深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

董必昌 黃偉建 張鵬飛 瞿中穎

(武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院1) 武漢 430063) (深圳市城市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究中心股份有限公司2) 深圳 518057)

0 引 言

近年來，隨著我國城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市可利用土地資源日漸匱乏，對于地下空間的開發(fā)和利用成為了人們關(guān)注的工程熱點(diǎn)，深基坑工程也因此日益涌現(xiàn)．我國是一個(gè)地震多發(fā)國家，因此對深基坑工程地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究具有重要的工程實(shí)踐意義．

對于深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外研究學(xué)者主要針對靜力作用下支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行了相關(guān)研究[1-3]，但是在動力作用下，特別是對于地震動荷載作用下支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特性和變形機(jī)理方面的研究相對較少．對于深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)地震方面的研究，主要有理論分析、模型試驗(yàn)，以及數(shù)值仿真等方法．劉立平等[4]建立不同場地土體參數(shù)的二維樁土模型，通過對樁身剪力值的分析發(fā)現(xiàn).樁頂處剪力值最小，靠近樁底位置剪力值發(fā)生突變并在樁底位置達(dá)到最大值．朱彥鵬等[5]計(jì)算得出了復(fù)合式土釘墻在地震動荷載作用下的加速度、位移響應(yīng)規(guī)律，通過對雙向地震波作用下土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力的時(shí)程響應(yīng)分析，得到了地震作用下支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化及土體的位移和加速度的響應(yīng)規(guī)律．康景文等[6]通過FLAC3D進(jìn)行了深基坑錨拉支護(hù)結(jié)構(gòu)的地震時(shí)程分析，論述了深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全儲備問題，表示現(xiàn)行相關(guān)深基坑工程抗震設(shè)計(jì)方法并不完善，需對現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化．張森等[7]運(yùn)用FLAC仿真軟件，對復(fù)合土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了靜力分析和動力分析，得出土釘結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力錨桿的軸力變化規(guī)律，并對預(yù)應(yīng)力錨桿的布置方法提出了合理建議．王穎軼等[8]通過ANSYS 有限元軟件計(jì)算出不同支護(hù)結(jié)構(gòu)在動力作用下的失效過程，表明了不同支護(hù)結(jié)構(gòu)其支護(hù)特性存在明顯差異，并指出剛度較高的支護(hù)結(jié)構(gòu)其失穩(wěn)破壞具有明顯的突發(fā)性．黃春燕[9]利用動力彈塑性時(shí)程分析方法對深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震響應(yīng)分析，得到了不同時(shí)刻雙排樁樁身內(nèi)力變化情況和場地土體變形規(guī)律．

在現(xiàn)行深基坑工程設(shè)計(jì)規(guī)范中，并沒有普適性的支護(hù)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法．目前，在基坑工程的動力作用方面，尤其是在地震作用下的工作機(jī)理和抗震性能方面，國內(nèi)學(xué)者的研究較少．文中以深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)為例，運(yùn)用有限元數(shù)值模擬的方式，設(shè)置粘彈性人工邊界，對深基坑雙排樁進(jìn)行地震動力響應(yīng)分析．

1 工程概況及模型建立

1.1 工程概況

選用武漢時(shí)代廣場的深基坑工程進(jìn)行有限元仿真模擬，其東西方向長度約110 m，南北方向長度約150 m，周長約500 m，基坑整體平面形狀近似為正方形，開挖面積約16 000 m2，開挖深度約為12 m．

1) 土體與支護(hù)結(jié)構(gòu) 基于Lin等[10]研究基坑模型大小對基坑變形的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)基坑模型建模長度為基坑開挖深度的3倍時(shí)，基坑模擬過程中支護(hù)體系及周邊地表變形形態(tài)與實(shí)際中比較貼合．滿足Roboskit[11]提出的基坑模型尺寸的改變對基坑變形的影響．參考基坑模型大小對基坑變形的影響規(guī)律，本工程基坑整體開挖深度為12 m，綜合考慮初步建立的三維剖面體單元模型的計(jì)算域?yàn)?20 m×50 m×12 m．土體采用Drucker-Prager模型，樁和錨桿采用線彈性模型，計(jì)算模型見圖1．

圖1 土體計(jì)算模型圖及樁錨式支護(hù)結(jié)構(gòu)布置圖

2) 黏彈性邊界 彈簧和阻尼器的參數(shù)由劉晶波等[12]提供的計(jì)算方法結(jié)合每層土體的物理參數(shù)進(jìn)行選取.

由以上公式則可以分別求得各節(jié)點(diǎn)處的法向彈簧剛度、法向阻尼系數(shù)、切向彈簧剛度、切向阻尼系數(shù)．模型邊界通過利用阻尼器吸收能量和彈簧的彈性恢復(fù)能力來實(shí)現(xiàn)無限區(qū)域土體對邊界內(nèi)模型的作用，達(dá)到與實(shí)際情況一致的效果．黏彈性邊界條件示意圖見圖2．

圖2 黏彈性邊界條件示意圖

1.2 地震波的選取和調(diào)整

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，工程所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度VI度，將抗震設(shè)防烈度提高1度，進(jìn)行罕遇地震動力分析，旨在模擬在最不利條件下的工程地震動反應(yīng)．因此，對選取的地震波加速度幅值按烈度要求調(diào)整到0.1g后再進(jìn)行輸入．經(jīng)過綜合考慮，分別選取地震響應(yīng)分析中常用的Kobe波、El-Centro波和Northridge波進(jìn)行地震動輸入．

依據(jù)地震波的選取和調(diào)整的原則及要求，同時(shí)為了提升模型的計(jì)算效率，對所選擇的地震波進(jìn)行節(jié)選．經(jīng)過地震波調(diào)整和基線修正后的Kobe波、El-Centro波和Northridge波的波形見圖3．

圖3 不同波形加速度圖

2 地震響應(yīng)分析結(jié)果

2.1 不同類型地震波作用下的響應(yīng)分析

2.1.1樁身內(nèi)力計(jì)算結(jié)果及分析

以前排樁為例，提取內(nèi)力峰值時(shí)刻樁身整體各點(diǎn)的彎矩及剪力值，El-Centro波、Kobe波和Northridge波加載下沿深度方向上的樁身動彎矩和樁身剪力，見圖4．

圖4 不同波形下樁身內(nèi)力圖

由圖4a)可知：不同類型地震動荷載作用下的樁身峰值動彎矩沿深度方向上的分布規(guī)律大體一致，均呈現(xiàn)出S形分布．

由圖4b)可知:在不同類型地震波加載之下，樁身沿深度方向的剪力值的分布同樣相差較大．在樁身中部位置剪力值發(fā)生突變，樁身剪力急劇增大，其中Northridge波作用下產(chǎn)生的峰值剪力為50.36 kN，El-Centro波作用下產(chǎn)生的峰值剪力只有Northridge波的82.6%，Kobe波作用下產(chǎn)生的峰值剪力只有Northridge波的72.7%．

2.2 深基坑雙排樁支護(hù)體系在地震作用下的失穩(wěn)機(jī)理分析

2.2.1樁身內(nèi)力計(jì)算結(jié)果及分析

在對模型施加IIX度罕遇地震(0.3g)動荷載作用時(shí)，土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大變形，模型計(jì)算不收斂，深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)破壞，繪制支護(hù)結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震失穩(wěn)前及不同地震波加速度作用下前排樁峰值動彎矩圖和剪力圖，見圖5．

圖5 不同波形下樁身內(nèi)力圖

由圖5可知:地震動荷載作用下樁身動彎矩沿深度方向上的分布規(guī)律整體一致，均呈現(xiàn)出S形分布；隨著地震動荷載幅值由0.1g增加至0.3g，樁身峰值動彎矩急劇增大，樁身在強(qiáng)震失穩(wěn)前其最大正彎矩增幅較大，但其最大負(fù)彎矩增幅則相對較小．

在不同幅值地震波作用下，樁身沿深度方向的剪力值的分布相差較大；由于存在樁頂冠梁的約束作用，使得樁身靠近樁頂位置處的剪力值不為零；支護(hù)結(jié)構(gòu)剪力值在樁身埋深15 m位置處發(fā)生突變，樁身剪力值急劇增大，樁身最大剪力發(fā)生在埋深約19 m處，隨即剪力值逐漸減小，在樁底位置處的剪力值接近于0．

為對不同地震加速度幅值作用下樁身內(nèi)力變化特點(diǎn)進(jìn)行對比分析，提取前排樁樁身峰值彎矩及剪力數(shù)據(jù)，并且列出前排樁動力附加彎矩(相對于靜力彎矩的增量)，見表1．

表1 不同強(qiáng)度地震作用下內(nèi)力變化表

由表1可知：隨著地震動荷載幅值的增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)的峰值動彎矩以及峰值剪力亦不斷增大．

2.2.2位移計(jì)算結(jié)果及分析

在雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)與施工階段十分關(guān)注樁間土體的位移變形情況，因此本節(jié)旨在研究不同地震波幅值作用下樁間土體的水平位移變化規(guī)律．將相鄰前排樁樁頂與樁頂之間中心位置的土體節(jié)點(diǎn)作為研究對象，由于在IIX度罕遇地震(0.3g)動荷載作用下，深基坑雙排樁支護(hù)體系發(fā)生失穩(wěn)破壞，故選取在0.1g、0.15g及0.2g地震波幅值作用下的樁間土體水平位移時(shí)程曲線，見圖6.表2為不同強(qiáng)度地震波作用下樁間土體水平位移參數(shù)表．

圖6 樁間土體水平位移時(shí)程曲線

表2 不同強(qiáng)度地震作用下樁間土體水平位移參數(shù)

由圖6可知：隨著地震波幅值的增加，相鄰前排樁樁頂間土體在地震動荷載作用下的水平位移變形明顯增大，樁間土體節(jié)點(diǎn)的水平位移值越大，樁間土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相對滑移趨勢越明顯，基坑雙排樁支護(hù)體系則越不安全．同時(shí)由表2可知:在靜力作用下樁間土體的水平位移峰值僅為0.023 m，然而在地震波動荷載作用下樁間土體的水平位移變形產(chǎn)生較大突變，在地震波幅值由0.1g增至0.3g過程中，樁間土體水平峰值位移急劇增加，當(dāng)?shù)卣鸩ǚ颠_(dá)到0.3g，樁間土體水平峰值位移達(dá)到0.128 m，水平位移相對于靜力作用下增量為0.105 m，此時(shí)深基坑雙排樁支護(hù)體系處于失穩(wěn)臨界狀態(tài)．

2.3 單、雙向地震波計(jì)算結(jié)果及分析

2.3.1不同水平加速度幅值下雙向地震的影響

為研究不同水平加速度幅值條件下雙向地震動荷載對深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，其中水平加速度幅值分別取0.1、0.15和0.2g，豎向加速度幅值按照中國工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范取水平加速度幅值的2/3．圖7為不同水平加速度幅值雙向地震作用下樁頂?shù)乃轿灰茣r(shí)程曲線．

圖7 不同加速度幅值下地震樁頂水平位移時(shí)程圖

由圖7可知:當(dāng)水平加速度幅值較小時(shí)，對于雙排樁的樁頂位移影響也較小，單向地震和雙向地震的作用下的樁頂位移時(shí)程基本一致，相差很小；隨著水平加速度幅值增大至0.15 g和0.2 g時(shí)，雙向地震與單向地震作用下兩者樁頂位移相差越來越大，豎向地震的加入對雙排樁的樁頂位移影響顯著增強(qiáng)．因此，從結(jié)構(gòu)位移角度分析，在較低的水平加速度幅值雙向地震作用下豎向地震的影響較小，可以不考慮豎向地震的影響．

2.3.2不同豎向加速度幅值下雙向地震的影響

分析不同豎向加速度雙向地震對深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，其中水平加速度取0.2g，豎向加速度分別取水平加速度幅值的1/3、2/3和3/3．

圖8為相同水平加速度不同豎向加速度幅值地震動荷載作用下的樁頂水平位移-時(shí)程曲線圖．由圖8可知:當(dāng)雙向地震中豎向加速度由水平加速度幅值的1/3增大到2/3時(shí)，樁頂?shù)乃轿灰圃龇黠@；當(dāng)豎向加速度由水平加速度幅值的2/3增大到3/3時(shí)，樁頂?shù)乃轿灰圃龇^小．

圖8 雙向地震樁頂水平位移時(shí)程圖

表3為不同豎向加速度樁頂水平峰值位移表．由表3可知:當(dāng)豎向加速度幅值取水平加速度的1/3時(shí)，比單向地震作用下產(chǎn)生的樁頂水平峰值位移增加19.1%；當(dāng)豎向加速度幅值增加至水平加速度的2/3時(shí)，樁頂?shù)乃椒逯滴灰葡鄳?yīng)增加30.9%；當(dāng)豎向加速度幅值與水平加速度幅值相同時(shí)，樁頂?shù)乃椒逯滴灰圃僭黾?.43%；2/3的豎向加速度幅值與3/3的豎向加速度幅值作用下的樁頂水平位移時(shí)程數(shù)據(jù)已經(jīng)十分接近．

表3 不同豎向加速度樁頂水平峰值位移

3 結(jié) 論

1) 不同類型地震動荷載作用下，樁身峰值動彎矩沿深度方向上的分布規(guī)律大體呈 “S”型分布；剪力的最大值在樁的中下部，其中Northridge波作用下產(chǎn)生的峰值剪力最大，El-Centro波次之，Kobe波最小，故在實(shí)際工程抗震設(shè)計(jì)和研究中應(yīng)根據(jù)不同的場地選取合適的地震波進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算．

2) 隨著地震波幅值的增加，基坑地表和雙排樁樁頂?shù)募铀俣纫苍谥饾u增大，但增大的幅度則在減小，呈現(xiàn)出增幅減弱的趨勢；樁身內(nèi)力變化較為明顯，說明地震波幅值的改變對雙排樁樁身位移和內(nèi)力的影響較大．

3) 當(dāng)水平加速度幅值小于0.1g時(shí)，與單向地震作用相比，雙向地震作用對雙排樁樁身位移的影響效應(yīng)不明顯，當(dāng)水平加速度幅值繼續(xù)增大時(shí)，雙向地震作用相對于單向地震作用，其對樁頂水平位移影響不容忽視；考慮雙向地震的結(jié)構(gòu)抗震分析中豎向加速度幅值取水平加速度幅值的2/3時(shí)相對合理．