深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

董必昌 黃偉建 張鵬飛 瞿中穎

(武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院1) 武漢 430063) (深圳市城市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究中心股份有限公司2) 深圳 518057)

0 引 言

近年來，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市可利用土地資源日漸匱乏，對(duì)于地下空間的開發(fā)和利用成為了人們關(guān)注的工程熱點(diǎn)，深基坑工程也因此日益涌現(xiàn)．我國(guó)是一個(gè)地震多發(fā)國(guó)家，因此對(duì)深基坑工程地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究具有重要的工程實(shí)踐意義．

對(duì)于深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者主要針對(duì)靜力作用下支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行了相關(guān)研究[1-3]，但是在動(dòng)力作用下，特別是對(duì)于地震動(dòng)荷載作用下支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特性和變形機(jī)理方面的研究相對(duì)較少．對(duì)于深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)地震方面的研究，主要有理論分析、模型試驗(yàn)，以及數(shù)值仿真等方法．劉立平等[4]建立不同場(chǎng)地土體參數(shù)的二維樁土模型，通過對(duì)樁身剪力值的分析發(fā)現(xiàn).樁頂處剪力值最小，靠近樁底位置剪力值發(fā)生突變并在樁底位置達(dá)到最大值．朱彥鵬等[5]計(jì)算得出了復(fù)合式土釘墻在地震動(dòng)荷載作用下的加速度、位移響應(yīng)規(guī)律，通過對(duì)雙向地震波作用下土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力的時(shí)程響應(yīng)分析，得到了地震作用下支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化及土體的位移和加速度的響應(yīng)規(guī)律．康景文等[6]通過FLAC3D進(jìn)行了深基坑錨拉支護(hù)結(jié)構(gòu)的地震時(shí)程分析，論述了深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備問題，表示現(xiàn)行相關(guān)深基坑工程抗震設(shè)計(jì)方法并不完善，需對(duì)現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化．張森等[7]運(yùn)用FLAC仿真軟件，對(duì)復(fù)合土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了靜力分析和動(dòng)力分析，得出土釘結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力錨桿的軸力變化規(guī)律，并對(duì)預(yù)應(yīng)力錨桿的布置方法提出了合理建議．王穎軼等[8]通過ANSYS 有限元軟件計(jì)算出不同支護(hù)結(jié)構(gòu)在動(dòng)力作用下的失效過程，表明了不同支護(hù)結(jié)構(gòu)其支護(hù)特性存在明顯差異，并指出剛度較高的支護(hù)結(jié)構(gòu)其失穩(wěn)破壞具有明顯的突發(fā)性．黃春燕[9]利用動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析方法對(duì)深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震響應(yīng)分析，得到了不同時(shí)刻雙排樁樁身內(nèi)力變化情況和場(chǎng)地土體變形規(guī)律．

在現(xiàn)行深基坑工程設(shè)計(jì)規(guī)范中，并沒有普適性的支護(hù)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法．目前，在基坑工程的動(dòng)力作用方面，尤其是在地震作用下的工作機(jī)理和抗震性能方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究較少．文中以深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)為例，運(yùn)用有限元數(shù)值模擬的方式，設(shè)置粘彈性人工邊界，對(duì)深基坑雙排樁進(jìn)行地震動(dòng)力響應(yīng)分析．

1 工程概況及模型建立

1.1 工程概況

選用武漢時(shí)代廣場(chǎng)的深基坑工程進(jìn)行有限元仿真模擬，其東西方向長(zhǎng)度約110 m，南北方向長(zhǎng)度約150 m，周長(zhǎng)約500 m，基坑整體平面形狀近似為正方形，開挖面積約16 000 m2，開挖深度約為12 m．

1) 土體與支護(hù)結(jié)構(gòu) 基于Lin等[10]研究基坑模型大小對(duì)基坑變形的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)基坑模型建模長(zhǎng)度為基坑開挖深度的3倍時(shí)，基坑模擬過程中支護(hù)體系及周邊地表變形形態(tài)與實(shí)際中比較貼合．滿足Roboskit[11]提出的基坑模型尺寸的改變對(duì)基坑變形的影響．參考基坑模型大小對(duì)基坑變形的影響規(guī)律，本工程基坑整體開挖深度為12 m，綜合考慮初步建立的三維剖面體單元模型的計(jì)算域?yàn)?20 m×50 m×12 m．土體采用Drucker-Prager模型，樁和錨桿采用線彈性模型，計(jì)算模型見圖1．

圖1 土體計(jì)算模型圖及樁錨式支護(hù)結(jié)構(gòu)布置圖

2) 黏彈性邊界 彈簧和阻尼器的參數(shù)由劉晶波等[12]提供的計(jì)算方法結(jié)合每層土體的物理參數(shù)進(jìn)行選取.

由以上公式則可以分別求得各節(jié)點(diǎn)處的法向彈簧剛度、法向阻尼系數(shù)、切向彈簧剛度、切向阻尼系數(shù)．模型邊界通過利用阻尼器吸收能量和彈簧的彈性恢復(fù)能力來實(shí)現(xiàn)無限區(qū)域土體對(duì)邊界內(nèi)模型的作用，達(dá)到與實(shí)際情況一致的效果．黏彈性邊界條件示意圖見圖2．

圖2 黏彈性邊界條件示意圖

1.2 地震波的選取和調(diào)整

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，工程所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度VI度，將抗震設(shè)防烈度提高1度，進(jìn)行罕遇地震動(dòng)力分析，旨在模擬在最不利條件下的工程地震動(dòng)反應(yīng)．因此，對(duì)選取的地震波加速度幅值按烈度要求調(diào)整到0.1g后再進(jìn)行輸入．經(jīng)過綜合考慮，分別選取地震響應(yīng)分析中常用的Kobe波、El-Centro波和Northridge波進(jìn)行地震動(dòng)輸入．

依據(jù)地震波的選取和調(diào)整的原則及要求，同時(shí)為了提升模型的計(jì)算效率，對(duì)所選擇的地震波進(jìn)行節(jié)選．經(jīng)過地震波調(diào)整和基線修正后的Kobe波、El-Centro波和Northridge波的波形見圖3．

圖3 不同波形加速度圖

2 地震響應(yīng)分析結(jié)果

2.1 不同類型地震波作用下的響應(yīng)分析

2.1.1樁身內(nèi)力計(jì)算結(jié)果及分析

以前排樁為例，提取內(nèi)力峰值時(shí)刻樁身整體各點(diǎn)的彎矩及剪力值，El-Centro波、Kobe波和Northridge波加載下沿深度方向上的樁身動(dòng)彎矩和樁身剪力，見圖4．

圖4 不同波形下樁身內(nèi)力圖

由圖4a)可知：不同類型地震動(dòng)荷載作用下的樁身峰值動(dòng)彎矩沿深度方向上的分布規(guī)律大體一致，均呈現(xiàn)出S形分布．

由圖4b)可知:在不同類型地震波加載之下，樁身沿深度方向的剪力值的分布同樣相差較大．在樁身中部位置剪力值發(fā)生突變，樁身剪力急劇增大，其中Northridge波作用下產(chǎn)生的峰值剪力為50.36 kN，El-Centro波作用下產(chǎn)生的峰值剪力只有Northridge波的82.6%，Kobe波作用下產(chǎn)生的峰值剪力只有Northridge波的72.7%．

2.2 深基坑雙排樁支護(hù)體系在地震作用下的失穩(wěn)機(jī)理分析

2.2.1樁身內(nèi)力計(jì)算結(jié)果及分析

在對(duì)模型施加IIX度罕遇地震(0.3g)動(dòng)荷載作用時(shí)，土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大變形，模型計(jì)算不收斂，深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)破壞，繪制支護(hù)結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震失穩(wěn)前及不同地震波加速度作用下前排樁峰值動(dòng)彎矩圖和剪力圖，見圖5．

圖5 不同波形下樁身內(nèi)力圖

由圖5可知:地震動(dòng)荷載作用下樁身動(dòng)彎矩沿深度方向上的分布規(guī)律整體一致，均呈現(xiàn)出S形分布；隨著地震動(dòng)荷載幅值由0.1g增加至0.3g，樁身峰值動(dòng)彎矩急劇增大，樁身在強(qiáng)震失穩(wěn)前其最大正彎矩增幅較大，但其最大負(fù)彎矩增幅則相對(duì)較小．

在不同幅值地震波作用下，樁身沿深度方向的剪力值的分布相差較大；由于存在樁頂冠梁的約束作用，使得樁身靠近樁頂位置處的剪力值不為零；支護(hù)結(jié)構(gòu)剪力值在樁身埋深15 m位置處發(fā)生突變，樁身剪力值急劇增大，樁身最大剪力發(fā)生在埋深約19 m處，隨即剪力值逐漸減小，在樁底位置處的剪力值接近于0．

為對(duì)不同地震加速度幅值作用下樁身內(nèi)力變化特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，提取前排樁樁身峰值彎矩及剪力數(shù)據(jù)，并且列出前排樁動(dòng)力附加彎矩(相對(duì)于靜力彎矩的增量)，見表1．

表1 不同強(qiáng)度地震作用下內(nèi)力變化表

由表1可知：隨著地震動(dòng)荷載幅值的增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)的峰值動(dòng)彎矩以及峰值剪力亦不斷增大．

2.2.2位移計(jì)算結(jié)果及分析

在雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)與施工階段十分關(guān)注樁間土體的位移變形情況，因此本節(jié)旨在研究不同地震波幅值作用下樁間土體的水平位移變化規(guī)律．將相鄰前排樁樁頂與樁頂之間中心位置的土體節(jié)點(diǎn)作為研究對(duì)象，由于在IIX度罕遇地震(0.3g)動(dòng)荷載作用下，深基坑雙排樁支護(hù)體系發(fā)生失穩(wěn)破壞，故選取在0.1g、0.15g及0.2g地震波幅值作用下的樁間土體水平位移時(shí)程曲線，見圖6.表2為不同強(qiáng)度地震波作用下樁間土體水平位移參數(shù)表．

圖6 樁間土體水平位移時(shí)程曲線

表2 不同強(qiáng)度地震作用下樁間土體水平位移參數(shù)

由圖6可知：隨著地震波幅值的增加，相鄰前排樁樁頂間土體在地震動(dòng)荷載作用下的水平位移變形明顯增大，樁間土體節(jié)點(diǎn)的水平位移值越大，樁間土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相對(duì)滑移趨勢(shì)越明顯，基坑雙排樁支護(hù)體系則越不安全．同時(shí)由表2可知:在靜力作用下樁間土體的水平位移峰值僅為0.023 m，然而在地震波動(dòng)荷載作用下樁間土體的水平位移變形產(chǎn)生較大突變，在地震波幅值由0.1g增至0.3g過程中，樁間土體水平峰值位移急劇增加，當(dāng)?shù)卣鸩ǚ颠_(dá)到0.3g，樁間土體水平峰值位移達(dá)到0.128 m，水平位移相對(duì)于靜力作用下增量為0.105 m，此時(shí)深基坑雙排樁支護(hù)體系處于失穩(wěn)臨界狀態(tài)．

2.3 單、雙向地震波計(jì)算結(jié)果及分析

2.3.1不同水平加速度幅值下雙向地震的影響

為研究不同水平加速度幅值條件下雙向地震動(dòng)荷載對(duì)深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，其中水平加速度幅值分別取0.1、0.15和0.2g，豎向加速度幅值按照中國(guó)工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范取水平加速度幅值的2/3．圖7為不同水平加速度幅值雙向地震作用下樁頂?shù)乃轿灰茣r(shí)程曲線．

圖7 不同加速度幅值下地震樁頂水平位移時(shí)程圖

由圖7可知:當(dāng)水平加速度幅值較小時(shí)，對(duì)于雙排樁的樁頂位移影響也較小，單向地震和雙向地震的作用下的樁頂位移時(shí)程基本一致，相差很??；隨著水平加速度幅值增大至0.15 g和0.2 g時(shí)，雙向地震與單向地震作用下兩者樁頂位移相差越來越大，豎向地震的加入對(duì)雙排樁的樁頂位移影響顯著增強(qiáng)．因此，從結(jié)構(gòu)位移角度分析，在較低的水平加速度幅值雙向地震作用下豎向地震的影響較小，可以不考慮豎向地震的影響．

2.3.2不同豎向加速度幅值下雙向地震的影響

分析不同豎向加速度雙向地震對(duì)深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，其中水平加速度取0.2g，豎向加速度分別取水平加速度幅值的1/3、2/3和3/3．

圖8為相同水平加速度不同豎向加速度幅值地震動(dòng)荷載作用下的樁頂水平位移-時(shí)程曲線圖．由圖8可知:當(dāng)雙向地震中豎向加速度由水平加速度幅值的1/3增大到2/3時(shí)，樁頂?shù)乃轿灰圃龇黠@；當(dāng)豎向加速度由水平加速度幅值的2/3增大到3/3時(shí)，樁頂?shù)乃轿灰圃龇^?。?/p>

圖8 雙向地震樁頂水平位移時(shí)程圖

表3為不同豎向加速度樁頂水平峰值位移表．由表3可知:當(dāng)豎向加速度幅值取水平加速度的1/3時(shí)，比單向地震作用下產(chǎn)生的樁頂水平峰值位移增加19.1%；當(dāng)豎向加速度幅值增加至水平加速度的2/3時(shí)，樁頂?shù)乃椒逯滴灰葡鄳?yīng)增加30.9%；當(dāng)豎向加速度幅值與水平加速度幅值相同時(shí)，樁頂?shù)乃椒逯滴灰圃僭黾?.43%；2/3的豎向加速度幅值與3/3的豎向加速度幅值作用下的樁頂水平位移時(shí)程數(shù)據(jù)已經(jīng)十分接近．

表3 不同豎向加速度樁頂水平峰值位移

3 結(jié) 論

1) 不同類型地震動(dòng)荷載作用下，樁身峰值動(dòng)彎矩沿深度方向上的分布規(guī)律大體呈 “S”型分布；剪力的最大值在樁的中下部，其中Northridge波作用下產(chǎn)生的峰值剪力最大，El-Centro波次之，Kobe波最小，故在實(shí)際工程抗震設(shè)計(jì)和研究中應(yīng)根據(jù)不同的場(chǎng)地選取合適的地震波進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算．

2) 隨著地震波幅值的增加，基坑地表和雙排樁樁頂?shù)募铀俣纫苍谥饾u增大，但增大的幅度則在減小，呈現(xiàn)出增幅減弱的趨勢(shì)；樁身內(nèi)力變化較為明顯，說明地震波幅值的改變對(duì)雙排樁樁身位移和內(nèi)力的影響較大．

3) 當(dāng)水平加速度幅值小于0.1g時(shí)，與單向地震作用相比，雙向地震作用對(duì)雙排樁樁身位移的影響效應(yīng)不明顯，當(dāng)水平加速度幅值繼續(xù)增大時(shí)，雙向地震作用相對(duì)于單向地震作用，其對(duì)樁頂水平位移影響不容忽視；考慮雙向地震的結(jié)構(gòu)抗震分析中豎向加速度幅值取水平加速度幅值的2/3時(shí)相對(duì)合理．