基于數(shù)值模擬的排樁支護(hù)基坑受力模擬研究

金武凱

(溫州市水利建設(shè)管理中心,浙江 溫州 325000)

1 概 述

目前,基坑工程在城市中應(yīng)用廣泛。對(duì)此,許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。楊上清[1]對(duì)雙排樁的圍護(hù)方案進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,不同的樁長(zhǎng)條件下,基坑的位移不同。程演[2]以湖南省某基坑為例,開展了雙排樁基坑支護(hù)研究,結(jié)果表明,冠梁剛度可以較大程度地減小基坑位移。楊超等[3]對(duì)基坑的支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,逆作法可有效減小基坑周圍土體變形。馬雪兵等[4]利用有限元數(shù)值軟件,對(duì)雙排樁支護(hù)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,傾斜雙排樁組合結(jié)構(gòu)能夠有效達(dá)到支護(hù)的目的。賴國(guó)梁等[5]提出了前斜后直的支護(hù)和計(jì)算方法,結(jié)果表明,不同基坑深度、支護(hù)方式選擇的排樁傾斜度不一樣。祁孜威等[6]對(duì)衡重式雙排樁支護(hù)基坑進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,衡重式雙排樁支護(hù)適用于填海區(qū)超大基坑開挖。宣鋒[7]對(duì)雙排樁支護(hù)在軟土基坑中的應(yīng)用進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,雙排樁在軟土基坑中的長(zhǎng)度應(yīng)適當(dāng)增加,以使基坑有足夠的安全儲(chǔ)備。曾茂青[8]對(duì)斜撐支護(hù)下基坑的開挖方案進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,雙排樁、一道鋼管斜撐和一道錨桿的支護(hù)方案最利于基坑的穩(wěn)定,造價(jià)方面也最優(yōu)。高小平等[9]對(duì)斜撐支護(hù)基坑進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,兩道鋼管支撐支護(hù)基坑更利于基坑的穩(wěn)定性。

上述研究均未涉及雙排樁支護(hù)作用下,基坑的整體位移和雙排樁的受力。因此,本文結(jié)合某實(shí)際基坑工程,利用MIDAS/GTS數(shù)值模擬軟件,對(duì)基坑開挖的全過程進(jìn)行還原,并對(duì)基坑的位移、雙排樁的受力進(jìn)行研究。

2 工程概況

該基坑位于浙江省溫州市,基坑區(qū)域巖土體由上至下主要由風(fēng)化土、風(fēng)化巖和軟巖組成,巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。開挖區(qū)域長(zhǎng)×寬×高為110m×90m×30m,基坑區(qū)域長(zhǎng)×寬×高為50m×45m×10m,基坑分5次開挖,每次開挖2m。見圖1。

圖1 雙洞連拱隧道實(shí)體圖

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模擬

3.1 基坑開挖后位移

數(shù)值模擬計(jì)算完成后,基坑的位移見圖2。

圖2 基坑開挖后巖土體位移(單位:mm)

由圖2(a)可知,基坑開挖后的豎向位移主要集中于坑底處,方向豎直向下,最大位移4.1mm,遠(yuǎn)小于基坑要求的20mm,表明基坑開挖從豎向位移的角度滿足工程要求。同時(shí),地面處的豎向位移最大不超過3mm,不會(huì)對(duì)周圍建筑物的位移造成安全隱患。

由圖2(b)可知,基坑開挖后的整體位移主要集中于坑底處,最大位移4.4mm,遠(yuǎn)小于基坑要求的20mm,表明基坑開挖從總體位移方向滿足工程要求。同時(shí),地面處的整體位移最大不超過3mm,不會(huì)對(duì)周圍建筑物的位移造成安全隱患。

由圖2可知,基坑開挖完成后的豎向位移和整體位移均控制在合理范圍內(nèi),地面的位移可忽略不計(jì),均不會(huì)對(duì)周圍結(jié)構(gòu)物造成不良的影響。因此,可認(rèn)為基坑開挖從位移的角度上滿足工程要求。

3.2 排樁受力

排樁的受力分析見圖3。

圖3 排樁的受力和彎矩

由圖3(a)可知,前排樁所受的軸力最大為415kN,超過300kN的排樁區(qū)域約占整個(gè)排樁的24%,該受力遠(yuǎn)小于排樁的極限受力800kN,一定程度上表明排樁的剛度滿足工程要求。另外,也表明可適當(dāng)降低排樁的剛度,以達(dá)到節(jié)約工程造價(jià)的目的。排樁受力較大處主要集中于排樁下部,從受力角度分析可知,可適當(dāng)增加排樁下部的剛度,減小排樁上部的剛度。

由圖3(b)可知,后排樁所受的軸力最大為443kN,超過300kN的排樁區(qū)域約占整個(gè)排樁的37%,同樣該受力遠(yuǎn)小于排樁的極限受力800kN,一定程度上表明排樁的剛度滿足工程要求。另外,也表明可適當(dāng)降低排樁的剛度,以達(dá)到節(jié)約工程造價(jià)的目的。排樁受力較大處主要集中于排樁下部,從受力角度分析可知,可適當(dāng)增加排樁下部的剛度,減小排樁上部的剛度。

由圖3(c)可知,前排樁所受的彎矩最大為62.5kN·m,超過30kN·m的排樁區(qū)域約占整個(gè)排樁的4.3%,絕大多數(shù)排樁的彎矩不超過10.2kN·m,一定程度上表明排樁的剛度滿足工程要求。同時(shí),也表明前排樁所受的彎矩值較小,可將重點(diǎn)集中于排樁的軸力而非彎矩。

由圖3可知,后排樁所受軸力普遍大于前排樁,樁底所受軸力普遍大于樁頂,但所受軸力遠(yuǎn)小于排樁的極限軸力。一定程度上可適當(dāng)降低前排樁的剛度,或者降低排樁上部的剛度,以達(dá)到節(jié)約造價(jià)的目的。另外,排樁所受彎矩值較小,或者基本上不受彎矩,表明排樁設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于軸力而非彎矩。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合數(shù)值模擬,對(duì)排樁基坑從基坑位移、排樁所受軸力和彎矩進(jìn)行了系統(tǒng)研究,結(jié)論如下:

1)基坑的豎向位移和整體位移最大分別為4.1和4.4mm,均不超過基坑規(guī)范要求的20mm,從位移的角度分析,可認(rèn)為基坑開挖滿足工程要求。

2)前排樁和后排樁所受的最大軸力分別為415和443kN,遠(yuǎn)小于材料的極限受力,排樁下部所受軸力小于排樁上部。因此,可適當(dāng)降低前排樁的剛度或排樁上部的剛度,以達(dá)到節(jié)省工程造價(jià)的目的。

3)排樁所受的彎矩較小,絕大部分排樁所受彎矩值不超過10.2kN·m,因此排樁設(shè)計(jì)可重點(diǎn)考慮排樁的軸力。