分層開挖工況下懸臂樁基坑支護(hù)影響因素的分析研究

摘? 要：本文用ANSYS軟件建立基坑支護(hù)樁模型，采用線性Drucker- Prager 屈服準(zhǔn)則，建立了懸臂樁基坑支護(hù)計(jì)算模型，分析了在分層開挖工況下支護(hù)樁的直徑對支護(hù)樁工作性能的影響，研究表明樁徑一般選在0.8m到1.2m之間是比較經(jīng)濟(jì)合理的。

關(guān)鍵詞：基坑工程;懸臂樁;分層開挖;ANSYS軟件;有限元法

引言

深基坑工程是巖土工程、結(jié)構(gòu)工程、施工技術(shù)相交叉的學(xué)科，是多種復(fù)雜因素交叉影響的系統(tǒng)工程^[1]。深基坑開挖與支護(hù)問題是一個(gè)綜合性的巖土工程問題^[2]，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^[3]。本文用ANSYS有限元軟件，通過數(shù)值模擬，研究分析在分層開挖工況下護(hù)樁的直徑對支護(hù)樁工作性能的影響。

1懸臂樁基坑支護(hù)數(shù)值模型的建立

本研究有限元計(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。計(jì)算基坑的大小為，懸臂支護(hù)樁樁徑為，樁距為，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。

2計(jì)算結(jié)果及分析

2.1分層開挖的有限元模型

分層挖土在基坑工程開挖數(shù)值模擬中，按照施工工序以及簡化計(jì)算模型的需要，將整個(gè)模擬計(jì)算過程分為4個(gè)開挖步，具體如下：

第一步：從地面開挖至地面以下2m;

第二步：從地面以下2m開挖至地面以下4m;

第三步：從地面以下4m開挖至地面以下6m;

第四步：從地面以下6m開挖至地面以下8m。

2.2樁徑的影響

基本參數(shù)取值為：樁的彈性模量E=2.8×10¹⁰Pa，泊松比=0.2，樁的密度為2500kg/m³;土抗剪強(qiáng)度c=10kPa，φ=20^o，土的變形模量E₀=1.25×10⁷Pa，泊松比=0.39，土的重度為19kN/m³。樁徑d的取值分別為0.6m、0.8m、1.0m、1.2m、1.4m。

2.2.1對樁水平位移的影響

計(jì)算結(jié)果見圖 1。

由圖1可以知道：不同樁徑時(shí)樁的最大水平位移出現(xiàn)在樁頂端，隨著樁長的增加，樁的水平位移隨之減小，樁的最小水平位移在樁底，且樁的最小水平位移不為零。隨著樁徑的增大，樁身的最大水平位移減少，但對樁底的水平位移影響不大。當(dāng)樁徑為0.6m時(shí)，樁的最大水平位移是99mm，比較大，當(dāng)樁徑從0.6m增大到1.4m時(shí)，樁的最大水平位移減小至21mm，減小的幅度為21.2%。當(dāng)樁徑從0.6m增大到0.8m時(shí)，水平位移減小的幅度為11.1%;當(dāng)樁徑從0.8m增大到1.0m時(shí)，水平位移減小的幅度為5.6%;當(dāng)樁徑從1.0m增大到1.2m時(shí)，水平位移減小的幅度為4.7%;當(dāng)樁徑從1.2m增大到1.4m時(shí)，水平位移減小的幅度為2.5%。期間水平位移減小的幅度逐漸變小，這說明適當(dāng)增大樁徑可以有效地減小懸臂樁的水平位移，但是當(dāng)d﹥1.2m時(shí)對減小樁身水平位移的影響不明顯。

2.2.2對樁身應(yīng)力的影響

懸臂式支護(hù)樁作為“被動(dòng)樁”，主要以受彎為主。支護(hù)樁受力主要集中在基坑開挖面附近，最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力基本上都位于樁頂以下10m左右處，呈兩頭小、中間大的分布趨勢。

隨著樁徑的增大，同一樁徑下最大拉應(yīng)力的值與最大壓應(yīng)力的值之間的差距拉大，由18.73%增大到115.23%。隨著樁徑的增大，最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力都有所減小。可知：適當(dāng)增大樁徑可以減小樁的最大應(yīng)力值，由理論力學(xué)知識(shí)可知最大應(yīng)力值與最大彎矩相對應(yīng)，由于支護(hù)樁按抗彎配筋，所以大樁徑的設(shè)計(jì)，可以減小支護(hù)樁體的鋼筋用量，在經(jīng)濟(jì)上有著有益的作用。

2.2.3 ANSYS計(jì)算的土壓力與朗金理論土壓力的比較

不同樁徑下樁支護(hù)側(cè)與開挖側(cè)土壓力的分布都基本上呈線性分布，且都是隨著土的深度的增加而增加。樁徑變化時(shí)，支護(hù)側(cè)與開挖側(cè)土壓力基本無變化。不同樁徑下有限元計(jì)算的臨界深度都為4m，而用郎金理論計(jì)算的臨界深度為1.43m，用朗金理論計(jì)算的土壓力臨界深度值比用ANSYS有限元計(jì)算的值要小。開挖側(cè)土壓力用有限元方法計(jì)算的值普遍要比靜止土壓力大，這表明開挖側(cè)的土壓力主要是被動(dòng)土壓力。由上分析可知：樁徑的改變對于支護(hù)樁土壓力的分布影響不大，用朗金理論所得的支護(hù)土壓力的計(jì)算結(jié)果是偏于保守的，郎金理論值比有限元計(jì)算值最大相差23.4kPa。

3結(jié)論

計(jì)算分析表明：在分層開挖工況下，增大樁徑可以減小支護(hù)樁樁身水平方向的位移，樁徑0.6m時(shí)樁身最大水平位移為99mm，樁徑1.0m時(shí)樁身最大水平位移84mm，由0.6m增加到1.0m，水平位移減小幅度大。同時(shí)，樁徑0.6m時(shí)樁體的最大應(yīng)力值為2262.00kPa，樁徑1.0m時(shí)樁體的最大應(yīng)力值為1002.10kPa，由0.6m增加到1.0m，樁體的最大應(yīng)力值影響明顯。因此樁徑一般選在0.8m到1.2m之間是比較經(jīng)濟(jì)合理的。

參考文獻(xiàn)

[1]? 桂國慶. 深基坑工程的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].工程力學(xué)，2000，3（增刊）：406–412.（GUI Guo-qing. Research actuality and development direction on deep foundation engineering[J]. Engineering Mechanics，2000，3（Supp）：406–412.）.

[2]? S. J. Boone and A.M.Crawford，Braced excavations：Temperature，elastic modulus，and sturt Loads，Journal of Geotechnical and Geo environmental Engineering，2000. 10：870-881.

[3]? 王曙光.深基坑支護(hù)事件處理經(jīng)驗(yàn)錄[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

作者簡介：黃春花，女，廣西桂林，1986年3月，碩士，助教，研究方向：建筑工程技術(shù)，工程造價(jià)。