后排樁傾斜的雙排樁主要作用模式研究
2019-10-20 05:21:27劉攀
磚瓦世界·下半月 2019年5期
劉攀
摘 要：雙排樁是近年來新興的一種護結構，與其他支護結構體系相比，具有支護深度大，易于土方開挖，縮短工期等多個優點，是特殊條件下進行基坑支護設計的重要可選方案。本文基于雙排樁拉錨作用模式和自重作用模式，首次提出后排樁傾斜的思想，研究分析了不同后排樁傾斜角度以及不同排距等因素對后排樁傾斜的雙排樁主要作用模式的影響，對完善和改進雙排樁設計理論具有重要意義。
關鍵詞：雙排樁;ABAQUS;傾斜樁;穩定性
雙排樁支護結構是大面積深基坑支護的重要可選方案，雙排樁支護結構受力合理、側向位移小，已經在一些工程中得到應用并取得了成功，但在基坑開挖深度很大時，雙排樁也會因為其樁身位移和樁身內力過大而不再適用。尤其在繁華的市區對深基坑工程進行設計時[1]，對于支護結構的穩定、變形[2]等安全問題，是設計人員要考慮的重要因素，為了實現最優的支護效果，對支護結構的選型和構造處理的深化與改進極為重要。
本文基于雙排樁的兩種作用模式創新性的提出后排樁傾斜的設想，事實上，就目前而言，打設具有一定傾斜角度的預制樁已不難實現，提出用適當角度的傾斜排樁代替原雙排樁支護結構的后排樁，期望可以在相同的條件下充分發揮雙排樁的支護效果，改善支護結構的受力特性，充分利用樁體材料的性能，減小雙排樁的樁身變形和內力。
一、工程背景
擬建項目地下兩層，站房負1層配套停車服務設施建筑面積約21760m2， 站房負2層配套服務設施建筑面積約為21760m2。基坑呈不規則狀，大小約280m×130m，基坑開挖深度10.45～11.95m，屬于深基坑。因此，本工程基坑開挖面積大，條件復雜，支護要求高，圍護結構基坑安全等級為一級。
二、計算模型
（一）基本計算方案
基坑開挖深度為10m，樁的嵌固深度為10m，將模型中前排樁樁長設置為20m，后排樁樁長設置為
本文對后排樁傾斜的雙排樁支護結構提出以下兩個研究方案。
1、后排樁傾斜角度對雙排樁主要作用模式的影響分析。本文在保持其他參數不變的情況下，僅僅通過主動設置不同的后排樁傾斜角度，探究雙排樁結構是否可以有效的抵抗水平荷載的作用，減小樁身位移和樁身彎矩，以及抗傾覆穩定性是否可以得到提高。在這里，分別選取后排樁傾斜角度為0°、10°、20°等3種工況，建立不同的ABAQUS有限元計算模型。
2、排距不同對后排樁傾斜的雙排樁主要作用模式的影響分析。在最優傾斜角的情況下，改變排距，在這里分別選取2D，4D，6D，8D等4種工況，建立不同的ABAQUS有限元計算模型。
（二）基本假設和樁土材料參數
木文選用的Mohr-Coulomb模型是一種理想彈塑性模型，它綜合了胡克定律和Coulomb破壞準則。有5個參數，即控制彈性行為的2個參數—彈性模量和泊松比，以及控制塑性行為的3個參數一有效黏聚力、有效內摩擦角和剪脹角，適用于穩定性分析。
1、排樁、梁及土體均采用8節點六面體三維單元（C3D8）;
2、雙排樁在工作過程中，當土體進入極限狀態時，樁仍處于線彈性變形階段，也就是說土體比樁提前進入塑性狀態，因此，雙排被建立為線彈性模型;
3、假定地下水埋深高度為0.000，初始地應力平衡時均采用浮密度計算;
4、模型底部土體采用對稱約束，假定轉角和位移均為零，模型側面土體假定水平方向位移為零。
三、后排樁傾斜的雙排樁主要作用模式影響因素分析
（一）傾斜角對后排樁傾斜的雙排樁主要作用模式影響分析
1、樁的位移分析
后排樁傾斜的雙排樁支護結構相當于一個插入土體的剛架，與常規雙排樁的工作機理類似，但用后排樁傾斜一定角度的雙排樁作基坑支護結構，能有效減少樁頂位移和樁身受力，提高雙排樁抗傾覆能力，這是因為后排斜樁后的主動土壓力比后排豎樁樁后土壓力更小，樁后具有滑動趨勢的楔形體要更小。由此可知：
（1）樁底側移最小，前排豎直樁樁的最大樁身側移不是在樁頂，而是出現在樁頂以下大約4m處，這是因為連梁的作用，極大約束樁頂的側移，充分體現了后排樁拉錨作用。（2）后排樁傾斜的雙排樁的樁身位移變化規律與常規雙排樁大致相似，且隨著后排樁傾角的增加，雙排樁樁頂的位移明顯減小，甚至整個樁身的位移都有了極大地減小。對于前排樁而言，當后排樁傾角從0°增大到10°時，樁頂位移值由60.4mm減小到49.6mm，減小幅度達到18%;而后排樁傾角從10°增大到20°時，減小幅度很小。對于后排傾斜樁而言， 整個樁身的位移與前排垂直樁相當，變化趨勢也大致相同。
2、樁的彎矩分析
基坑開挖至10m，并在基坑周邊加載10kPa時，前、后排樁樁身彎矩隨后排樁傾斜角不同的變形曲線。由此可知：
（1）不同傾角下雙排樁樁身彎矩圖形狀大體相似，最大正負彎矩產生的位置基本保持不變，均是相當于一個插入土體的剛架，能夠靠基坑以下樁前土的被動土壓力和剛架插入土中部分的前樁抗壓、后樁抗拔所形成的力偶來共同抵抗傾覆力矩。
（2）隨著傾斜角度的增大，前后排樁的樁身最大彎矩值均有所減小，說明增大傾斜角度可以減小樁身內力，這主要是因為傾斜后排樁代替垂直后排樁進行基坑支護時，后排樁后具有滑動趨勢的楔形體要比樁垂直時的楔形體要小。
（3）樁身最大彎矩值的位置都有所上移，筆者認為是傾角的增大導致基坑開挖面以下前后排樁間的排距增大，后排樁樁身大部分位于潛在滑裂面以外，從而加強了后排樁對前排樁的錨拉作用，即通過樁頂連梁拉住前排樁，這時雙排樁的工作機理可能會部分轉為錨拉樁。
四、結語
本文在總結前人研究結果的基礎上，基于雙排樁主要作用特點提出后排樁拉錨作用首次提出后排樁傾斜的概念，利用ABAQUS軟件建立了后排樁傾斜的雙排樁支護結構模型，得出了一些比較有價值的結論：
（1）后排樁傾斜角越大，雙排樁抗傾覆穩定性逐步得到加強，樁身內力和位移也逐漸減小，可以體現自重穩定性的特征，但增大到一定程度后，對樁身位移和內力的減小也是有限的，這主要是傾角的增加增強了雙排樁的錨拉作用，此時，雙排樁的工作機理可能部分轉化為錨拉樁，建議合理的后排樁傾斜角為10°。
（2）在實際工程中，如果采用后排樁為傾斜的雙排樁，可以充分發揮樁體材料的承載能力，不僅在節省材料和降低造價方面很有優勢，而且可以極大的提高雙排樁的支護效果。
參考文獻：
[1]程知言， 裘慰倫， 張可能，等. 雙排樁支護結構設計計算方法探討[J]. 地質與勘探， 2001， 37（2）：88.
[2]聶慶科， 胡建敏， 吳剛. 深基坑雙排樁支護結構上的變形和土壓力研究[J]. 巖土力學， 2008， 29（11）：3089-3094.
