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      深基坑開挖雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

      2020-01-07 03:58:24堅(jiān)
      福建交通科技 2019年6期
      關(guān)鍵詞:后排彎矩受力

      劉 堅(jiān)

      (山西省交通新技術(shù)發(fā)展有限公司,太原 030032)

      0 引言

      隨著我國(guó)對(duì)鐵路、隧道、橋梁以及城市建筑等級(jí)要求不斷提升,深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)顯得尤為重要[1]。 雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)因具有良好的空間結(jié)構(gòu)性、 整體剛度大和抗彎性強(qiáng)等特點(diǎn),逐漸在基坑支護(hù)工程中得到廣泛應(yīng)用[2]。 由于雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)還存在許多設(shè)計(jì)不合理、 以及安全性和經(jīng)濟(jì)性不協(xié)調(diào)的缺陷, 導(dǎo)致許多基坑支護(hù)效果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,因此如何進(jìn)一步優(yōu)化雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu),使之達(dá)到工程設(shè)計(jì)要求是當(dāng)下學(xué)者亟需解決的重要課題[3]。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)展開了大量研究[4],如王成[5]關(guān)于城市交通隧道深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算展開研究,在“分配模型”、“相互作用模型”等兩種情況下,采用荷載結(jié)構(gòu)法分別對(duì)雙排樁進(jìn)行計(jì)算,得出"相互作用模型"計(jì)算結(jié)果更為合理,對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算具有一定的指導(dǎo)意義。馬文龍[6]關(guān)于鄰近營(yíng)業(yè)線鐵路橋墩深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究,依據(jù)工程實(shí)例,對(duì)鄰近營(yíng)業(yè)線鐵路橋墩鋼板樁、鉆孔樁、雙排樁三種類型的基坑進(jìn)行設(shè)計(jì)方案探討, 并利用有限元工具對(duì)每個(gè)方案進(jìn)行建模和結(jié)構(gòu)分析,通過比較各方案的優(yōu)勢(shì)劣勢(shì),給出了推薦的方案,從而為今后同類型工程情況提供了可參考的資料。董必昌等[7]關(guān)于雙向地震作用下的雙排樁邊坡參數(shù)敏感性展開分析,以門式雙排抗滑樁為例,采用有限元軟件Ansys 建立仿真模型,通過改變模型中樁長(zhǎng)、樁排距、樁間距,以及土的抗剪強(qiáng)度參數(shù),對(duì)門式雙排樁邊坡在雙向地震波作用下的受力性狀進(jìn)行了研究。 上述研究主要從雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算、 設(shè)計(jì)方案以及設(shè)計(jì)參數(shù)等方面展開對(duì)比分析, 而關(guān)于雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究相對(duì)較少,基于此,本文以某基坑工程為研究背景,通過對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析及優(yōu)化設(shè)計(jì), 以設(shè)計(jì)值為參照, 對(duì)比分析了優(yōu)化前后雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及受力情況,驗(yàn)證了該優(yōu)化設(shè)計(jì)的顯著效果[8]。

      1 工程概況

      1.1 基坑結(jié)構(gòu)

      以某深基坑工程為例, 該基坑開挖總面積約為31053m2,有效開挖深度在5.2m~9.4m 范圍,基坑處于平原地帶,地形相對(duì)平坦,地面最大標(biāo)高為27.82m,最小標(biāo)高26.24m,相對(duì)高度差為1.58m。 基坑外圍東側(cè)和北側(cè)均為城市主干道公路,西南側(cè)為1~6 層的安置區(qū)低樓。該項(xiàng)目規(guī)劃為高檔住宅區(qū),建筑面積約為13620m2,基坑西南角為高層區(qū),設(shè)計(jì)開挖深度為9.4m,建筑高度約100m,地下設(shè)有兩層地下室,安全等級(jí)為Ⅰ級(jí),東南角為低層區(qū)別墅樓,開挖深度為5.2m,基坑北向?yàn)閺V場(chǎng)區(qū),地下設(shè)有一層停車場(chǎng),安全等級(jí)為Ⅱ級(jí),基坑設(shè)計(jì)平面布置如圖1 所示。 根據(jù)勘測(cè)結(jié)果顯示, 該基坑地質(zhì)組成由上而下依次為:素填土、黏土、粉質(zhì)土、砂質(zhì)土、碎石土及強(qiáng)風(fēng)化板巖,地下水補(bǔ)給方式以大氣降水和地表徑流為主, 排泄通過自然蒸發(fā)和側(cè)向滲流的方式, 該地地下水位和降水量均隨季節(jié)交替而變化,平均變幅為1.5m。

      圖1 基坑設(shè)計(jì)平面布置圖

      表1 土體物理參數(shù)

      1.2 支護(hù)設(shè)計(jì)

      該基坑設(shè)計(jì)安全等級(jí)為Ⅰ級(jí),對(duì)變形控制要求嚴(yán)格,支護(hù)形式可選擇樁+內(nèi)支撐和樁錨支護(hù)兩種要求較高的方案,但受地理?xiàng)l件限制,基坑邊界距離周邊環(huán)境較近,無(wú)法保證樁錨支護(hù)方案正常施工。 由于基坑設(shè)計(jì)分為高層和地層兩大區(qū)域,若單一采用樁+內(nèi)支撐方案,雖然有效的控制了基坑變形,卻增加了工程造價(jià)和施工周期。雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)是一種新型支護(hù)形式,側(cè)向剛度大,可以有效控制變形,雙排樁間距可以根據(jù)施工環(huán)境靈活安排,減少對(duì)周邊建筑和道路的影響。綜合考慮,設(shè)計(jì)對(duì)高層區(qū)邊角區(qū)域采用樁+內(nèi)支撐方案,與低層區(qū)交接區(qū)域采用雙排樁支護(hù)方案, 以保證高低層連接區(qū)域支護(hù)形式的合理分配。 樁+內(nèi)支撐采用樁徑為1000mm 的鉆孔灌注樁,間距為1.4m,樁長(zhǎng)為16m,角支撐間距為6.5m。 雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)前排樁采用樁徑為800mm 的鉆孔灌注樁, 間距為1.1m,后排樁樁徑為800mm,間距為2.2m,樁長(zhǎng)為16m,排間距為3.5m,連梁采用1000×800mm 鋼筋混凝土,上部均設(shè)置1m 厚擋墻。 雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)截面如圖2 所示。

      2 建模與分析

      2.1 有限元模型

      為研究該支護(hù)設(shè)計(jì)對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力的影響,通過運(yùn)用有限元軟件MIDAS/GTS 分別建立基坑土體及雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模型,模型中共包含3576 個(gè)單元,2843 個(gè)節(jié)點(diǎn),其中土體單元2042 個(gè),樁單元1534 個(gè),模型網(wǎng)格劃分如圖3 所示。

      圖2 雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

      圖3 土體及雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)模型

      模型中前、后排樁、連梁以及土體均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬,為防止支護(hù)結(jié)構(gòu)在模擬分析過程中發(fā)生過大變形,前、后排樁以及連梁均視為彈性材料,土體視為摩爾-庫(kù)侖彈塑性材料,支護(hù)樁與連梁之間采用連續(xù)單元,網(wǎng)格劃分靠近雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)區(qū)域比較緊密, 較遠(yuǎn)區(qū)域網(wǎng)格劃分較疏,以確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

      模型簡(jiǎn)化說明: 為分析設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)支護(hù)樁的位移和彎矩的影響,僅截取某段基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)展開分析;采用梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬樁的位移和彎矩變化; 不考慮地下水滲流以及擋墻的影響; 連梁視為受拉構(gòu)件, 根據(jù)面積折算為薄板;土體變形忽略不計(jì)。 邊界條件:對(duì)模型底部豎向位移及側(cè)向水平位移進(jìn)行約束,其他界面均為自由界面。支護(hù)樁、連梁結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2 所示。

      表2 土體物理參數(shù)

      2.2 結(jié)果分析

      運(yùn)用結(jié)構(gòu)分析軟件建立基坑某一斷面雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模型,模擬分析了該斷面前、后排樁水平位移以及彎矩值的變化規(guī)律, 并與雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)原設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較, 以確定采用該設(shè)計(jì)參數(shù)的雙排樁支護(hù)效果是否滿足相關(guān)規(guī)范要求,具體分析過程如下。

      (1)雙排樁水平位移設(shè)計(jì)值與模擬值變化曲線如圖4所示:

      圖4 雙排樁水平位移變化曲線

      根據(jù)圖4 可知, 雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)中前排樁水平位移模擬值與設(shè)計(jì)值相差較大,最大偏差發(fā)生在樁頂位置,偏差了約2.8mm,由樁頂向樁中位置移動(dòng),水平位移偏差值不斷減小,在樁中位置模擬值與設(shè)計(jì)值非常接近,由樁中向樁底移動(dòng)時(shí),水平位移偏差值逐漸增大,在樁底模擬值比設(shè)計(jì)值大了約2mm,說明該支護(hù)方案對(duì)前排樁樁頂和樁底的影響較大。 后排樁水平位移變化趨勢(shì)與前排樁大致相似,靠近樁頂和樁底水平位移偏差值較大,模擬值比設(shè)計(jì)值分別大了約4.6mm 和2.8mm, 后排樁水平位移偏差值均要大于前排樁, 說明該支護(hù)方案對(duì)后排樁變形的影響要大于前排樁。

      (2) 雙排樁彎矩設(shè)計(jì)值與模擬值變化曲線如圖5 所示:

      圖5 雙排樁彎矩變化曲線

      根據(jù)圖5 可知, 雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)中前排樁彎矩模擬值與設(shè)計(jì)值相差較大,最大偏差發(fā)生在樁中位置,由設(shè)計(jì)值的95.9kN·m 變成了模擬值的-71.3kN·m, 偏差約166kN·m,且受力方向也發(fā)生了變化。 由樁頂向樁長(zhǎng)13m移動(dòng)時(shí),彎矩的偏差值先增大后減小,在樁長(zhǎng)13m 位置模擬值與設(shè)計(jì)值非常接近,由樁長(zhǎng)13m 位置向樁底移動(dòng)時(shí), 彎矩偏差值逐漸增大, 在樁底模擬值比設(shè)計(jì)值大26.6kN·m, 說明該支護(hù)方案對(duì)前排樁上半段的彎矩影響較大。后排樁彎矩變化趨勢(shì)與前排樁大致相似,在樁中位置支護(hù)樁受力方向發(fā)生了變化, 但變化幅度要小于前排樁, 模擬值彎矩最大值出現(xiàn)在樁頂, 與設(shè)計(jì)值偏差約156.8kN·m,由樁頂向樁底移動(dòng)時(shí)后排樁彎矩模擬值與設(shè)計(jì)值的偏差值逐漸減小,在樁底位置基本重合,說明該支護(hù)方案對(duì)后排樁的受力影響較大。

      3 優(yōu)化設(shè)計(jì)與效果分析

      3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

      根據(jù)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)雙排樁按原設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行支護(hù)時(shí),前、后排樁的水平位移和彎矩值均與設(shè)計(jì)值發(fā)生較大偏離,不利于基坑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

      根據(jù)對(duì)周邊環(huán)境的勘測(cè), 高層區(qū)地下室南側(cè)距離公路最近距離為9.5m,東側(cè)鄰近低樓房屋群,且最近距離僅4.9m,若在高層區(qū)坑角60 左右區(qū)域直接采用樁+內(nèi)支撐支護(hù)形式,東南兩側(cè)內(nèi)支撐支護(hù)施工過程會(huì)比較困難,同時(shí)還會(huì)增加施工成本和施工工期, 對(duì)周邊環(huán)境的影響也會(huì)隨之增大,因此為提高施工質(zhì)量和施工效率,現(xiàn)針對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行以下優(yōu)化:1)將原設(shè)計(jì)的樁+內(nèi)支撐方案變更為雙排樁支護(hù);2)將原雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)中,前排樁樁徑由原設(shè)計(jì)的800mm 增至1000mm, 間距由1.1m 增至1.3m, 后排樁樁徑由800mm 增至1000mm, 間距由2.2m減至1.95m,樁長(zhǎng)由16m 增至18m,排間距由3.5m 增至4m,保持其他參數(shù)不變。

      3.2 效果分析

      優(yōu)化后對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析, 將優(yōu)化后的支護(hù)樁設(shè)計(jì)參數(shù)重新導(dǎo)入計(jì)算模型中, 土體和材料參數(shù)保持不變,并針對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)值、原方案以及優(yōu)化方案的前、后排樁水平位移及彎矩進(jìn)行對(duì)比分析,以確定采用優(yōu)化方案后雙排樁的支護(hù)效果是否得到提升,具體分析過程如下。

      (1)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)值、原方案及優(yōu)化方案水平位移變化曲線如圖6 所示:

      根據(jù)圖6 可知, 優(yōu)化后前排樁樁頂最大水平位移偏差值由原來(lái)的2.8mm 減小到了1.2mm, 樁頂最大變形減小了約57%,樁底最大水平位移偏差值由原來(lái)的2mm 減小到了0.8mm,樁底最大變形減小了約60%,說明優(yōu)化后前排樁水平變形得到了有效控制, 前排樁水平位移變化與設(shè)計(jì)值更為接近。 優(yōu)化后后排樁樁頂最大水平位移偏差值由原來(lái)的4.6mm 減小到了1.2mm, 樁頂最大變形減小了約74%, 樁底最大水平位移偏差值由原來(lái)的2.8mm減小到了1.6mm,樁底最大變形減小了約43%,后排樁水平位移變化趨勢(shì)與設(shè)計(jì)值更為接近, 說明該優(yōu)化方案可以有效減小雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平變形, 更驗(yàn)證了該優(yōu)化方案的優(yōu)良效果。

      (2)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)值、原方案及優(yōu)化方案彎矩變化曲線如圖7 所示:

      圖7 優(yōu)化后雙排樁彎矩移變化曲線

      根據(jù)圖7 可知, 優(yōu)化后前排樁樁中彎矩最大偏差值由原來(lái)的166kN·m 減小到101.6kN·m, 樁中最大受力減小約38.5%, 前排樁其他位置彎矩值均得到不同程度減小,受力情況相對(duì)與原方案更接近于設(shè)計(jì)值,說明該優(yōu)化方案有效減小前排樁彎矩值, 使得支護(hù)樁整體受力更為均勻。 優(yōu)化后后排樁樁頂彎矩最大偏差值由原來(lái)的156.8kN·m 減小到了61kN·m, 樁頂最大受力減小了約60%,后排樁其他位置彎矩值均得到不同程度減小,受力情況相對(duì)與原方案也更接近于設(shè)計(jì)值, 說明該優(yōu)化方案也有效減小前排樁彎矩值, 且對(duì)改善后排樁受力分布效果更為顯著。綜上所述可知,優(yōu)化后的支護(hù)樁設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)減小雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形及受力能夠起到顯著效果,更有利于維護(hù)基坑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

      4 結(jié)論

      本文通過對(duì)某基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析及優(yōu)化設(shè)計(jì),以設(shè)計(jì)值為參照,對(duì)比分析了優(yōu)化前后雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及受力情況,得到以下主要結(jié)論:優(yōu)化前雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及受力情況與設(shè)計(jì)值偏差較大,前、后排樁水平位移和彎矩值偏差較大; 優(yōu)化后雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及受力情況與設(shè)計(jì)值偏差顯著減小,前、后排樁最大水平變形分別減小了60%和74%, 最大彎矩值分別減小了38.5%和60%,有效控制了基坑結(jié)構(gòu)的變形,以及提升了支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的均勻程度, 更有利于保證基坑的整體穩(wěn)定性,表明該方案優(yōu)化效果優(yōu)良。

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