前排樁傾斜對雙排樁性狀的影響

王祖珍, 董 閣

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司;公路交通節能與環保技術及裝備交通運輸行業研發中心, 安徽 合肥 230088)

0 引 言

雙排樁具有側移剛度大、施工工期短、施工簡便、穩定性強、節約造價等優點，已在基坑支護工程中得到了廣泛應用[1-3]。

目前，雙排樁圍護結構的設計計算理論尚不完善，且常用的雙排樁均為豎直分布的前后排樁。在挖方工程中，也可能用到前排傾斜的雙排樁。但關于傾斜樁體雙排樁的研究較少[4-7]，其受力機制尚不明確。為此，本文基于有限元法，對比分析了前排樁不同傾角對土體水平位移、前后排樁內力的影響，以便深入了解該類雙排樁的特性，促進其在工程實踐中的應用。

1 有限元計算模型

現針對某一典型基坑工程中的雙排樁進行分析。前排樁與后排樁的樁徑均為900 mm，樁中心距1 200 mm。樁頂設置冠梁與橫梁，橫梁尺寸為800 mm×800 mm，前后排樁中心距3.0 m。該工程采用的是豎直等長雙排樁，前后排抗滑樁長度均為16.5 m，基坑開挖深度8.0 m。為了分析前排樁傾斜的雙排樁的基本特性，假定前排樁的傾角為β，現以該工程為依托建立計算模型，如圖1所示。

圖1 前排樁傾斜的雙排樁示意圖

根據地勘報告，從上至下各土層可依次分為①雜填土、②粉質黏土、③粉土、④強風化泥巖、⑤中風化泥巖，采用Mohr-Coulomb模型對土體進行模擬，土層的計算參數見表1。圖2給出了β=6°情況下的網格剖分情況。

圖2 有限元網格劃分

表1 土層計算參數

數值計算按平面應變問題考慮，樁與橫梁等效為板單元，等效后前后排樁的軸向剛度EA=2.055×107kN/m、抗彎剛度EI=8.04×105kN·m2/m，連系梁的軸向剛度EA=2.09×107kN/m、抗彎剛度EI=8.54×105kN·m2/m。

挖方工程的計算步驟為：原土體自重應力平衡、激活樁單元、分層開挖(凍結開挖面處的土體單元)至坑底標高-8.00 m處。

2 計算結果分析

通過對比計算，得到了前排樁傾角β分別取值0°、3°、6°、9°、12°情況下的土體變形與樁體內力情況。

2.1 土體水平位移

基坑開挖至標底后，坑壁土體水平位移最大值與前排樁傾角β之間的關系如圖3所示。可見，β=0°時的最大水平位移為56.5 mm，β=12°時的最大水平位移為46.3 mm，土體水平位移最大值隨著前排樁傾角的增大而減小。

圖3 前排樁傾角對土體水平位移最大值的影響

圖4給出了基坑開挖后土體的水平位移等值線分布情況，水平位移方向指向開挖工作面。結果表明，β=0°時水平位移最大值的位置位于雙排樁頂部坑壁土體中，隨著前排樁傾角β的增大，土體水平位移最大值的位置逐漸下移，β=12°時土體水平位移最大值的位置位于坑底前排樁后方的土體中。

圖4 土體水平位移等值線分布圖(單位:mm)

不同傾角β取值情況下前排樁與后排樁的水平位移分布如圖5與圖6所示。可見，同一工況中，相同深度處前排樁的水平位移大于后排樁的水平位移。β=0°時的前排樁與后排樁的水平位移最大值分別為56.7 mm、53.4 mm，β=12°時的前排樁與后排樁的水平位移最大值分別為46.3 mm、36.7 mm。隨著前排樁傾角β的增大，前排樁與后排樁的水平位移均發生明顯的減小，這與土體的變形是一致的。

圖5 前排樁傾角變化對前排樁水平位移的影響

圖6 前排樁傾角變化對后排樁水平位移的影響

2.2 樁體軸力

不同傾角β取值情況下前排樁與后排樁的軸力分布見圖7與圖8所示。可見，前排樁的軸力最大值基本位于坑底位置處，而后排樁軸力最大值位于樁頂。β=0°時的前排樁與后排樁的軸力絕對值最大值分別為282.3 kN/m、245.9 kN/m，β=12°時的前排樁與后排樁的軸力絕對值最大值分別為248.7 kN/m、263.7 kN/m。隨著前排樁傾角β的增大，前排樁軸力最大值略有減小，后排樁軸力最大值略有增加，但變化幅度均不大。

圖7 前排樁傾角變化對前排樁軸力的影響

圖8 前排樁傾角變化對后排樁軸力的影響

2.3 樁體剪力

不同傾角β取值情況下前排樁與后排樁的剪力分布如圖9與圖10所示。可見，前排樁的剪力最大值位于坑底或樁頂位置處，而后排樁剪力最大值位于樁頂。隨著前排樁傾角β的增大，坑底以上及以下前排樁的剪力均略有增大，而坑底以上后排樁的剪力略有減小、坑底以下后排樁的剪力略有增加。β=0°時的前排樁與后排樁的剪力絕對值最大值分別為151.2 kN/m、112.1 kN/m，β=12°時的前排樁與后排樁的剪力絕對值最大值分別為134.1 kN/m、80.4 kN/m。

圖9 前排樁傾角變化對前排樁剪力的影響

圖10 前排樁傾角變化對后排樁剪力的影響

2.4 樁體彎矩

不同傾角β取值情況下前排樁與后排樁的彎矩分布如圖11與圖12所示。可見，前排樁的彎矩最大值基本位于-4.5 m深度處，而后排樁的彎矩最大值位于樁頂處。β=0°時的前排樁與后排樁的彎矩絕對值最大值分別為480.4 (kN·m)/m、598.6 (kN·m)/m，β=12°時的前排樁與后排樁的彎矩絕對值最大值分別為607.0 (kN·m)/m、659.5 (kN·m)/m。隨著前排樁傾角β的增大，前排樁與后排樁的彎矩最大值均呈現增大的趨勢。

圖11 前排樁傾角變化對前排樁彎矩的影響

圖12 前排樁傾角變化對后排樁彎矩的影響

2.5 基坑穩定性

基于強度折減有限元法，對基坑開挖至底時的穩定性進行分析，得到土體滑裂面位置如圖13所示，不同傾角β取值對基坑安全系數的影響如圖14所示。可見，基坑安全系數隨著前排樁傾角β的增大逐漸增大，但前排樁傾角β取值對滑裂面位置的影響非常小。

圖13 基坑失穩破壞時的滑裂面位置

圖14 前排樁傾角變化對基坑安全系數的影響

3 結 論

(1) 隨著前排樁傾角的增大，基坑土體水平位移最大值逐漸減小，土體水平位移最大值的位置逐漸下移。

(2) 同一工況中，相同深度處前排樁的水平位移大于后排樁的水平位移。隨著前排樁傾角的增大，前排樁與后排樁的水平位移均發生明顯減小。

(3) 隨著前排樁傾角的增大，前排樁軸力最大值略有減小，后排樁軸力最大值略有增加，但變化幅度均不大。

(4) 隨著前排樁傾角的增大，坑底以上及以下前排樁的剪力均略有增大，而坑底以上后排樁的剪力略有減小、坑底以下后排樁的剪力略有增加。

(5) 隨著前排樁傾角的增大，前排樁與后排樁的彎矩最大值均呈現增大的趨勢。

(6) 基坑安全系數隨著前排樁傾角的增大而逐漸增大，但前排樁傾角取值的變化對滑裂面位置的影響非常小。