基坑后排樁傾斜的雙排樁受力與變形特征

王祖珍 ，董閣 ，汪東林

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.公路交通節(jié)能與環(huán)保技術(shù)及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088；3.安徽建筑大學(xué)，安徽 合肥 230601)

雙排樁具有側(cè)移剛度大、施工工期短、施工簡便、穩(wěn)定性強(qiáng)、節(jié)約造價等優(yōu)點，已在基坑支護(hù)工程中得到了廣泛應(yīng)用[1-6]。

目前，雙排樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算理論尚不完善，且常用的雙排樁均為前后排樁豎直分布的形狀。已有少數(shù)學(xué)者對前排樁傾斜的雙排樁進(jìn)行了研究，如徐源等[7]基于模型試驗對比分析不同傾角、不同排距及前后排樁不同布置形式時雙排樁的工作形狀，分析了前排樁傾斜的雙排樁的位移、內(nèi)力隨前排樁傾斜角度變化而變化的規(guī)律；王建[8]研究了前排樁不同傾斜角度時雙排樁的變形與受力規(guī)律，結(jié)果表明前排樁傾斜的雙排樁的樁頂水平位移小于常規(guī)雙排樁的樁頂水平位移；黃曉程等[9]針對武漢特定地區(qū)土層，利用有限元方法分析前排樁傾角、樁徑、樁長對支護(hù)效果影響，計算表明前樁傾斜雙排樁樁身最大彎矩均出現(xiàn)在后排樁，后排樁受彎明顯。這些研究促進(jìn)了人們對前排樁傾斜雙排樁受力特性的認(rèn)識。

但在實際工程中，可能無足夠的空間實現(xiàn)前排樁傾斜。如開挖深度為h=10.0mm、總樁長H=20.0mm的基坑(見圖1所示)，假設(shè)前排樁傾斜角度為β=6°，則可能存在下列問題：

①相比直立樁而言，基坑坑底處傾斜前排樁需多侵占空間 htanβ=10×tan6°=1.05m，導(dǎo)致基坑的周長變大、占地擴(kuò)大，顯然在城市空間緊湊的區(qū)域往往難以實現(xiàn)。

②相比直立樁而言，樁底處向基坑內(nèi)側(cè)傾斜 Htanβ=20×tan6°=2.10m，可能與擬建建筑物的樁基礎(chǔ)發(fā)生空間沖突。

圖1 前排樁傾斜占地示意圖

可見，傾斜前排樁的雙排樁應(yīng)用受到一定的空間限制。事實上，為了不擴(kuò)大基坑的空間，不妨采用后排樁傾斜的雙排樁方案?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中較少有關(guān)于后排樁傾斜的報道。

為此，本文基于有限元方法，對比分析了后排樁不同傾角對土體水平位移、前后排樁內(nèi)力的影響，以便深入了解該類雙排樁的特性，促進(jìn)其在工程實踐中的應(yīng)用。

1 有限元計算模型

現(xiàn)針對某一典型基坑工程中的雙排樁進(jìn)行分析。前排樁與后排樁的樁徑均為900mm，樁中心距1200mm。樁頂設(shè)置冠梁與橫梁，橫梁尺寸為800mm×800mm，前后排樁中心距3.0m。該工程采用的是豎直等長雙排樁，前后排抗滑樁長度均為16.5m，基坑開挖深度8.0m。為了分析后排樁傾斜雙排樁的基本特性，假定后排樁的傾角為β，現(xiàn)以該工程為依托建立計算模型，如圖2所示。

根據(jù)地勘報告，從上至下各土層可分為：①雜填土；②粉質(zhì)黏土；③粉土；④強(qiáng)風(fēng)化泥巖；⑤中風(fēng)化泥巖。采用Mohr-Coulomb模型對土體進(jìn)行模擬，土層的計算參數(shù)見下表。圖3給出了β=9°情況下的網(wǎng)格劃分情況。

圖2 后排樁傾斜的雙排樁示意圖

土層計算參數(shù)

圖3 有限元網(wǎng)格劃分

數(shù)值計算按平面應(yīng)變問題考慮，樁與橫梁等效為板單元，等效后前后排樁的軸向剛度EA=2.055E7kN/m、抗彎剛度EI=8.04E5kN·m2/m，連系梁的軸向剛度EA=2.09E7kN/m、抗彎剛度EI=8.54E5kN·m2/m。

挖方工程的計算步驟為：原土體自重應(yīng)力平衡、激活樁單元、分層開挖(凍結(jié)開挖面處的土體單元)至坑底標(biāo)高-8.00m處。

2 計算結(jié)果分析

通過對比計算，得到了前排樁直立、后排樁傾角 β 分別取值 0°、3°、6°、9°、12°情況下的土體變形與樁體內(nèi)力情況。

2.1 土體水平位移

基坑開挖至標(biāo)底后，坑壁土體水平位移最大值與后排樁傾角β之間的關(guān)系見圖4所示?？梢?，土體水平位移最大值隨著后排樁傾角β的增大呈線性減小的規(guī)律，后排樁傾角β每增加1°土體水平位移最大值減小約0.79mm。

圖4 后排樁傾角對土體水平位移最大值的影響

圖5 土體水平位移等值線分布圖(單位：mm)

圖5給出了基坑開挖后土體的水平位移等值線分布情況，水平位移方向指向開挖工作面。結(jié)果表明，β=1°時水平位移最大值的位置位于雙排樁頂部坑壁土體中，隨著后排樁傾角β的增大，土體水平位移最大值的位置逐漸下移，β=12°時土體水平位移最大值的位置位于坑底前排樁后方的土體中。

圖6 后排樁傾角變化對前排樁水平位移的影響

圖7 后排樁傾角變化對后排樁水平位移的影響

圖8 后排樁傾角變化對前排樁軸力的影響

不同傾角β取值情況下前排樁與后排樁的水平位移分布見圖6與圖7所示?？梢姡S著后排樁傾角β的增大，前排樁與后排樁的水平位移均發(fā)生明顯的減小，這與土體的變形規(guī)律是一致的。

2.2 樁體軸力

后排樁傾角β不同取值情況下前排樁與后排樁的軸力分布見圖7與圖8所示?？梢姡芭艠兜妮S力最大值基本位于坑底位置處，而后排樁軸力最大值位于樁頂。隨著后排樁傾角β的增大，前排樁軸力最大值略有減小，后排樁軸力最大值略有增加，但變化幅度均不大。

圖9 后排樁傾角變化對后排樁軸力的影響

圖10 后排樁傾角變化對前排樁剪力的影響

圖11 后排樁傾角變化對后排樁剪力的影響

2.3 樁體剪力

后排樁傾角不同取值情況下前排樁與后排樁的剪力分布見圖10與圖11所示?？梢姡芭艠兜募袅ψ畲笾滴挥诳拥谆驑俄斘恢锰?，而后排樁剪力最大值位于樁頂。隨著后排樁傾角的增大，前排樁樁頂處的剪力略有增大，而坑底以上后排樁的剪力略有減小，變化幅度均不大。

2.4 樁體彎矩

后排樁傾角β不同取值情況下前排樁與后排樁的彎矩分布見圖12與圖13所示?？梢姡芭艠兜膹澗刈畲笾祷疚挥?4.5m深度處，而后排樁的彎矩最大值位于樁頂處。β=0°時的前排樁與后排樁的彎矩絕對值最大值分別為480.4kN·m/m、598.6kN·m/m，β=12°時的前排樁與后排樁的彎矩絕對值最大值分別為 534.4kN·m/m、572.8kN·m/m。隨著后排樁傾角β的增大，前排樁彎矩最大值呈現(xiàn)增大、后排樁彎矩最大值呈現(xiàn)減小的趨勢。

圖12 后排樁傾角變化對前排樁彎矩的影響

圖13 后排樁傾角變化對后排樁彎矩的影響

圖14 后排樁傾角變化對連系梁軸力的影響

2.5 連系梁內(nèi)力

后排樁傾角β不同取值情況下連系梁的軸力、剪力與彎矩變化分別見圖14～圖16所示?？梢姡S著后排樁傾角β的增大，連系梁的軸力逐漸增大，連系梁的剪力逐漸減小，而連系梁的彎矩基本不變。通常連系梁的設(shè)計由彎矩控制，故后排樁傾角β的變化對連系梁基本無影響。

2.6 基坑穩(wěn)定性

基于強(qiáng)度折減有限元法[10]，對基坑開挖至底時的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得到土體滑裂面位置如圖17所示，后排樁不同傾角取β值對基坑安全系數(shù)的影響如圖18所示?？梢姡影踩禂?shù)隨著后排樁傾角β的增大逐漸增大，但后排樁傾角β取值對滑裂面位置的影響非常小。

圖15 后排樁傾角變化對連系梁剪力的影響

圖16 后排樁傾角變化對連系梁彎矩的影響

圖17 基坑失穩(wěn)破壞時的滑裂面位置

圖18 后排樁傾角變化對基坑安全系數(shù)的影響

3 結(jié)語

雙排樁中的前排樁向基坑一側(cè)發(fā)生傾斜時，需侵占一定的空間，且傾斜前排樁可能與后續(xù)建筑物的樁基礎(chǔ)發(fā)生空間沖突，若采用后排樁傾斜，則可避免該問題?；谟邢拊ǎ瑢Ρ瓤疾炝撕笈艠恫煌瑑A角對基坑變形與樁體內(nèi)力的影響，計算結(jié)果表明：前排樁、后排樁與土體的水平位移均隨著后排樁傾角的增大而明顯減?。浑S著后排樁傾角的增大，前排樁軸力最大值略有減小，后排樁軸力最大值略有增加，但變化幅度均不大；基坑安全系數(shù)隨著后排樁傾角的增大逐漸增大；后排樁傾角的變化對連系梁基本無影響。