懸臂樁基坑支護(hù)影響因素的分析研究

石 堅(jiān)，田漢儒，黃春花，趙 寶

(長安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，西安 710061)

基坑工程是一個(gè)綜合性很強(qiáng)的巖土工程問題，它涉及土力學(xué)中強(qiáng)度、穩(wěn)定、變形及土與支護(hù)結(jié)構(gòu)的共同作用等問題，由于問題的復(fù)雜性，目前對基坑支護(hù)影響因素的研究尚不能滿足實(shí)際工程的需要，有必要針對這一問題進(jìn)行深入研究。

懸臂樁支護(hù)是指不帶內(nèi)撐和拉錨的支撐結(jié)構(gòu)，可以通過設(shè)置鋼筋混凝土樁形成支護(hù)，這是目前常用的一種基坑支護(hù)形式。本文用ANSYS有限元軟件，通過數(shù)值模擬，研究分析鋼筋混凝土懸臂樁支護(hù)的影響因素。

1 懸臂樁基坑支護(hù)數(shù)值模型的建立

有限元計(jì)算模型包括幾何模型、材料模型的建立及邊界條件的定義。本研究計(jì)算基坑尺寸為41 m×29 m，懸臂樁樁長20 m，尺寸如圖1所示，采用二維模型模擬。樁體采用各向同性線彈性本構(gòu)模型，土體采用Drucker-Prager模型。

圖1 計(jì)算簡圖(單位:m)

2 計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算單元?jiǎng)澐秩鐖D2所示。

圖2 計(jì)算單元?jiǎng)澐?/p>

2.1 樁徑的影響

樁的計(jì)算參數(shù)取為彈性模量 E=2.0×1010Pa，泊松比ν=0.25;土的內(nèi)聚力 c=10 kPa，內(nèi)摩擦角 φ=20°，變形模量 E0=1.6×107Pa，泊松比 ν=0.39。樁徑 d分別取0.6 m，0.8 m，1.0 m，1.2 m 和1.4 m。

2.1.1 對樁水平位移的影響

計(jì)算結(jié)果見圖3和表1。

圖3 不同樁徑時(shí)懸臂樁水平位移曲線

表1 不同樁徑時(shí)樁的最大水平位移

由圖3和表1可知，樁的最大水平位移出現(xiàn)在樁頂，樁的最小水平位移在樁底，但是并不為零。隨著樁徑的增大，樁體的最大水平位移減少，但對樁底的水平位移基本上沒有影響。由表1可知:當(dāng)樁徑為0.6 m時(shí)，樁的最大水平位移為73.6 mm，當(dāng)樁徑從0.6 m增大到1.4 m時(shí)，樁的最大水平位移減小至44.9 mm，減小的幅度為41.1%。當(dāng)樁徑從1.2 m增大到1.4 m時(shí)，水平位移減小的幅度變小，為4.26%。這表明，適當(dāng)增大樁徑可以有效地減小懸臂樁的水平位移，但當(dāng)d＞1.2 m時(shí)對減小樁的水平位移影響不明顯。

2.1.2 對土壓力影響

圖4為不同樁徑時(shí)樁側(cè)土壓力計(jì)算結(jié)果。

圖4 不同樁徑時(shí)樁側(cè)土壓力分布

由圖4可知，樁徑的改變對于支護(hù)樁土壓力的分布影響不大，朗金理論的支護(hù)土壓力計(jì)算結(jié)果偏于保守。

2.2 土的抗剪強(qiáng)度的影響

樁基本參數(shù)取為 E=2.0×1010Pa，ν=0.25，樁直徑d取0.8 m;土的基本參數(shù)為 E0=1.6×107Pa，ν=0.39。土的 c，φ 值取 5 組計(jì)算:c=10 kPa，φ =15°;c=10 kPa，φ =20°;c=15 kPa，φ =20°;c=20 kPa，φ =20°;c=25 kPa，φ =20°。

2.2.1 對樁水平位移影響

表2為不同c，φ時(shí)樁最大水平位移的計(jì)算結(jié)果。

由表2可知:當(dāng) c=10 kPa，φ=15°增大到 c=10kPa，φ=20°時(shí)，樁的最大位移由 105.1 mm 減小到58.3 mm，減小了44.5%;土的抗剪強(qiáng)度由 c=10 kPa，φ=20°增大到 c=15 kPa，φ =20°時(shí)，樁的最大位移由58.3 mm減小到42.5 mm，減小了27.1%;當(dāng)土抗剪強(qiáng)度由 c=20 kPa，φ =20°增大到 c=25 kPa，φ =20°時(shí)，樁的最大位移由41.4 mm減小到40.9 mm，減小了1.2%。由此可知:土的抗剪強(qiáng)度對樁的水平位移影響明顯，但當(dāng)c，φ值增大到一定程度時(shí)，影響程度減弱。

表2 不同c，φ時(shí)樁的最大水平位移

2.2.2 對樁身應(yīng)力的影響

表3為不同c，φ值時(shí)樁身的最大拉、壓應(yīng)力。

表3 不同c，φ時(shí)樁身最大拉、壓應(yīng)力

由表3可知:當(dāng)土的 c，φ 值由 c=10 kPa，φ=15°增大到c=10 kPa，φ=20°時(shí)，樁的最大拉、壓應(yīng)力減小的平均幅度為59.1%;而當(dāng)土的 c，φ值由 c=20 kPa，φ=20°增大到 c=25 kPa，φ =20°時(shí)，樁的最大拉應(yīng)力僅減小了0.01 MPa，最大壓應(yīng)力沒有變化。由此可知:當(dāng) c=10 ～20 kPa，φ =15°～20°時(shí)，對樁體的應(yīng)力的影響明顯，當(dāng) c＞20 kPa，φ ＞20°時(shí)，對樁體的應(yīng)力的影響很小。

3 結(jié)論

1)增大樁徑可有效減少樁的水平位移，在實(shí)際工程中，支護(hù)樁的直徑宜在0.8～1.2 m之間。

2)增大樁徑對支護(hù)樁土壓力分布影響不大。朗金理論計(jì)算的土壓力偏于保守。

3)土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo) c，φ值對支護(hù)樁水平位移影響明顯。隨著c，φ值的增大，影響減弱。

4)當(dāng) c=10 ～20 kPa，φ =15°～20°時(shí)，對支護(hù)樁樁身應(yīng)力影響明顯，在該范圍內(nèi)隨著c，φ值增大，樁身應(yīng)力減小明顯。

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