì)時(shí)支護(hù)樁嵌固長度可以取基坑底面以上樁長進(jìn)行試算，當(dāng)然還要結(jié)合地層狀況、有水無水、坑邊超載等因素綜合考慮嵌固深度的取值，對于實(shí)際工程，可以運(yùn)用Plaxis，Midas GTS等有限元數(shù)值模擬軟件對基坑穩(wěn)定性進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，選擇合理的嵌固深度。

［1］劉建航，侯學(xué)淵.基坑工程手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1997:1-166.

［2］汪軍艦.深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)空間線性有限元分析［D］.天津:天津大學(xué)，2010.

［3］JGJ 120-2012，建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程［S］.

［4］GB 50007-2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］程 琪，劉國彬，張偉立.上海地區(qū)地鐵超深基坑及深基坑變形有限元分析［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2009(22):70-71.

［6］戴 繼，趙興君.深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的二維有限元分析［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，24(S1):32-34.