基于數(shù)值模擬對(duì)隧道工程中雙排鋼管樁的研究

何凡

（江西安源路橋集團(tuán)有限公司，江西 萍鄉(xiāng) 337000）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國的城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快，交通問題成為城市的重點(diǎn)問題。為解決交通問題，開發(fā)地下空間，修建地下隧道成為一種有效的措施，但在修建地下隧道時(shí)受城市密集的建筑群的影響，因此需要對(duì)地下隧道開挖方法進(jìn)行研究。其中，鋼管樁支護(hù)結(jié)構(gòu)具有施工速度快、施工簡單、支護(hù)效果好等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。

許多學(xué)者對(duì)鋼管樁支護(hù)結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了相關(guān)的研究，其中，趙斌等[1]對(duì)微型鋼管樁在復(fù)合土釘墻支護(hù)體系中的應(yīng)用進(jìn)行研究，提出可采用微型鋼管樁對(duì)邊坡進(jìn)行加固；孫劍平等[2]對(duì)微型鋼管樁進(jìn)行研究，提出微型鋼管樁的承載力計(jì)算公式；郭維衛(wèi)[3]基于實(shí)際的工程對(duì)具有內(nèi)支撐與微型鋼管樁相結(jié)合的支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果進(jìn)行研究；龔健等[4]對(duì)在軟土地基中采用微型樁支護(hù)的效果進(jìn)行研究，結(jié)構(gòu)表明微型樁有較好的抵抗水平荷載的能力；畢孝全等[5]對(duì)超前鋼管樁在深基坑支護(hù)中的應(yīng)用進(jìn)行研究，為工程提供參考價(jià)值；吳新光等[6]對(duì)鋼管樁注漿體系進(jìn)行研究，結(jié)構(gòu)表明鋼管樁注漿體系具有較好的支護(hù)較好。現(xiàn)在有的研究已取得一定的成果，但在采用數(shù)值模擬對(duì)不同雙排鋼管樁影響因素的研究還存在不足。為此本文對(duì)雙排鋼管樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平承載力計(jì)算公式進(jìn)行分析，基于實(shí)際的工程案例借助有限元軟件MIDAS/GTS 建立相應(yīng)的三維模型，對(duì)不同樁間距、不同壁厚情況的隧道雙排鋼管樁支護(hù)效果進(jìn)行研究。

1 雙排鋼管樁支護(hù)結(jié)構(gòu)水平承載力的計(jì)算

對(duì)雙排鋼管樁支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行水平承載力的計(jì)算時(shí)，需將排樁簡化為一個(gè)豎向放置的彈性地基梁，可以采用整體等值梁法、分段等值梁法、有限元法或彈性法（“m 法”）等進(jìn)行計(jì)算，在工程中一般采用彈性法進(jìn)行計(jì)算，關(guān)于彈性法的計(jì)算公式如式（1）所示[7-9]：

式（1）中：K表示土體的彈簧剛度，（kN/m4）；b表示各土層的厚度，（m）；l表示基礎(chǔ)的計(jì)算寬度，（m）；m表示地基土的比例系數(shù)；s表示各個(gè)土層的中點(diǎn)到地面的距離，（m）。

在基坑以下的支點(diǎn)土體作用可以采用彈簧來進(jìn)行等效，這些彈簧的剛度可以按照上述式（1）進(jìn)行計(jì)算，而支撐或錨桿的作用則可以用具體的具有剛性系數(shù)的彈簧來代替。

2 雙排鋼管樁有限元分析

2.1 工程概況

某工程為某市中心的城市隧道，為保持隧道的淺埋暗挖，對(duì)其增加豎井，用于暗挖段施工機(jī)械的進(jìn)出及隧道土方的開挖，豎井的內(nèi)徑南北長度為35m，東西長度為11m，深度為19.5m，在豎井的東側(cè)是人行道及宿舍樓，西側(cè)為主路地面，地下埋有污水管、供熱管及電信綜合管線等，該隧道的右線距離豎井基坑最近的距離為5m，隧道頂距離地面的高度為10m。隧道所處的地質(zhì)情況包括填土、黃土、粉質(zhì)黏土、黏土及風(fēng)化石灰?guī)r，關(guān)于具體的土層參數(shù)見表1。

表1 隧道的土層參數(shù)表

2.2 有限元模擬的建立

采用MIDAS/GTS 巖體有限元分析軟件建立模型進(jìn)行模擬計(jì)算，該軟件相較于ANSYS、ABAQUS 等有限元軟件，能更好地對(duì)土體及巖石的材料屬性定義，并且具有更為全面的本構(gòu)模型，關(guān)于MIDAS/GTS 軟件中常見的本構(gòu)模型主要有以下幾種（見表2）。

表2 MIDAS/GTS 本構(gòu)模型關(guān)系表

在此次淺埋暗挖隧道豎井基坑的支護(hù)形式為雙排鋼管樁子再結(jié)合基坑的內(nèi)支撐，在模型中的土層按實(shí)際情況進(jìn)行輸入，待模型建立完成，實(shí)體幾何進(jìn)行布爾運(yùn)算，接著對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終的三維模型見圖1 所示[10]。

圖1 有限元模型

2.3 有限元結(jié)果分析

2.3.1 樁身的水平位移結(jié)果分析

該工程設(shè)置的是雙排的鋼管樁，因此其支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體剛度相對(duì)來說會(huì)更加穩(wěn)定，根據(jù)有限元模擬的結(jié)果中樁的應(yīng)力云圖對(duì)樁身的水平位移進(jìn)行匯總，具體結(jié)果見表3。

表3 鋼管樁的水平位移結(jié)果表

由表3 中可見，雙排鋼管樁中，在相同的樁深，相同的開挖深度下，后排鋼管樁的水平位移值比前排的水平位移值小，主要是因?yàn)殡p排鋼管樁尋找樁土接觸作用，使得前排鋼管樁所受土壓力較大，起到主要的支擋作用，而后排樁所受的土壓力較小，使得后排鋼管樁的水平位移值較小。

2.4 不同參數(shù)對(duì)雙排鋼管樁的影響

2.4.1 不同的樁間距影響分析

從上述內(nèi)容可知，在雙排鋼管樁中，前排的鋼管樁是主要的受力構(gòu)件，然而對(duì)于樁基而言，樁與樁之間的樁間距將會(huì)影響整體的剛度穩(wěn)定性，為此對(duì)前排的鋼管樁分別設(shè)置不同的鋼管樁樁間距進(jìn)行研究，在上述模型的基礎(chǔ)上分別設(shè)置樁間距為3d、4d 及5d（d為鋼管樁的直徑）三種情況進(jìn)行對(duì)比研究，通過模型模擬得到相應(yīng)的樁身水平位移值，具體見表4。

表4 不同樁間距的樁身水平位移值

從表4 可以看出，在一定的開挖深度下，在相同的樁間距情況下隨著樁身的長度增加其水平位移值逐漸減小；對(duì)比在相同的樁深情況下，隨著樁間距的增大，水平位移值逐漸增大，因此，對(duì)于雙排鋼管樁其樁間距不宜過大。根據(jù)此次的模擬結(jié)果表明，樁間距的間距應(yīng)當(dāng)為3d 時(shí)效果最佳。

2.4.2 不同壁厚的影響分析

對(duì)于雙排鋼管樁，當(dāng)壁厚與樁徑達(dá)到最佳比例時(shí)，不僅可以節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本，還能最大程度地發(fā)揮鋼管樁的支護(hù)作用，本文為對(duì)鋼管樁壁厚進(jìn)行分析，對(duì)前排的鋼管樁分別設(shè)置不同的鋼管樁壁厚進(jìn)行研究，在上述模型的基礎(chǔ)上分別設(shè)置壁厚為4mm、8mm、12mm 及20mm 四種情況進(jìn)行對(duì)比研究，通過模型模擬得到相應(yīng)的樁身水平位移值，具體的見表5。

表5 不同樁間距的樁身水平位移值

從表5 中可以看出，在一定的開挖深度下，在相同的壁厚情況下，隨著樁身的長度增加其水平位移值逐漸減小；對(duì)比在相同的樁深情況下，不同壁厚之間的樁水平位移值隨著壁厚的增大而增大，但變化的值不大，說明鋼管樁的壁厚對(duì)樁身水平位移的影響不大。因此，在考慮一定的經(jīng)濟(jì)要求后，對(duì)于樁的壁厚區(qū)可取4～6mm。

3 結(jié)語

綜上所述，文章通過對(duì)雙排鋼管樁進(jìn)行理論分析并計(jì)算，并基于實(shí)際的工程案例借助有限元軟件MIDAS/GTS 建立相應(yīng)的三維模型，對(duì)其在不同樁間距、不同壁厚情況下對(duì)隧道的支護(hù)效果進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：在雙排鋼管樁中前排樁對(duì)基坑的支護(hù)起主要作用，并且發(fā)現(xiàn)隨著樁間距的增加，樁身的水平位移將隨之增大，當(dāng)樁間距為3d（d 為樁直徑）時(shí)支護(hù)效果較佳；對(duì)于樁的壁厚對(duì)樁身的水平位移影響較小，樁的壁厚區(qū)可取4～6mm。