巢湖軟土基坑雙排樁支護(hù)有限元分析

傅勤安， 鐘 炎

（安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022）

0 引 言

雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)是一種新型的支護(hù)結(jié)構(gòu)，它是由兩排平行的鋼筋混凝土樁以及在樁頂?shù)膲喉斄汉吐?lián)系梁形成的空間門架式圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系［1］。雙排樁利用了“空間效應(yīng)”，與普通排樁結(jié)構(gòu)相比，它具有較大的側(cè)向剛度，可以有效地限制支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形；其支護(hù)深度較深，還有施工方便、不用設(shè)置支撐、整體穩(wěn)定性好以及節(jié)約造價(jià)等優(yōu)點(diǎn)，因而逐漸成為深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)選方案之一，尤其在軟土地區(qū)得到更為廣泛的應(yīng)用。為了掌握雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形特性，主要采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬等方法進(jìn)行研究。聶慶科等［2］根據(jù)實(shí)測(cè)資料對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)上的截面彎矩、變形和土壓力分布進(jìn)行研究；應(yīng)宏偉等［3］總結(jié)了目前彈性土抗力法的雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的常用計(jì)算模型，對(duì)比這些模型與實(shí)測(cè)值的差異，提出較為合理的模型；申永江等［4］對(duì)比了錨索雙排樁與鋼架雙排樁的內(nèi)力分布，得出鋼架雙排樁能夠更好的發(fā)揮抗滑效果。本文結(jié)合巢湖地區(qū)的工程地質(zhì)特點(diǎn)，采用懸臂式雙排樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)某基坑采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行研究，為巢湖軟土雙排樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 數(shù)值計(jì)算模型和土體參數(shù)

1.1 計(jì)算模型建立

根據(jù)巢湖地區(qū)巖土工程勘察報(bào)告，將基坑土體簡(jiǎn)化為層，分別為：粉質(zhì)黏土，厚1.0m；淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，厚10.0m；粉質(zhì)黏土，厚4.0m；碎石土，厚10.0m；最下一層是強(qiáng)風(fēng)化砂巖。其中淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土對(duì)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)影響最大。該基坑開(kāi)挖深度為7m，寬度為30m，場(chǎng)地周圍比較開(kāi)闊，綜合分析多種因素，決定采用雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

為了掌握雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)最大彎矩，基坑最大側(cè)移變形，基坑地表最大沉降等主要性能指標(biāo)，有限元數(shù)值模擬是常用的分析方法。根據(jù)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本理論和基坑的空間特性，決定采用有限元分析平面應(yīng)變模型進(jìn)行研究，如圖1所示。有限元模型的計(jì)算域?yàn)?5m×35m，考慮模型四周與相鄰?fù)馏w間有一定的相互約束，模型的邊界條件如下：沿著x軸方向的下邊界為固定約束；沿著y軸方向的左右兩邊界為水平約束。

雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)前后排樁等長(zhǎng)。樁長(zhǎng)，排樁間距為2.0m，排距為3.0m；樁的直徑為0.8m，彈性模量E0＝3×104MPa，泊松比υ＝0.2。聯(lián)系梁的直徑為0.8m，間距為2.0m，彈性模量為E0＝3×104MPa。

雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)有限元模型網(wǎng)格劃分如圖2所示，土體采用15節(jié)點(diǎn)三角形單元，雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)采用梁線單元。

圖1 雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)

圖2 有限元網(wǎng)格

1.2 土的本構(gòu)模型

土體本構(gòu)模型采用HS彈塑性模型，該模型是等向硬化彈塑性模型。HS模型適合多種土類（軟土和較硬土層）的破壞和變形行為的模擬，適合于巖土工程中基坑開(kāi)挖的模擬［5－6］。

HS模型在進(jìn)行模擬時(shí)主要需要用到如下參數(shù)：黏聚力，內(nèi)摩擦角，剪脹角，泊松比，三軸排水試驗(yàn)的參考割線強(qiáng)度，固結(jié)實(shí)驗(yàn)的參考切線強(qiáng)度，卸荷再加載模量以及剛度應(yīng)力水平相關(guān)冪指數(shù)。其中黏聚力，內(nèi)摩擦角，泊松比這些參數(shù)對(duì)于大多數(shù)巖土工程師來(lái)說(shuō)都是熟悉的，一般在巖土工程勘察報(bào)告中提供。剪脹角在無(wú)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)可以采用來(lái)選取，剛度應(yīng)力水平相關(guān)冪指數(shù)的取值在之間，土質(zhì)越軟，越接近。三軸排水試驗(yàn)的參考割線強(qiáng)度，固結(jié)實(shí)驗(yàn)的參考切線強(qiáng)度，卸荷再加載模量的選取可按壓縮模量按一定比例進(jìn)行換算［7］。土的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土體計(jì)算參數(shù)

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

在基坑工程開(kāi)挖數(shù)值模擬中，按照施工工序以及簡(jiǎn)化計(jì)算模型的需要，將整個(gè)模擬計(jì)算過(guò)程分為兩個(gè)階段。第一階段：計(jì)算開(kāi)挖前的初始地應(yīng)力；第一階段：分2步開(kāi)挖，開(kāi)挖深度為4m和3m。

圖3和圖4分別表示前后排樁的側(cè)向變形和彎矩圖。由圖3可知，雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移發(fā)生在樁頂部位，并且前后排樁的側(cè)向位移相差很小。最大水平位移大致為122mm。由圖4可知，前后排樁的彎矩相差很大。前后排樁樁身受到交變應(yīng)力，有一個(gè)反彎點(diǎn)，前排樁的反彎點(diǎn)大致在基坑開(kāi)挖面以下1.5m處，后排樁的反彎點(diǎn)大致在基坑開(kāi)挖面處；前排樁的最大負(fù)彎矩發(fā)生在樁頂下4m處，大致為270KN·m。后排樁發(fā)生在樁頂處，大致為305KN·m；前后排樁的最大正彎矩發(fā)生位置大致相同，大致在基坑開(kāi)挖面以下5m處，大致分別為310KN·m和198KN·m。可見(jiàn)本例條件下前排樁要比后排樁承受更多的土壓力，其彎矩整體上大于后排樁。這與文獻(xiàn)［2］、［3］中的結(jié)論大致吻合，本文有限元模型的建立和參數(shù)的選取能夠較好地模擬基坑雙排樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)性狀。

圖3 前排樁和后排樁的側(cè)向變形

圖4 前排樁和后排樁的彎矩

圖5和圖6分別表示豎向位移矢量圖和豎向位移云圖，從圖中可以看出雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大豎向位移大致發(fā)生在坑壁處為89mm，坑后的地表沉降大致成三角形分布，即在坑壁處地表沉降達(dá)到最大值，隨著距離基坑越遠(yuǎn)，沉降量逐間減小。

圖5 豎向位移矢量圖

圖6 豎向位移云圖

3 結(jié) 論

本文通過(guò)有限元法模擬了雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，在合理選擇土的本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，取得比較令人滿意的結(jié)果?？梢缘贸鲭p排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)前后排樁最大正負(fù)彎矩、基坑最大側(cè)移變形和基坑地表最大沉降的位置、大小和分別變化規(guī)律，為巢湖軟土基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供了參考依據(jù)。

1 龔曉南.深基坑工程設(shè)計(jì)施工手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1998.

2 聶慶科，胡建敏，吳 剛.深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)上的變形和土壓力研究［J］.巖土力學(xué)，2008，29（11）：3089－3094.

3 應(yīng)宏偉，初振環(huán).深基坑帶撐雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)有限元分析［J］.巖土力學(xué)，2007，28（6）：1145－1150.

4 申永江，孫紅月，尚月全，等.錨索雙排樁與鋼架雙排樁的對(duì)比研究［J］.巖土力學(xué)，2011，32（6）：1838－1842.

5 徐中華，王衛(wèi)東.敏感環(huán)境下基坑數(shù)值分析中土的本構(gòu)模型的選擇［J］.巖土力學(xué)，2010，31（1）：258－264.

6 DRUCKER D C，PRAGER W.Soil mechanics and plastic analysis in limit design［J］.Quarterly of Applied Mathematics，1952，10（2）：157－165.

7 王衛(wèi)東，王浩然，徐中華.基坑開(kāi)挖數(shù)值分析中土體硬化模型參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2012，33（8）：2283－2290.