有限元分析雙排樁在基坑支護中的應用

宋 婷 何潤洲 張領帥

隨著城市的發展，建設用地日益緊張，人類不得不大面積填海填湖造陸。同時，隨著高層建筑和地下工程的興建，基坑開挖的深度越來越大;在造陸地區開挖深基坑使工程更為復雜，這無疑給工程建設帶來挑戰。雙排樁作為一種新型的支護結構形式，其前樁與后樁之間用剛性節點和剛性橫梁連成一個整體單元，是三次超靜定結構。由于超靜定剛架結構具有隨支撐條件及荷載條件的變化而自動調整結構內力的特性，因此使得雙排樁在解決邊坡支護問題中具有適應性強、安全度高、施工方便等優點。但雙排樁的計算較難實施，而有限元法(Finite Element Method，縮寫為FEM)以其適用性強和處理非均質、非線性復雜邊界諸多問題等突出的優點，用有限元模擬雙排樁無疑是一個有效的工具。

1 有限元的基本思想

1)結構的離散化:將分析結構系統劃分成有限個單元體，并在單元體的指定點設置節點，把相鄰的單元體在節點處連接起來組成單元的集合體，以代替原來的結構。一般情況，單元劃分越細則表述變形情況越精確，即越接近實際變形，但計算量越大。

2)選擇位移模式:位移模式，就可導出用節點位移表示單元內任意點位移:

3)建立單元節點力和節點位移之間的關系:材料應力—應變關系或本構關系可表示為:

材料單元應變矩陣可表示為:

其中，{ε}=[B]{δ}，

材料單元應力矩陣可表示為:

其中，[S]=[D][B]=[D][B1B2B3]=[S1S2S3]，[Si]=[D][Bi]。

材料單元剛度矩陣可表示為:

其中，

材料總體剛度矩陣可表示為:

其中，[K]為總體剛度矩陣;{U}為節點位移列陣;{P}為荷載列陣。

4)計算節點荷載(包括集中力、面力、體積力)。

5)集合所有單元的剛度方程，建立整個結構的平衡方程:

6)方程組求解，計算各變量結果，得出所需值。

2 基坑支護分析實例

中山市雅居樂雍景園碧堤灣畔二期地下室部分基坑深度為5.90 m，高層住宅部分基坑深度為6.80 m，電梯井部分深度為8.30 m。基坑支護周長約 1 111 m，基坑開挖面積約22 800 m2。

基坑開挖范圍內主要為淤泥，地下水位較高。基坑頂西南側為別墅，基坑外側有塔吊基礎，工期緊，對基坑支護設計要求較高。樁錨及土釘墻支護軟土層較深，錨固力較小，內支撐基坑面積較大，造價高且工期不允許，根據場地情況選擇雙排樁進行支護。GeoStudio作為巖土工程和巖土環境模擬的軟件可較好的應用于有限元的分析，計算剖面選擇西南側別墅區剖面進行，基坑開挖深度5.9 m，開挖側壁為填土及淤泥，有限元計算結果見圖1～圖3。

根據前、后排樁的計算彎矩，選擇φ 600AB型PHC高強預應力混凝土管樁，既能滿足穩定性要求，又能滿足施工速度較快的要求，同時前排樁后選擇雙排攪拌樁進行止水，并能阻擋淤泥從樁間流出。確定雙排樁樁徑、樁長后，通過Slope/W進行整體穩定性計算，計算穩定系數為1.421，能夠滿足穩定性要求。

3 結語

1)可以采用有限元模擬方法分析雙排樁在基坑支護中的分析，該方法克服了雙排樁計算方法較困難的缺點，物理意義明確。能夠模擬基坑失穩及施工開挖等自然過程，對實際土體開挖和基坑支護具有指導意義。2)雙排樁應用于基坑支護，特別是應用于軟土地區的基坑支護能起到良好的作用。

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