動(dòng)荷載對(duì)雙排樁支擋結(jié)構(gòu)的影響分析

朱冬宇，吳大志，單遜

（浙江理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，杭州 310018）

1 引言

近年來，城市建設(shè)快速發(fā)展，為了利用好寸土寸金的城市用地，城市建筑逐漸向地下發(fā)展，這也導(dǎo)致了現(xiàn)代基坑工程具有“深”“大”的特點(diǎn)。雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)由于具有施工方便、變形協(xié)調(diào)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在施工條件有限的城市深基坑工程中得到廣泛應(yīng)用。由于這些深基坑工程有很多毗鄰城市交通的主干道，車輛荷載對(duì)基坑支擋結(jié)構(gòu)的影響越來越不容忽視。

汪創(chuàng)【1】、樂金朝【2】等通過數(shù)值模擬和工程實(shí)測對(duì)比，證明了采用半波正弦荷載來模擬交通荷載是可行的。胡謝飛等【3】依托于南京小和山客運(yùn)站雙排樁深基坑支護(hù)工程，研究了由城際鐵路的行駛速度和作用位置對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。徐長節(jié)等【4】以杭州市某基坑工程發(fā)生圍檁斷裂、基坑塌陷事故為背景，研究了在車輛超載情況下動(dòng)荷載對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。張向東【5】、張學(xué)民【6】等通過軟件模擬對(duì)比工程實(shí)測，研究了支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度、交通量、車輛行駛速度、車輛作用時(shí)間等對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。

在以往的研究中，對(duì)于交通動(dòng)荷載對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響研究較少。本文針對(duì)荷載作用位置和荷載值大小，來研究其對(duì)于雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響。

2 工程概況

本工程基坑開挖深度為6m，地面超載取值20kPa。雙排樁采用矩形的布置方式，前、后排樁的直徑為0.8m，樁間距為1.2m，排距為3m，樁身長度均為16m。基坑施工過程中，工程周邊原有道路保持正常通行。土層的物理力學(xué)參數(shù)及土層厚度見表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

3 PLAXIS 模型的建立

以該基坑工程H1 段雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)上半部的樁身位移數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用PLAXIS 3D 有限元軟件對(duì)該段基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維模擬，前、后排樁樁長為16m，樁徑為0.8m，樁間距為1.2m，排距為3m 采用Embedded 樁模擬，連系梁截面尺寸為1.2m×0.6m 采用實(shí)體單元模擬，有限元模型尺寸為36m×1.2m×34m（長×寬×高）。

現(xiàn)采用PLAXIS 軟件模擬基坑開挖到坑底時(shí)，雙排樁深層水平位移的實(shí)測值和模擬值曲線，具體如圖1 所示。

圖1 樁身位移對(duì)比圖

前排樁樁身最大位移監(jiān)測值為12.3mm，有限元模擬值為12.34mm，相差0.81%。后排樁樁身最大位移監(jiān)測值為12.0mm，模擬值為12.32mm，相差2.26%。從以上數(shù)據(jù)可以看出，有限元模擬和工程實(shí)測結(jié)果基本一致，說明采用此有限元模擬分析所得的結(jié)果是可信的。

4 數(shù)值分析

以此工程案例為基礎(chǔ)，借助PLAXIS 3D 軟件開展動(dòng)荷載對(duì)雙排樁支擋結(jié)構(gòu)的影響研究。在進(jìn)行動(dòng)荷載計(jì)算時(shí)，動(dòng)荷載的荷載值P0=20kPa，頻率ω=4Hz，振幅P=2kPa。

4.1 動(dòng)荷載值對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響

不同荷載值作用下雙排樁樁頂位移見表2，樁身彎矩見圖2。

表2 動(dòng)荷載對(duì)雙排樁樁頂位移

由表2、圖2 可以看出，隨著荷載值的增加，前、后排樁的樁身位移和樁身彎矩也逐漸增大。且動(dòng)荷載作用下對(duì)樁身位移和樁身彎矩的影響要大于靜荷載。通過計(jì)算，荷載值為20kPa 時(shí)，動(dòng)荷載作用下樁身最大位移比靜荷載作用下樁身最大位移增加6.63%，前排樁最大彎矩增加1.29%，后排樁最大彎矩增加1.54%；荷載值為40kPa 時(shí)，動(dòng)荷載作用下樁身最大位移比靜荷載作用下樁身最大位移增加4.98%，前排樁最大彎矩增加1.24%，后排樁最大彎矩增加1.94%。由此可見，隨著荷載值的增加，動(dòng)荷載作用下雙排樁的樁身最大位移和樁身最大彎矩增加的幅度逐漸減小。

圖2 動(dòng)荷載對(duì)雙排樁樁身彎矩圖

通過數(shù)據(jù)分析得出：荷載值每增加1kPa，樁身最大位移約增加2.17%；前排樁最大彎矩約增加0.80%，后排樁最大彎矩約增加1.15%。

4.2 動(dòng)荷載作用位置對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響

在不同荷載作用下雙排樁樁頂位移見表3，樁身彎矩見圖3。

表3 動(dòng)荷載作用位置對(duì)雙排樁樁頂位移

圖3 動(dòng)荷載作用位置對(duì)雙排樁樁身彎矩圖

由表3、圖3 可以看出，隨著荷載作用位置逐漸增大，前、后排樁的樁身位移和樁身彎矩隨之逐漸減小。荷載作用位置距離雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)2m 時(shí)，動(dòng)荷載作用下比靜荷載作用下樁身最大位移增加6.64%；前排樁最大彎矩增加1.31%；后排樁最大彎矩增加1.55%。

荷載作用位置距離雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)6m 時(shí)，動(dòng)荷載作用下比靜荷載作用下樁身最大位移增加5.69%；前排樁最大彎矩增加1.02%；后排樁最大彎矩增加1.35%。由此可見，荷載作用位置越遠(yuǎn)，動(dòng)荷載對(duì)雙排樁樁身位移和彎矩的影響就越小。這是由于動(dòng)荷載作用位置越遠(yuǎn)，由振動(dòng)引起的附加荷載就越小。

動(dòng)荷載到雙排樁的距離由1/4 倍開挖深度增加到1 倍開挖深度時(shí)，樁身最大位移減小約30.6%，前排樁最大彎矩減小約11.37%，后排樁最大彎矩減小約22.7%。

5 結(jié)語

本文借助PLAXIS 3D 建立了三維有限元模型，分析了動(dòng)荷載的荷載值大小和作用位置對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，通過數(shù)值分析，得出以下結(jié)論：

1）雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的樁頂位移和樁身最大彎矩隨著動(dòng)荷載值的增加而增大，隨著動(dòng)荷載作用位置的增大而減小。

2）載值每增加1kPa，樁身最大位移約增加2.17%；前排樁最大彎矩約增加0.80%，后排樁最大彎矩約增加1.15%。動(dòng)荷載到雙排樁的距離由1/4 倍開挖深度增加到1 倍開挖深度時(shí)，樁身最大位移減小約30.6%，前排樁最大彎矩減小約11.37%，后排樁最大彎矩減小約22.7%。