非極限狀態(tài)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形情況分析

李云鳳

(合肥城市學(xué)院 土木工程系，安徽 合肥 238076)

通常情況下，土體結(jié)構(gòu)相關(guān)研究領(lǐng)域?qū)⑼馏w結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)定義為某個(gè)結(jié)構(gòu)到達(dá)結(jié)構(gòu)功能所能達(dá)到的最大值，也就是說，極限狀態(tài)是某個(gè)結(jié)構(gòu)使用時(shí)的極限限制狀態(tài);而非極限狀態(tài)則與極限狀態(tài)相反，是結(jié)構(gòu)未達(dá)到最大值的一種狀態(tài)[1]。非極限狀態(tài)主要出現(xiàn)在深基坑工程土體結(jié)構(gòu)之中，也被稱為非極限狀態(tài)土壓力。開挖深基坑時(shí)，受到整個(gè)地下土體分布結(jié)構(gòu)以及技術(shù)限制等多方因素影響，為保證深基坑挖掘穩(wěn)定性，通常會在邊坡之中搭建支護(hù)結(jié)構(gòu)，對邊坡發(fā)揮保護(hù)作用。但是由于各種復(fù)雜因素影響，支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)常發(fā)生變形、支護(hù)效果不佳等多種情況[2-4]。

深基坑工程特點(diǎn)包括多個(gè)方面：① 通常深基坑所使用的支護(hù)結(jié)構(gòu)只發(fā)揮臨支護(hù)作用，待深基坑挖掘工程結(jié)束以后，都會將支護(hù)結(jié)構(gòu)拆除，這就導(dǎo)致工人在搭建支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)忽略安全作用，只關(guān)注工程進(jìn)度與施工成本[5]；② 深基坑工程是對地下空間進(jìn)行挖掘，受到地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水文條件等多個(gè)因素影響，所以設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)還需要綜合考慮地質(zhì)情況，不能統(tǒng)一使用一種形式[6]；③ 由于深基坑工程所面臨的未知因素較多，所以急需一種準(zhǔn)確的計(jì)算方式，或者整個(gè)深基坑工程以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的相關(guān)數(shù)據(jù)[7]。針對深基坑施工中存在的以上問題，陳尚榮等學(xué)者提出針對軟土區(qū)域的雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)變形相關(guān)研究，該研究主要針對軟土這一特殊地形情況，分析支護(hù)結(jié)構(gòu)在這一特殊工況下發(fā)生變形的諸多影響因素，盡管該研究成果已經(jīng)足夠充分，但是并未考慮土體壓力對于支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，因此還需要進(jìn)一步深入研究[8]；俞曉等提出針對空間效應(yīng)問題的支護(hù)結(jié)構(gòu)變形研究，該研究成果綜合考慮地下深基坑的空間結(jié)構(gòu)，深入分析支護(hù)結(jié)構(gòu)所受到的變形影響，由此獲得較為可靠的研究數(shù)據(jù)，具有一定參考價(jià)值[9]。

針對非極限狀態(tài)下土體壓力對于雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的影響，從多個(gè)方面分析影響支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生內(nèi)力變形的主要因素，為今后雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與布置提供新的方向與思路，進(jìn)一步提升支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性，確保支護(hù)結(jié)構(gòu)最大程度發(fā)揮作用，同時(shí)降低工程成本，最大程度發(fā)揮支護(hù)結(jié)構(gòu)的積極作用。

1 模型構(gòu)建及試驗(yàn)方法選擇

1.1 研究區(qū)域概況

以某市中心高層建筑地下深基坑工程為例，該工程靠近水源，整體地形較為平坦，最高與最低地面標(biāo)高分別為27.91 m與26.53 m。整個(gè)區(qū)域均為沖積扇平原，地下巖層與土層復(fù)雜度較低，計(jì)劃建一座高層商業(yè)綜合樓，地下深度約為2層，開挖范圍在59.66 m×204.65 m左右，根據(jù)開發(fā)商建筑需求以及地形地貌勘探結(jié)果，初步計(jì)劃地下開挖深度為12 m上下。

該區(qū)域包含多種土層與巖層，本文研究過程中只介紹其中較具有代表性的土層：①雜土層：主要為施工現(xiàn)場建筑殘留土質(zhì)，松散性較高，處于土體表層；②層粉土，主要為褐色或者黃褐色土，濕度強(qiáng)但是光澤度差，約分布于地下1.5 m處；③粉質(zhì)粘土：灰色，干強(qiáng)度與韌性都屬于中等水平，光澤度適中，間雜植物腐根與貝殼及鐵質(zhì)雜質(zhì)，分布在地下3～10 m左右；④風(fēng)化巖：灰綠色巖石結(jié)構(gòu)，包含風(fēng)化狀態(tài)的碎石塊與礦物質(zhì)成分，伴隨球狀風(fēng)化體，分布在地下11～12 m位置。

1.2 非極限狀態(tài)土壓力作用功計(jì)算

為獲得非極限狀態(tài)土壓力所作功，使用似指數(shù)函數(shù)計(jì)算模型開展計(jì)算，獲得非極限狀態(tài)土壓力對于支護(hù)結(jié)構(gòu)所做功，通常情況下主動土壓力與被動土壓力共同作功產(chǎn)生的勢能，會對支護(hù)結(jié)構(gòu)造成內(nèi)力變形影響[10]。

使用式(1)計(jì)算主動土壓力做功Wa，即

(1)

被動土壓力作功Wp同樣使用似指數(shù)函數(shù)模型計(jì)算獲得，具體如式(2)，即

(2)

式中:a2是影響被動土是否接近極限狀態(tài)的參數(shù)，為方便本文研究，取值為1；D用于描述下埋深度；c′是依據(jù)土層厚度加權(quán)后的有效粘聚力平均值；h表示開挖深度。雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)所受到的非極限狀態(tài)土壓力勢能Π為

Π=Wa+Wp，

(3)

1.3 模型構(gòu)建

使用PLAXIS有限元軟件構(gòu)建有限元模型，模型中前后排樁的直徑均為1 m，連接梁的尺寸為80 cm×140 cm，模型中雙排樁的尺寸：長×寬×高為14 m×3 m×4 m。深基坑也需要構(gòu)建有限元模型，以便在軟件中模擬不同工況驗(yàn)證受到非極限土壓力影響時(shí)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變形情況。在PLAXIS有限元軟件中模擬深基坑結(jié)構(gòu)，深基坑深度暫定為15 m，深基坑構(gòu)建時(shí)利用20節(jié)點(diǎn)三角形單元，每個(gè)單元包含4階位移插值，通過15個(gè)高斯點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)值積分。深基坑中的細(xì)長土體結(jié)構(gòu)使用軟件中的“板”模塊實(shí)現(xiàn)模擬，該模塊主要由“梁”單元實(shí)現(xiàn)模擬[11-12]。網(wǎng)格劃分時(shí)需要依據(jù)深基坑中土體的應(yīng)力區(qū)域，整體劃分時(shí)使用全區(qū)域疏松模式，針對土體應(yīng)力較大區(qū)域劃分網(wǎng)格時(shí)使用局部加密法，調(diào)整網(wǎng)格范圍實(shí)現(xiàn)精密網(wǎng)格構(gòu)建。雙排樁以及深基坑邊坡的有限元結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(a)雙排樁

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 不同樁端彈簧剛度差異下雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形試驗(yàn)

在有限元模擬軟件中，雙排樁的前排樁與后排樁位置上分別布置1個(gè)豎向彈簧，通過規(guī)范計(jì)算模型雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形情況，試驗(yàn)過程中還需要對支護(hù)結(jié)構(gòu)樁端豎向位移的影響加以考慮。實(shí)際情況下，樁側(cè)摩阻力與樁端阻力共同組成樁體的豎向承載力，伴隨著開挖深度的增加，樁體軸力發(fā)生顯著變化[13]。實(shí)際計(jì)算時(shí)通過軸力與樁端沉降之間的關(guān)系描述樁端豎向彈簧剛度值，為了確定雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)受到樁端彈簧剛度影響，該部分試驗(yàn)中，豎向彈性剛度取值分別為1.5×104、1.5×105、1.5×106、1.5×107kN/m 4種。

1.4.2 樁間距差異下雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形試驗(yàn)

各類深基坑工程以及邊坡支護(hù)工程經(jīng)常選擇雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，主要是由于前后2個(gè)支護(hù)樁通過連系梁連接在一起以后形成一個(gè)類似大門的鋼體結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出良好的側(cè)向剛度，使得支護(hù)結(jié)構(gòu)不容易出現(xiàn)側(cè)向變形，其中發(fā)揮關(guān)鍵作用的連系梁長度由雙排樁之間的樁間距離決定，也就是說，樁間距的確定直接決定雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)性能，由此也可知雙排樁是否能夠在非極限狀態(tài)土壓力之下發(fā)揮良好性能[14]。本節(jié)試驗(yàn)在不改變其他支護(hù)條件的情況下改變前后樁樁間距離，分別設(shè)置為：1.5、3.5、6.5 m，分析計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形情況。

1.4.3 不同開挖深度下雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形試驗(yàn)

實(shí)際施工過程中，為提升施工速度，節(jié)省工程成本，會從支護(hù)結(jié)構(gòu)的東西兩側(cè)同時(shí)開挖，此時(shí)非極限狀態(tài)土壓力也會發(fā)揮作用，對支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，開挖深度變化，支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力出現(xiàn)不同程度變形[15]。本節(jié)試驗(yàn)研究不同開挖深度之下，支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變形情況。在有限元軟件中分別模擬設(shè)定東、西2個(gè)開挖面，開挖深度分別為2、4、6 m(深基坑基底位置)。

2 內(nèi)力變形分析

2.1 樁端彈簧剛度差異下雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形

不同樁端彈簧剛度下雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)變形情況試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

從圖2中能夠看出，雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移隨著樁端彈簧剛度的升高逐漸降低，靠近樁頂位置的正彎矩呈現(xiàn)出上升趨勢。1.5×104kN/m和1.5×105kN/m兩種樁端彈簧剛度與1.5×106kN/m和1.5×107kN/m兩種樁端彈簧剛度的內(nèi)力變形差異較大，出現(xiàn)這種情況主要是由于雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)中豎向支撐構(gòu)建所發(fā)揮作用較為薄弱，以至于非極限狀態(tài)土壓力影響之下，整個(gè)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)都出現(xiàn)前傾狀態(tài)，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大位移變形。1.5×104kN/m彈簧剛度下后排樁出現(xiàn)較大負(fù)彎矩，隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)埋在土里的深度增加，各彈簧剛度情況下位移與彎矩基本實(shí)現(xiàn)擬合，由此可以說明，當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)到達(dá)一定深度以后，支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形受到彈簧剛度的影響較小。實(shí)際工作環(huán)境下，為保證支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較小變形需要選擇較為適中的樁端彈簧剛度。

(a)前排樁位移

2.2 樁間距差異下雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形

不同樁間距下，支護(hù)結(jié)構(gòu)前排樁與后排樁的內(nèi)力變化情況如圖3所示。

(a)前排樁位移

分析圖3(a)與圖3(b)可知：受到非極限狀態(tài)土壓力影響，隨著雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的前后樁之間距離逐漸增大，前后支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移均呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢；間距1.5 m時(shí)，隨著樁體埋深增加，前后排樁位移均出現(xiàn)急劇下降趨勢；間距為3.5 m時(shí)，樁體埋深增加時(shí)，前后支護(hù)樁的位移也呈現(xiàn)出下降趨勢，但是變化趨勢的劇烈程度降低；間距為6.5 m時(shí)，位移下降趨勢更為平緩。前后排樁相比面言，后排樁隨著深度增加位移變化更小，且3種間距情況下位移變化區(qū)別更加明顯，由此可以看出土體向支護(hù)結(jié)構(gòu)施加壓力，導(dǎo)致不同樁間距之下支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著內(nèi)力變形。

由圖3(c)與圖3(d)能夠看出，前后2排支護(hù)樁的最大正彎矩小于最大負(fù)彎矩，深基坑最底位置為反彎點(diǎn)。前后排樁在相同深度范圍內(nèi)受到非極限狀態(tài)土壓力影響，樁間距越大，支護(hù)樁正彎矩越大，負(fù)彎矩越??；在地下5～9 m之間，雙排樁彎矩呈現(xiàn)下降趨勢，雙排樁間距越大，彎矩下降也更迅速；樁間距增大，后排樁的負(fù)彎矩逐漸減小，前排樁的負(fù)彎矩變化趨勢則完全相反，前后排樁的彎矩隨著樁間距的增加呈現(xiàn)出明顯差距。綜合整個(gè)圖3可以看出，樁間距過大或者過小都可能導(dǎo)致雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重內(nèi)力變形，所以選擇較為適中的樁間距(例如3.5 m)對雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)尤為重要。

2.3 不同開挖深度下雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形

隨著工程開挖深度增加雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)受到非極限狀態(tài)土壓力的影響程度也發(fā)生改變，東西兩側(cè)不同開挖深度支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變形如圖4所示。

從圖4中能夠看出，受到非極限狀態(tài)土壓力影響，隨著工程開挖深度的逐漸加深，支護(hù)結(jié)構(gòu)樁體的位移越來越大，發(fā)生明顯內(nèi)力變形。工程東側(cè)開挖位置上，支護(hù)樁最大位移出現(xiàn)在前后支護(hù)樁埋深較淺的位置，也就是樁頂位置，東側(cè)開挖位置前排樁與后排樁樁頂最大位移約為65 mm上下，西側(cè)開挖位置前排樁最大位移約為52 mm，后排最大位移約為44 mm。受到非極限狀態(tài)土壓力影響，前排樁的最大位移高于后排樁的最大位移，隨著開挖深度增大，前后排樁均出現(xiàn)明顯位移增大現(xiàn)象，也就是說，隨著工程的不斷推進(jìn)，支護(hù)樁所承受的非極限狀態(tài)土壓力越來越大，整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重內(nèi)力變形。

(a)前排樁

3 結(jié)語

本文研究非極限狀態(tài)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形情況，構(gòu)建研究區(qū)域深基坑有限元模型以及雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的有限元模型，通過該模型模擬不同工況下雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)受到非極限狀態(tài)土壓力影響時(shí)內(nèi)力變形發(fā)生的變化。通過試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)樁端彈簧剛度、樁間距以及工程開挖深度變化時(shí)，雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)受到非極限狀態(tài)土壓力影響都會出現(xiàn)嚴(yán)重內(nèi)力變形，位移及彎矩都出現(xiàn)顯著變化。在樁端彈簧剛度較為適中的1.5×105kN/m和1.5×106kN/m情況下，能夠降低支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)位移；樁間距為3.5 m時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變形屬于可接受范圍；開挖深度越大，支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生變形的可能性越大。