斜樁支護基坑的數值模擬研究

張文超，薛煒

(1.中科院廣州化灌工程有限公司，廣東 廣州 510650； 2.廣東省化學灌漿工程技術研究開發中心，廣東 廣州 510650；3.廣東省中科化灌工程與材料院士工作站，廣東 廣州 510650)

斜樁支護基坑的數值模擬研究

張文超1，2，3*，薛煒1，2，3

(1.中科院廣州化灌工程有限公司，廣東 廣州 510650； 2.廣東省化學灌漿工程技術研究開發中心，廣東 廣州 510650；3.廣東省中科化灌工程與材料院士工作站，廣東 廣州 510650)

具有一定傾斜角度的樁在公路橋梁、港口碼頭行業中中已應用廣泛，而在基坑支護工程中則鮮有應用和研究。為了研究具有一定傾斜角度的樁作為基坑支護結構時的工作機理，采用數值模擬的方法，對不同傾斜角度的鋼板樁進行計算，研究不同傾斜角度對支護樁內力、位移的影響規律。研究結果表明，斜樁有利于與降低基坑位移、減小支護樁剪力，而支護樁正彎矩隨角度增大而減小，負彎矩隨角度增大而增大。從充分發揮材料性能、節約造價的角度，斜樁傾斜角度以10°～12°為宜。

基坑；斜樁；有限元

1 引 言

目前，具有一定傾斜角度的斜樁已廣泛應用于公路橋梁、港口碼頭、輸電線塔架及海上鉆井平臺等結構的基礎中[1，2]，眾多學者采用各種手段對傾斜單樁及傾斜群樁基礎的承載、變形特性進行了廣泛的研究[3，7]，這些研究的簡化模型都是在一定的豎向荷載下，單樁承受水平荷載的變形和承載特性。

基坑工程是巖土工程學中的一個古老的傳統課題，基坑的支護結構既涉及前述樁基礎的承載和變形特性問題，還涉及結構穩定性和外部環境影響的問題。從土壓力計算理論的角度而言，用斜樁對開挖的基坑進行支護，有利于減小樁后側主動土壓力，降低樁身內力，并有利于降低基坑開挖對環境的影響。目前，國內外對斜樁支護基坑的研究還比較少。郭建芝等[8]結合具體的工程實例指出，斜樁支護基坑有利于充分發揮材料的特性，在同等條件下，可有效控制基坑開挖對環境的影響，同時可大幅度降低造價；李珍等[9]通過數值模擬的方式，對雙排樁結構中后排樁傾斜的情況進行了研究，指出斜樁與直樁結合可達到更好的支護效果，且斜樁角度在20°時為宜；徐源等[10]通過模型試驗研究了雙排樁中前排樁傾斜的情況進行研究，指出前排樁傾角10°時，樁身內力及位移均有一定的減小；鄭剛等[11]采用室內模型試驗的方法研究了傾斜單排樁在水平荷載下的變形和承載特性，指出斜樁傾斜角度越大，樁身位移及彎矩越小，且斜直交替樁比斜樁支護效果更好；孔德森等[2]以鄭剛等[11]的模型試驗為計算模型，采用數值模擬的方法驗證了模型試驗的結果，為斜樁支護的計算提供一定的參考。

前人的研究多建立在模型試驗的基礎上，針對小尺度模型的結果或有可靠度的問題。為進一步了解斜樁對基坑支護的作用及基坑開挖對斜樁的影響規律，本文以某工程中采用鋼板樁傾斜支護基坑的實施方案為例，采用通用有限元軟件進行數值模擬，研究傾斜鋼板樁在基坑開挖時的受力特性，揭示斜樁在基坑支護中的工作性狀。

2 數值模型及計算內容

有限元作為一種有效的數值分析方法，在巖土工程領域內得到了廣泛的應用，本文采用通用有限元軟件進行計算，支護結構形式如圖1所示。計算共設置12個不同的工況，每個工況的鋼板樁對應不同的傾斜角度θ(如圖1所示)，分別為0°(垂直插入)、2°、5°、7°、9°、10°、12°、15°、17°、20°、22°、25°。研究每個工況下，鋼板樁傾斜角度對鋼板樁位移及內力的影響規律。

選取計算斷面基坑開挖深度 5 m，采用新IV型拉森鋼板樁懸臂支護，樁長 15 m，當鋼板樁垂直插入時，嵌固深度 10 m。鋼板樁計算采用線彈性模型，原位土體采用摩爾-庫倫模型，土層相關參數如表1所示。

土層參數 表1

土體初始應力按靜止土壓力計，不考慮基坑開挖以前由于打入鋼板樁所引起的應力重分布及位移的變化。

3 計算結果分析

3.1 角度對樁身位移的影響

圖2是鋼板樁傾斜角度與樁身最大水平位移之間的關系曲線。從曲線中看出，隨著鋼板樁傾斜角度的逐漸增大，鋼板樁最大水平位移逐漸減小，但是傾斜角度對樁身位移的影響程度有限。當鋼板樁傾斜角度達到25°時，相比于垂直插入時樁身最大水平位移減小14.57%，這一結果與已有的模型試驗成果[10，11]有所出入。結合文獻[10][11]的研究成果分析，傾斜角度對位移的影響不僅與傾斜角度有關，而且與基坑開挖深度及土性有關，同樣的傾斜角度，斜樁在無黏性土中減小位移的效果更加顯著，且開挖深度越大，控制位移的效果越明顯(文獻[11]圖12)，但是總體規律是隨著傾斜角度增大，位移減小。

圖2 角度對位移的影響

3.2 角度對樁身剪力的影響

圖3是傾斜角度對鋼板樁樁身剪力最大值的影響曲線。從圖中明顯看出，角度與剪力最大值近似呈線性關系，且隨著角度增大，剪力最大值減小。當傾斜角度達到25時，剪力最大值相比于垂直插入時減小67.41%。

圖3 角度對樁身剪力的影響

3.3 角度對樁身彎矩的影響

圖4為傾斜角度與樁身彎矩最大值的關系曲線(圖中彎矩值為彎矩絕對值)。圖5是樁身彎矩隨深度的分布圖。結合圖5可以看出，圖4中所顯示的樁身彎矩隨傾斜角度先減小再增大的規律并不是樁身彎矩實際值的簡單增大和減小，而是正彎矩隨角度增大不斷減小，負彎矩隨角度增大逐漸增大，在圖4中傾斜角度為12°左右時，樁身正負彎矩值基本相等。

圖4 角度對樁身彎矩的影響

圖5 樁身彎矩分布圖

3.4 計算結果總結

從控制位移和鋼板樁剪力的角度，斜樁的傾斜角度越大越好，而實際上斜樁傾斜角度無法隨意設置，角度主要受限于兩方面因素，一是斜樁的傾斜角度受到施工工藝的限制，不能無限制的增大，尤其是采用混凝土灌注樁或者鋼管樁時，過大的傾斜角度導致無法施工；二是采用斜樁則需要一定的施工空間，如圖6所示，當基坑開挖深度 5 m，采用傾斜角度15°時，所需的水平寬度B=1.34 m，而當采用25°傾斜角時，B=2.33 m。此外，當斜樁的傾斜角度足夠大時，而外部環境條件允許時，完全可以改用其他的更合理的支護形式，甚至于采用自然放坡的方式。

圖6 斜樁支護剖面示意圖

從圖4中彎矩與傾斜角度的關系來看，樁身正負彎矩絕對值接近時，能夠最大限度發揮材料的作用，避免浪費，而此時，樁身最大位移和最大剪力較垂直插入時分別減小7.5%、36.4%，彎矩絕對值相比于垂直插入時減小47.4%。因此，從計算結果看，斜樁能夠有效減小樁身內力，從一定程度上減小位移，從節省材料、控制造價的角度，斜樁傾斜角度建議10°～12°比較合理。

4 結 論

本文采用數值模擬的方法，通過針對不同傾斜角度的斜樁進行數值模擬的計算，討論了斜樁傾斜角度對基坑位移及斜樁內力的影響規律，得到如下結論：

(1)斜樁結構支護基坑相比于垂直支護樁能夠有效減小樁身內力，并從一定程度上控制位移，但是控制位移的效果有限。

(2)在同樣的開挖深度條件下，斜樁的傾斜角度與樁身最大位移和剪力呈反比關系，而樁身最大彎矩則隨角度增大先減小后增大，樁身正彎矩隨角度增大而減小，負彎矩隨角度增大而增大。

(3)相同條件下，采用斜樁支護基坑比垂直樁支護更能發揮材料性能，節約工程造價。

(4)從控制造價、節省材料的角度，并結合斜樁所需的空間，斜樁的傾斜角度以10°～12°為宜。

[1] Chen L，Poulos HG. Piles Subjected to Lateral Soil Movement. Journal of Geotechnical & Geoenvironment Engineering，ASCE，1997，123：802～801.

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[8] 郭建芝，曹華先. 斜樁擋土支護深基坑[J]. 廣州建筑，1997(2)：38～41.

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[11] 鄭剛，白若虛. 傾斜單排樁在水平荷載作用下的性狀研究[J]. 巖土工程學報，2010，32(S1)：40～45.

Numerical Simulation on Inclined Retaining Piles in Excavations

Zhang Wenchao1，2，3，Xue Wei1，2，3

(1.Guangzhou Chemical Grouting Engineering Co.，Ltd，Chinese Academic of Science，Guangzhou 510650，China； 2.Guangdong Chemical Grouting Technology Research Centre，Guangzhou 510650，China； 3.Guangdong Zhongke Grouting Engineering and Material Academician Workstation，Guangzhou 510650，China)

Inclined pile is applied widely in foundations of highway bridges and port wharfs etc，it is nearly blank in excavations and few people study it. To study the working mechanism of inclined pile as retaining structure，numerical simulation is performed，including different angles of inclined steel sheet piles. The influence of angle on displacement and internal force is researched. The results show that it is beneficial to reduce displacement and shear force of pile when the pile is inclined. In addition，positive moment decreases with increasing angles，when negative moment increases with decreasing anles. For fully playing the performance of materials and cost reduction，the appropriate inclined angle is 10～12 degree.

excavation；inclined piles；finite element method

1672-8262(2017)02-171-03

TU473.1

A

2016—09—23

張文超(1984—)，男，碩士，工程師，主要從事巖土工程設計施工技術工作。