懸臂式排樁支擋結構有限元分析示例

張金明 王 亮

(中冶京誠工程技術有限公司，北京 100176)

在城市和工廠建設中，新建或改擴建工程受場地限制或布置需要經常會緊鄰既有結構物。對于深度大于5 m的深基坑，支護工程在施工過程中是危險性較大的分項工程，需要通過可靠的設計計算和施工時實時的監測來控制工程風險。基坑支護方式一般根據基坑的深度和場地地質、水文等周邊條件進行經濟性和適用性選擇。在無法設置支撐和設置錨桿的情況下，懸臂式排樁是最常見的支擋方式。當前分析手段日益豐富，可以采用多種分析方法進行設計計算，以確保工程方案的安全可控。

1 工程概況

韶關某廠區新建工程基礎距離既有吊車梁基礎和既有建筑基礎較近，基坑深7.6 m，且無法采用內支撐和錨桿。基坑支護方案擬采用直徑800 mm鉆孔樁支護，間距為1 100 mm。排樁樁頂設置冠梁，冠梁采用800 mm×800 mm矩形冠梁。樁間采用噴射60 mm C20細石混凝土鋼筋網面層，起到擋水和擋土的作用。支護平面圖如圖1所示。

2 計算模型的建立

2.1 理正單元計算模型

理正單元計算縱向采用每延米計算模型進行分析，計算采用經典法，計算模型如圖2所示。基坑土層比較均勻和單一，均為紅黏土，土層參數見表1。基坑外側土壓力計算方法采用主動土壓力，彈性法計算方法選用m法。

表1 土層計算參數

2.2 Ansys平面應變模型

采用Ansys平面應變有限元模型進行對比計算，分析其與理正單元模型計算的差異。有限元模型如圖3所示。

平面應變有限元模型建立樁土接觸的模型來進行分析。計算模型橫向兩側分別取30 m，豎向取50 m處采用固定約束。樁體和土體Plane82單元。樁—土之間接觸采用接觸單元模擬樁—土接觸面上的非線性，樁側面被作為目標面，采用Target169 來模擬，土體的表面被當作接觸面, 采用Contact172 來模擬。樁身尺寸采用與原樁等慣性矩的原則進行轉化為擋墻，墻厚600 mm。樁身采用C30混凝土，處于彈性工作階段，故將其材料定義為彈性材料。土體采用D-P理想彈塑性材料，主要參數有壓縮模量、泊松比、粘聚力、內摩擦角。單元劃分考慮計算精度，按0.1 m一個單元進行劃分。

3 土體沉降分析

理正單元分析分別采用三角法、指數法和拋物線法計算了土體的沉降，計算結構如圖4所示。

Ansys平面應變單元計算如圖5所示。

由以上兩種模型計算得到的沉降值，發現Ansys平面應變單元計算最大沉降值比理正指數法計算值略大1 cm，且變化趨勢不同，Ansys線型為凹曲線，而理正指數法為凸曲線。

4 基坑水平變位分析

理正單元計算基坑沿豎向水平變位如圖6所示。

Ansys平面應變單元計算如圖7所示。

從計算結果可以看出，理正單元計算最大水平變位為-27.96 mm，沿深度近似按直線分布；Ansys計算值為-11.8 mm，小于理正單元計算值16.16 mm，沿深度近似按直線分布。

5 嵌固段土反力分析

Ansys有限元模型計算基坑以下土體應力如圖8所示。

由圖8可以看出，支護樁嵌固段土反力的分布成曲線分布，嵌固段頂部土側反力最大達到68 kPa，沿基坑深度逐漸減小，在嵌固段底部應力發生轉折突變，最小值約為13 kPa。經合計計算，嵌固段土反力合力為161 kN。

根據理正單元計算結果，嵌固段土反力為Ps=325.779≤Ep=2 012.209，土反力計算值大于Ansys計算平面應變模型計算結果。

其中，Ps為作用在擋土構件嵌固段上的基坑內側土反力合力,kN；Ep為作用在擋土構件嵌固段上的被動土壓力合力,kN。

6 傾覆和隆起穩定性分析

抗傾覆安全系數：

其中，Mp為被動土壓力及支點力對樁底的抗傾覆彎矩;Ma為主動土壓力對樁底的傾覆彎矩。

Ks=2.491>1.250,滿足規范要求。

驗算抗隆起穩定性，結果如下：

支護底部，驗算抗隆起：Ks=4.693>1.800，抗隆起穩定性滿足。

Ansys計算過程考慮大變形，計算過程未出現中斷或者奇異，因此穩定性滿足要求。

7 結語

1)計算理論的不同對計算結果有一定的影響，實際工程實踐中借助理正采用經典法進行設計偏安全。Ansys平面應變模型計算土體沉降最大值約比理正單元模型計算值偏大1 cm，而水平變位和嵌固段土體反力都比理正單元計算模型小約50%。分析偏差產生的原因，理正采用的是主動土壓力，土反力采用的是m法，而Ansys采用的是平面應變單元，考慮了樁土接觸的非線性和大變形。

2)模型分析表明，樁頂土體沉降變化規律理正拋物線法與Ansys計算結果相似，量值上略有差異。沿豎向，基坑水平變位為線性分布，兩種模型計算結果一致。嵌固段土反力沿深度為曲線變化，最大值出現在基坑底部位置。

3)懸臂式排樁支擋結構在粘性土的地質條件下較為適用，可推廣使用。模型分析中基坑穩定性滿足規范要求，在施工過程中監測數據與理論計算基本一致，未出現任何安全問題。