基于數值模擬對深基坑雙排樁支護結構的研究

卞開春

(安徽開源路橋有限責任公司,安徽 合肥 230088)

0 引 言

隨著國家的發展,我國大規模的高層建筑及大規模的地下空間建筑越來越多,在建筑此類建筑時將會遇到深基坑的設計及施工上的問題[1],在深基坑的支護形式中,目前主要包括放坡開挖、懸臂式支護結構、土釘墻及復合土釘墻支護結構、水泥重力式擋土墻、拉錨式支護結構和組合式支護結構,各種結構都具有一定的適用特點,其中雙排樁支護結構是一種超靜定的剛架結構,具有安全度高、支護效果好、施工簡便及適應性強等特點被廣泛運用[2]。

關于雙排樁的研究,有王星華[3]等人通過數值模擬對雙排樁和預應力錨桿聯合支護體系不同開挖過程的樁土關系進行分析,研究結果表明:增加冠梁的剛度能夠有效的減小土體的側移;陸培毅[4]等人借助有限元軟件對雙排樁的樁間距、開挖深度及寬度等參數進行研究,研究得到雙排樁的最合理樁間距,并得到開挖深度對雙排樁支護效果的影響;鐘小春[5-6]等人對樁間土的側向土壓力進行計算,得到樁間距對土拱效應的影響。目前的研究已取得一定的成果,但在實際的工程運用及理論研究中還存在較多問題,如由于該支護結構的樁間土作用在前后排樁的土壓力分別形式不確定、水平反力系數取值不確定及對排樁樁間距、樁頂連接及樁間土的相互作用等缺少全面認識,針對該支護結構的研究存在的不足[7-11]。本文在現有的研究基礎上,通過理論研究結合有限元軟件對深基坑雙排樁支護結構進行研究,希望能對該類支護結構提高參考價值。

1 雙排樁支護結構設計的計算理論

1.1 比例系數法

比例系數法是屬于經典平衡法中的一種,這種計算方法的計算模型圖如圖1所示,在進行計算時需要進行一定的計算假定,其中假定前后排的排樁頂部和的連接為剛性連接,樁底是嵌固的門架式結構,假定連梁只產生水平位移,并且假定前后排樁的樁頂水平位移相同,第三是通過朗肯土壓力計算。

圖1 比例系數法雙排樁支護結構計算簡圖

圖1中的Eaf表示基礎開挖后前排樁的主動土壓力,Epf表示基礎開挖后前排樁的被動土壓力,Eab表示后排樁的主動土壓力,Epb表示后排樁的被動土壓力。這種計算方法概念清晰明確,計算較為簡單,能夠用于程序得以實現,但這種計算方法會存在一定的誤差,主要在于連梁的不變形假定和前后排樁的水平位移相同的假定,在實際的工程中很難實現連梁不發生變化,并且保證前后排樁的水平位移一致。

1.2 修正系數法

在縱多計算方法中采用極限土壓力并結合經驗的系數來確定樁體的土壓力的計算方法稱為修正系數法,這種計算方法的計算模型圖如圖2所示。

這種計算方法是將前排的樁等效為單錨板樁,以此來進行計算;具體計算時按簡支板樁的模式計算出樁最小的入土深度,支點的反力通過靜力平衡條件求得,以此計算出最大彎矩值和作用點的位置,通過樁抗傾覆的驗算得到后排樁的樁長,結合土壓力計算公式得到最大彎矩和作用點位置,這種計算方法存在一些不足,比如:不能真實的反映在復雜荷載下雙排樁的調節作用,另外在計算時未能考慮樁頂的作用,計算較為簡單,準確性上存在一定的誤差。

1.3 彈性地基梁法

彈性地基梁法計算支護樁時當前工程應用及認可程度較高的計算方法,其計算的理論基礎是Winkler假定理論,該理論在計算時會考慮樁與土的共同作用,能夠準確的得到前后排樁的土壓力荷載大小,并且還能通過計算得到地基土的水平基床系數,最后的雙排樁支護結構內力可以通過彈性地基梁和結構力學的方法計算得到。

這種計算方法在計算時將支護結構分為蓋梁、前排樁及后排樁三個部分,三者的變形協調關系和內力關系可以通過計算求得,以樁尖集中彎矩和集中剪力為零的條件,聯合求解得到樁頂的內力和位移,從而計算雙排樁支護結構的位移和內力,其中的Pa1表示作用在后排樁的樁側土壓力,Pa2表示作用在前排樁的樁側土壓力,M3表示后排樁樁頂受到的彎矩,Q3表示后排樁樁頂受到的剪力,M4表示前排樁樁頂受到的彎矩,Q4表示前排樁樁頂受到的剪力,M1、Q1分別表示在基底處后排樁受到的彎矩和剪力,M2、Q2分別表示基底處前排樁受到的彎矩和剪力,φ1、φ2表示樁頂處后排樁和前排樁的轉角,φ3、φ4表示基底處后排樁和前排樁的轉角,這種計算方法能夠考慮支護結構和土體之間的相互作用,在計算理論上較為合理,當實際工程中的樁土與土存在脫離的現象,因此這種計算方法在樁頂的位移結果上與實際的情況存在一定的偏差。

2 有限元模擬

2.1 有限元軟件介紹

采用的有限元軟件為FLAC3D軟件[6-10],通過將模型離散化,將節點單元連接,并將作用在節點上的荷載進行讀寫運算,得到單元間的相對位移,進而求出單元的應變,該軟件現已廣泛運用于隧道工程、道路與鐵路工程、巖土工程及建筑工程等工程領域。運用該軟件時其主要的求解過程主要包括四個過程,第一是建立幾何模型并進行有限差網格劃分,第二確定模型中材料的本構關系,第三進行模型邊界的設置及初始條件的設置,第四進行模擬計算并分析結果。

2.2 有限元模型的建立

建立的三維模型是根據實際的工程案例按1∶1的比例進行模型創建,該工程位于某市,工程基坑的開挖深度為11.650～11.850 m,屬于深基坑工程。本次深基坑工程采用雙排樁支護方案。本文根據該支護方案進行三維模型的建立,首先根據方案建立三維的幾個模型,本模型的長為80 m,寬為6 m,高度為40 m,樁的彈性模量為30 000 MPa,重度為25 kN/m3,泊松比為0.2;然后選定模擬的結構參數,對支護樁采用軟件中的樁單元進行模擬,支護樁與土體單元支架的切向及法向上的相互作用根據樁單元的各類參數來實現,對于連梁、冠梁采用梁單元進行模擬;接著確定模擬的邊界約束條件,本文模型邊界條件的設置中:底部設置為固定約束,對頂部定義為自由邊界,對模型的四周設置為滾動支座,對模型的初始條件設置時考慮坡頂的超載荷載為15 kPa,并根據實際的工程情況不考慮滲流和水壓力的影響,模型中的土層參數設置如表4所示,支護結構的參數設置如表2所示。

表1 土層參數設置

表2 支護結構參數設置

2.3 有限元模擬假定

在有限元模擬的過程中需要對模型進行一些的假定,(1)假定土體為彈塑性體,模擬的過程中當外界條件發生變化時,土層的壓縮模量、泊松比、內摩擦角及粘聚力等參數保持不敗;(2)假設支護結構完全符合平面應變的假定;(3)假設樁頂與冠梁的連接是為剛性連接;(4)假定模擬中不存在水壓力和滲流的作用。在進行模擬計算時為計算的簡便,進行初始應力的平衡,不考慮打入樁時對結構構件的影響位移為零;在模擬開挖時采用的是放坡開挖,將開挖的土體單元定義為空的單元。

3 有限元模擬結果

3.1 位移分析

通過模擬計算對基坑開挖完成后土體及構件位移與應力進行分析,基坑土體在X向的位移云圖,基坑土體在Y向的位移云圖,土體基坑在Z向的位移云圖。

基坑土體開挖后在X向位移云圖中在坡腳位置出現位移最大,最大的位移值約為20 mm,從支護樁的頂到底在支護的范圍內,土體位移呈現先增大后減小的變化趨勢,最大處的位移值約為17.5 mm,基坑底部的位移值約為15 mm,并且發現在基坑外的土體位移比支護樁附近的土體位移小,離基坑越遠支護樁的土體位移越小;基坑土體開挖后在Y向上應力云圖未發生變化,因此在Y向上不發生位移;對著基坑深度的增大,基坑土體開挖后在Z向的位移逐漸減小,到達一定的深度后位移為零,在基坑的開挖面上出現的位移最大,說明基坑在開挖的過程中出現了隆起的現象,出現這種現象主要是因為在進行基坑開挖時四周的應力得到釋放導致的,并且發現距離基坑外一定范圍,土體出現負位移,說明在此處的土體產生了沉降,并且隨著距離基坑越遠,其土體的沉降出現先增后減的凹陷狀態。

3.2 實際對比分析

將有限元軟件模擬的結果與實際工程中監測得到的數值進行對比,在樁體的最大變形中,根據模擬的結果其最大值約為17.5 mm,出現的位置大約為樁頂下2.8 m,從監測的數值可知樁體的最大變形位于樁頂下3 m處,并且最大的變形值約為17.4,說明模擬的結果與實際的監測數據相近;對比實際工程中與模擬結果在X向、Y向及Z向位移的變化,發現其位移分別及變化的規律基本一致,說明采用有限元軟件建立的數值模型模擬結果與實際工程監測的結果相似,也表明了該支護結構的可行性,計算模型對深基坑雙排樁的設計具有參加價值。

4 結 論

本文為研究深基坑中雙排樁支護結構,通過理論研究結合有限元軟件對深基坑雙排樁支護結構進行研究,研究結果表明:本文所采用的深基坑雙排支護結構可以有效的對基坑起到支護作用,通過有限元模擬可知模擬的結果與實際工程監測的數據相似,位移變化的規律及分布規律也基本一致,說明采用FLAC3D有限元軟件對深基坑雙排樁支護結果進行數值分析是可行的。