深基坑開挖過(guò)程中兩樁相互作用研究

王 偉 劉曉彬 欒虔超

1 概述

基坑開挖造成坑周土體常產(chǎn)生較大位移或發(fā)生塑性流動(dòng),較大的土體側(cè)向位移導(dǎo)致橋梁樁基產(chǎn)生附加彎矩和變形,嚴(yán)重時(shí)樁身折斷,此時(shí)樁基屬于被動(dòng)樁范疇,樁身同時(shí)受到豎向載荷和土體側(cè)向壓力的雙重作用,兩樁之間相互作用所表現(xiàn)的“束縛”和“加筋”作用,很難通過(guò)理論計(jì)算法進(jìn)行解決。相比較而言,三維快速拉格朗日有限差分法可以很好的解決樁土樁的相互作用問(wèn)題,有利于進(jìn)行群樁效應(yīng)的分析。

2 分析思路

2.1 定義兩樁的相互作用系數(shù)

采用三維拉格朗日有限差分法來(lái)求解橋梁兩樁與深基坑施工的相互作用,首先建立基坑施工條件下的兩樁相互作用系數(shù),通過(guò)兩樁相互作用下的 7種不同的情況,分析兩樁相互作用系數(shù)和側(cè)摩阻力分布情況,進(jìn)而就兩樁之間的“加筋”和“束縛”作用進(jìn)行解釋。

本文定義了兩樁的相互作用系數(shù)α:

其中,Smin為兩樁中樁頂沉降較小者;Smax為兩樁中樁頂沉降較大者。

2.2 兩樁的相互作用分析方案

為了研究基坑施工過(guò)程中兩樁的相互作用,對(duì)以下 7種情況進(jìn)行了對(duì)比分析:

1)樁長(zhǎng)25m的摩擦樁距離坑壁5m,樁頂有荷載;2)樁長(zhǎng)25m的摩擦樁距離坑壁 7m,樁頂有荷載;3)樁長(zhǎng)都為 25m的摩擦樁,一樁距離坑壁5m,另一樁距離坑壁7m并樁頂加荷;4)樁長(zhǎng)都為25m的摩擦樁,一樁距離坑壁 5m并樁頂加荷,另一樁距離坑壁7m;5)樁長(zhǎng)都為25m的摩擦樁,一樁距離坑壁5m,另一樁距離坑壁7m,兩樁樁頂同時(shí)加荷;6)樁長(zhǎng)都為25m的摩擦樁,一樁距離坑壁5m,另一樁距離坑壁10m并樁頂加荷;7)樁長(zhǎng)都為25m的摩擦樁,一樁距離坑壁 5m,另一樁距離坑壁 10m,兩樁樁頂同時(shí)加荷。

2.3 FLAC3D滲流分析[2]

FLAC3D可以進(jìn)行瞬態(tài)滲流計(jì)算,在完全流固耦合計(jì)算情況下,孔隙水壓力的改變會(huì)產(chǎn)生力學(xué)變形,同時(shí)體積應(yīng)變又會(huì)導(dǎo)致孔隙水壓力的改變。本文的深基坑三維模型中設(shè)置透水邊界,在滲流分析中,關(guān)于樁土接觸面,則在單元上進(jìn)行初始應(yīng)力設(shè)置時(shí),接觸面上的應(yīng)力會(huì)自動(dòng)考慮孔隙水壓力的存在而進(jìn)行有效應(yīng)力的初始化。

3 計(jì)算模型的建立

本文采用三層土,詳細(xì)的巖土層物理力學(xué)性質(zhì)如表 1所示,此為FLAC3D巖土計(jì)算參數(shù)。

在FLAC3D中實(shí)現(xiàn)地下連續(xù)墻和內(nèi)支撐體系。各支護(hù)單元FLAC3D計(jì)算參數(shù)如表 2,表 3所示。深基坑開挖支護(hù)模型如圖 1所示,所采用的開挖支護(hù)計(jì)算工況如表 4所示。

表1 巖土層物理力學(xué)參數(shù)

表2 地下連續(xù)墻FLAC3D計(jì)算參數(shù)

表3 內(nèi)支撐FLAC3D計(jì)算參數(shù)

4 結(jié)果分析

圖2為基坑開挖支護(hù)后的地表沉降分布圖,從最大沉降量出現(xiàn)的位置看,在圍護(hù)墻后,地表沉降分布曲線呈“拋物線”型,地表最大沉降量為 3.3 cm,地表沉降主要集中在基坑中部最大臨空面后,坑角和基坑短邊處的地表沉降較小,基坑中部附近剖面的沉降分布曲線曲率較大,亦即不均勻沉降較大。

表4 計(jì)算工況

Clough等人(1977年)[5]提出,坑周地面沉降量的分布形式取決于地表沉降量的大小,當(dāng)?shù)乇沓两盗啃r(shí),離開支撐某點(diǎn)處的沉降量最大,圖 2也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

基坑開挖和樁頂荷載共同作用下兩樁的相互作用系數(shù)如表 5所示。

表5 不同情況下的兩樁相互作用

從表 5的相互作用系數(shù)來(lái)看,在土體卸荷作用和樁頂荷載下,樁與樁之間的相互作用系數(shù)呈非線性,并不是單純的線性疊加。具體分析如下:

1)通過(guò)對(duì)比B和A,基坑開挖作用下,5m處樁受荷不僅自身產(chǎn)生沉降,7m處樁也產(chǎn)生了 0.339 cm的附加沉降,并且相互作用系數(shù)增大;

2)C對(duì)比B,7m處樁受荷,自身沉降明顯增大,但對(duì) 5 m處樁的影響很小,附加沉降只增加了 0.414 cm,兩樁相互作用系數(shù)也較B小很多;

3)通過(guò)B和C對(duì)比D,兩樁同時(shí)受荷,相互作用系數(shù)大于 B和C的;

4)E與C比較,由于樁間距的增大,相互之間的影響減小,同樣對(duì)比 F和D,在兩樁均受荷情況下,兩樁的相互作用系數(shù)隨樁間距的增大而減小。

通過(guò)上述分析得出:

1)在樁頂荷載和基坑開挖共同作用下,兩樁相互作用加強(qiáng),體現(xiàn)了明顯的“加筋”效應(yīng);

2)一根樁受荷沉降,會(huì)帶動(dòng)鄰近樁下沉,同時(shí)也會(huì)受到鄰近樁的“束縛”作用,兩樁之間的作用是相互的;

3)在樁頂荷載和基坑開挖共同作用下,兩樁的相互作用系數(shù)隨樁間距的增大而減小。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)定義深基坑施工過(guò)程中兩樁之間的相互作用系數(shù),對(duì)兩樁之間所表現(xiàn)的“加筋”和“束縛”作用進(jìn)行了解釋,得到如下結(jié)論:

1)在樁頂荷載和基坑開挖共同作用下,兩樁相互作用加強(qiáng),體現(xiàn)了明顯的“加筋”和“束縛”作用;兩樁的相互作用隨樁間距的增大而減小;兩樁相互作用不是簡(jiǎn)單的線性疊加關(guān)系,具有極強(qiáng)的非線性。

2)非受荷樁對(duì)受荷樁起到了“束縛”作用,在一定的樁間距下,一根樁的存在會(huì)降低深基坑開挖對(duì)另一根樁的影響,起到了“加筋”作用。

[1] 史佩棟.樁基工程[M].北京:人民交通出版社,1995:139-222.

[2] User's Manual.Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions User's Guide[M].Itasca Consulting Group,Inc, USA,1997.

[3] 李章明.軟土地基加固的理論設(shè)計(jì)與施工[M].北京:中國(guó)電力出版社,2006:35-68.

[4] 陳育民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2008:208-229.

[5] Clough,G.W,Deny,G.M.Stabilizing bean design for temporary walls in clay[J].J.Geotech.Engrg.Div.ASCE.P,1977(50): 75-90.

[6] 杜金龍,楊 敏.軟土基坑開挖對(duì)臨近樁基影響的時(shí)效分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2008,30(7):1038-1043.

[7] 曲軍彪.高壓富水地層深基坑開挖降水及其對(duì)周圍地表和建筑物沉降影響的研究[D].北京:北京交通大學(xué),2007:30-40.

[8] 于 峰.兩階段法分析基坑開挖對(duì)鄰近樁基的影響[J].巖土工程技術(shù),2008,22(4):186-189.