不同工況下三排樁基坑支護特性分析

曹新剛，丁飛 （中煤第三建設(shè)(集團)有限責(zé)任公司，安徽 宿州 234000）

三排樁是由前排樁、中排樁、后排樁和樁頂?shù)墓诹?、連系梁組成的空間超靜定結(jié)構(gòu)，與雙排樁相比，其具有更大的抗側(cè)移剛度、更大的抗傾覆性能。三排樁適用于變形控制要求苛刻、不用或少用內(nèi)支撐、不允許錨桿侵入周邊地界的狹小場地等多種情況，已在河流岸坡工程[1，2]、高邊坡治理[3，4]、基坑支護[5，6]等工程中得到了使用。

目前關(guān)于抗滑樁的研究主要集中于雙排樁，對三排樁的研究較少，三排樁的受力機理與抗滑機制尚不明確。為此，本文基于有限元法，對比分析了基坑支護工程中4種不同構(gòu)型的三排樁的內(nèi)力區(qū)別，以便深入了解三排樁的特性，促進其在工程實踐中的應(yīng)用。

1 有限元計算模型

現(xiàn)以某基坑的工程地質(zhì)為例，考察三排樁的受力特征。三排樁各樁樁徑為0.8m、間距1.5m，最大樁長20.0m，排距3.0m，樁頂?shù)倪B系梁尺寸為0.8m×0.8m?；娱_挖深度12.0m。事實上，基坑開挖過程中，三排樁的設(shè)置具有多種構(gòu)型。為了尋求相對較為經(jīng)濟合理的布置方式，現(xiàn)設(shè)置下列四種工況進行對比計算。

①工況一：前排樁、中排樁、后排樁的長度相等，均為20.0m，如圖1(a)所示。

②工況二：中排樁、后排樁的長度相等均為20.0m，前排樁長度為16.0m，如圖1(b)所示。

③工況三：前排樁與中排樁的長度相等為16.0m，后排樁長度為20.0m，如圖1(c)所示。

④工況四：前排樁長度為12.0m，中排樁長度為16.0m，后排樁長度為20.0m，三者呈臺階狀分布，如圖1(d)所示。

上述各工況中各樁的樁底標(biāo)高均相同。

圖1 基坑支護工程中三排樁的不同構(gòu)型

根據(jù)地勘報告，從上至下各土層可分為①雜填土、②粉質(zhì)黏土、③粉土、④強風(fēng)化泥巖、⑤中風(fēng)化泥巖、⑥微風(fēng)化泥巖，采用小應(yīng)變土體硬化(HS-Small)本構(gòu)模型對各土層進行模擬，主要計算參數(shù)見表1。表中為標(biāo)準(zhǔn)三軸排水試驗所得割線模量，為側(cè)限加載試驗的切線模量，為工程應(yīng)變卸載/重加載模量。圖2給出了工況一的網(wǎng)格剖分情況。

圖2 網(wǎng)格剖分情況

數(shù)值計算按平面應(yīng)變問題考慮，樁與連系梁等效為板單元，等效后樁的軸向剛度EA=1.63E7 kN/m、抗彎剛度EI=4.02E5 kN·m2/m，連系梁的軸向剛度EA=2.09E7 kN/m、抗彎剛度EI=8.54E5 kN·m2/m。

基坑采用分層、分步開挖，開挖至底時為最危險工況，下面僅對比最危險工況下的變形與樁體內(nèi)力取值情況。

2 計算結(jié)果分析

2.1 土體水平位移

基坑施工過程中，土體的水平位移是重要的監(jiān)控參數(shù)?；娱_挖至底時，各工況下土體的水平位移等值線分布如圖3所示。各工況下土體水平位移等值線的形狀分布基本相似，水平位移最大值均位于坑頂土體中。工況一～工況四的土體水平位移最大值分別為34.6mm、25.0mm、28.7mm、22.3mm?？梢姡艠堕L度累計最大的工況一的水平位移最大，而三排樁長度累計最小的工況四的的水平位移反而最小。

土層計算參數(shù) 表1

工況一中三排樁在頂部基于連系梁形成整體，此時三排樁的長度最長。在結(jié)構(gòu)力學(xué)中，柱子的抗側(cè)移剛度與柱子高度的平方成反比。根據(jù)此概念，工況一中三排樁的長度最大，故其抗側(cè)移剛度最小，導(dǎo)致土體水平位移最大。而在工況四中，對于后排樁而言，連系梁支撐點下移反而提高了其抗側(cè)移剛度，前排樁與中排樁的長度變短也提高了抗側(cè)移剛度，故其總體上抗側(cè)移剛度最大、土體的水平位移最小。

可見，抗滑樁的長度不是越長越好，需考慮其綜合的抗側(cè)移能力。三排樁的布置中，工況四的水平位移最小，其累計樁長最小、用料最少、造價相對較低，顯然是較為合理的構(gòu)型。

圖3 土體水平位移等值線分布圖(單位：mm)

2.2 樁體水平位移

基坑開挖至底時，前排樁、中排樁、后排樁的水平位移如圖4～圖6所示。前排樁的水平位移最大值在工況一～工況四中分別為34.9mm、24.5mm、19.1mm、7.6mm；中排樁的水平位移最大值在工況一～工況四中分別為31.2mm、25.2mm、18.4mm、13.6mm；后排樁的水平位移最大值在工況一～工況四中分別為31.2mm、24.1mm、28.7mm、22.9mm。

可見，前排樁與中排樁的水平位移最大值在工況一～工況四中依次減??；后排樁的水平位移最大值在工況一中最大，工況三次之，工況二再次之，工況四中最小。

可見，工況一的各排樁水平位移最大、工況四的水平位移最小，這樣土體的變形規(guī)律是一致的。采用工況四較合理，其具有較小的水平位移，更能滿足規(guī)范要求。

圖4 前排樁水平位移分布

圖5 中排樁水平位移分布

圖6 后排樁水平位移分布

2.3 樁體軸力分布

基坑開挖至底時，前排樁、中排樁、后排樁的軸力分布如圖7～圖9所示。前排樁的軸力絕對值最大值在工況一～工況四中分別為288.1kN/m、260.5 kN/m、167.6 kN/m、115.3kN/m；中排樁的軸力絕對值最大值在工況一～工況四中分別為178.8kN/m、110.6kN/m、140.3 kN/m、136.7kN/m；后排樁的軸力絕對值最大值在工況一～工況四中分別為85.2kN/m、80.2kN/m、87.1 kN/m、103.5kN/m?？梢?，前排樁的軸力最大值位于坑底位置處，工況一～工況四中前排樁軸力最大值依次減小；中排樁的軸力最大值在工況一中最大，工況三與工況四居中，工況二中最?。缓笈艠兜妮S力最大值在工況四中最大，其余工況相差不大。

圖7 前排樁軸力分布

圖8 中排樁軸力分布

2.4 樁體剪力分布

基坑開挖至底時，前排樁、中排樁、后排樁的剪力分布如圖10～圖12所示。前排樁的剪力絕對值最大值在工況一～工況四中分別為192.2kN/m、190.0 kN/m、159.2 kN/m、117.1kN/m；中排樁的剪力絕對值最大值在工況一～工況四中分別為 34.4kN/m、82.8 kN/m、44.6 kN/m、107.8kN/m；后排樁的剪力絕對值最大值在工況一～工況四中分別為78.2kN/m、56.9 kN/m、118.1 kN/m、64.3 kN/m?？梢?，前排樁的剪力最大值位于坑底位置處，工況一～工況四中前排樁剪力最大值依次減??；中排樁的剪力最大值在工況一與工況三中取值較小，而在工況二與工況四中取值較大；后排樁的剪力最大值在工況三中最大，其余三種工況取值基本相當(dāng)。

圖9 后排樁軸力分布

圖10 前排樁剪力分布

圖11 中排樁剪力分布

2.5 樁體彎矩分布

基坑開挖至底時，前排樁、中排樁、后排樁的彎矩分布如圖13～圖15所示。前排樁的彎矩絕對值最大值在工況一～工況四中分別為 324.3kN·m/m、297.3kN·m/m、236.6kN·m/m、155.4kN·m/m；中排樁的彎矩絕對值最大值在工況一～工況四中分別為 230.9kN·m/m、286.1kN·m/m、187.9kN·m/m、155.5kN·m/m；后排樁的彎矩絕對值最大值在工況一～工況四中分別為331.4kN·m/m、258.8kN·m/m、216.9kN·m/m、80.7kN·m/m?？梢姡r一～工況四中前排樁與后排樁彎矩最大值均依次減??；中排樁中彎矩最大值在工況二中最大，工況一次之，工況三次之，工況四最小。

2.6 基坑穩(wěn)定性分析

基于強度折減有限元法[7，8]，對基坑開挖至底時的穩(wěn)定性進行分析，得到土體潛在滑裂面位置如圖16所示，計算表明各工況的潛在滑裂面基本一致，三排樁的上部構(gòu)型變化對滑裂面的位置基本無影響。工況一的安全系數(shù)最小，工況四的安全系數(shù)最大，但各工況的安全系數(shù)均大于2.0，說明基坑的穩(wěn)定性滿足要求，基坑施工由變形控制而不由穩(wěn)定性控制，這與已有的施工經(jīng)驗是一致的。

圖12 后排樁剪力分布

圖13 前排樁彎矩分布

圖14 中排樁彎矩分布

綜上所述，雖然工況四的累計樁長最小，但在四種工況中其土體變形、樁體變形、樁體彎矩最大值均為最小，安全系數(shù)最大；相反，雖然工況一的累計樁長最大，但在四種工況中其土體變形、樁體變形、樁體彎矩最大值均為最大，安全系數(shù)最小?？梢?，三排樁的布置中，工況四為最優(yōu)構(gòu)型，該結(jié)論應(yīng)引起設(shè)計人員的重視。

3 結(jié)論

基坑開挖過程中，可采用三排樁進行支護。設(shè)計了四種不同工況進行對比計算，其中工況一中三排樁長度相等、累計長度最大，工況四各排樁呈階梯狀分布、累計長度最小。計算表明，雖然工況一的累計樁長最大，但在四種工況中其土體變形、樁體變形、樁體彎矩最大值均為最大，安全系數(shù)最小；而工況四的土體變形、樁體變形、樁體彎矩最大值均為最小，安全系數(shù)最大?？梢?，階梯狀分布的三排樁構(gòu)型是最合理的布置方式。

圖15 后排樁彎矩分布

圖16 基坑的潛在滑裂面位置