基坑斜直交替傾斜樁支護性能模擬分析

高欣亞

（青海大學 土木工程學院，青海 西寧810016）

引言

在基坑工程中排樁實際施工程中因施工的順序不當造成了很多基樁傾斜的情況，一些學者對這些傾斜樁進行了研究，發現傾斜支護樁相較于豎直支護樁能夠更好地減小在基坑開挖過程中由水平荷載引起的樁頂水平位移和樁身側向變形，且樁身彎矩更小支護性能更強[1]，鄭剛[2]通過模型試驗對不同傾角和不同布樁形式的單排傾斜支護樁的支護性能進行研究，得出同等條件下，傾斜豎直交替布置的單排傾斜樁支護性能最強，豎直單排樁抗傾覆能力最弱的結論。孔德森[3]依據鄭剛等模型試驗數據進行數值模擬進一步驗證了模型試驗的準確性以及傾斜支護樁的優越性。徐源[4]通過將雙排樁支護中的前排樁傾斜一定角度形成了斜直交替的雙排樁支護形式，并通過模型試驗研究了不同傾角、不同樁間距和不同布樁方式下該結構的受力性狀。王恩鈺[5]結合數值模擬軟件研究了不同形式斜直交替傾斜樁支護結構支護性能。

本文在已有研究基礎上對斜直交替傾斜樁支護結構進行研究。通過有限元分析軟件PLAXIS-3D 對斜直交替傾斜樁在不同斜樁傾角下的支護性能進行對比分析，探究斜樁傾角對該支護結構的影響作用。

1 有限元模型的建立與計算

1.1 模型建立。以某工程實例[5]為背景采用PLAXIS-3D 建立三維有限元模型。模型整體寬為7.2m，長度取80m，開挖深度為6m，坑底寬度設定為40m。支護結構斜樁傾角分別設為5°、10°、15°和20°，用來比較不同斜樁傾角下支護機構支護性能變化。具體模型與斜直交替傾斜樁形式如圖1 所示。

圖1 斜直交替傾斜樁數值模型

模型土體采用10 節點四面體單元模擬，土體材料模型選用硬化土模型，排水類型設為排水，不考慮地下水對變形的影響，土體材料選用單一土層具體參數見表1。豎直支護樁采用板單元模擬，按截面等剛度原則計算板厚度為424mm，斜樁使用嵌入式梁單元模擬，樁間距為0.6m，其模型參數見表2。冠梁采用梁單元進行模擬，材料模型為線彈性模型，模型參數見表3。模型網格劃分粗細程度選擇“很細”，共生成11652 單元，20531 網格。

1.2 模型計算。計算第一步首先需要模擬天然場地應力場進行初始應力平衡，之后進行支護樁施工，為計算簡便將冠梁施工與支護樁施工合并在一個工況內完成，然后進行基坑的分步開挖，設定每次開挖深度為2m。兩種支護結構的基坑開挖工況相同，主要分為5 個工況進行。

表1 土體材料參數表

表3 冠梁參數表

2 計算結果對比分析

2.1 樁身位移對比分析。不同斜樁傾角下豎樁樁身位移曲線如圖2 所示。

圖2 樁身位移對比曲線

對比發現，不同斜樁傾角情況下樁身位移變化差異明顯。斜樁傾角為5°時，支護結構的豎樁樁身位移最大；當傾角變為10°時，豎樁位移值明顯減小，最大位移值與傾角為5°時相比減小50%。產生這種變化的原因主要是對于斜直交替支護結構，當斜樁具有一定傾斜角度時會對豎樁施加面向擋土側的水平力，對豎樁后的主動土壓力產生抵消作用。當斜樁傾角較小時，該水平力對樁后主動土壓力的抵消作用較弱，支護樁會產生較大的位移；隨著斜樁傾角的增加，斜樁的支撐效果逐步增強，對豎樁產生的水平力隨之增大，豎樁樁身位移因此減小。

另對比傾角為10°和5°時的豎樁身頂位移值，可以發現兩者差距明顯；而隨著傾角繼續增大到15°和20°，豎樁樁頂位移值正變為負值，這表明斜樁傾角增大可以有效限制豎樁樁頂變形，防止支護結構因樁頂變形過大發生破壞。

2.2 樁身彎矩對比分析。斜直交替傾斜樁在不同斜樁傾角時豎樁與斜樁的樁身彎矩對比曲線見圖3、圖4。

可看出當斜樁傾角分別為10°、15°和20°時，斜直交替傾斜樁中的豎樁彎矩整體相差不大，斜樁彎矩方面，傾角為15°和20°時，樁身彎矩大于傾角為10°的樁身彎矩。這說明隨著斜樁傾角增大，斜樁的支撐作用愈加明顯，其樁身內力也隨之增加，樁身彎矩因此變大。

圖3 豎樁樁身彎矩曲線

圖4 斜樁樁身彎矩曲線

斜樁傾角為5°和10°時，豎樁樁頂彎矩為負，說明在樁頂位置處支護樁擋土側受壓，臨空側受拉；而當傾角變為15°和20°時，樁頂彎矩為正彎矩，此時樁頂位置處臨空側受壓，擋土側受拉，這表明由于傾角增大，斜樁對豎樁施加的斜撐力使豎樁樁頂位置向后產生移動，豎樁樁頂彎矩變為正彎矩。

斜樁傾角為5°和10°時，豎樁樁頂彎矩為負，說明在樁頂位置處支護樁擋土側受壓，臨空側受拉；而當傾角變為15°和20°時，樁頂彎矩為正彎矩，此時樁頂位置處臨空側受壓，擋土側受拉，這表明由于傾角增大，斜樁對豎樁施加的斜撐力使豎樁樁頂位置向后產生移動，豎樁樁頂彎矩變為正彎矩。

對比傾角為5°和10°時的豎樁彎矩和斜樁彎矩可以發現，傾角為5°的豎樁彎矩小于傾角10°且豎樁最大彎矩不超過20kN·m，與傾角為10°時的樁身最大彎矩差距明顯；而斜樁彎矩卻大于傾角為10°時的斜樁彎矩。這說明當斜樁傾角為5°時，斜直交替傾斜樁中的斜樁起主要支護作用，豎樁的支護性能并未激發，支護結構整體的支護性能未被完全利用，因此，在實際工程中，設定斜樁傾角應當不小于10°以求完全利用斜直交替樁的支護性能。

3 結論

本文通過有限元分析軟件對不同斜樁傾角下斜直交替傾斜樁的支護性能和內力變化進行分析，得出了以下結論:從減小樁頂位移方面考慮，增大斜樁傾角能夠有效的限制豎樁樁頂位移變形，同時也可減小樁身整體變形，提升支護結構整體安全性。

從斜樁彎矩方面考慮，斜樁傾角增大會使斜樁彎矩增大，對豎樁的支撐作用變強，傾角過小，斜樁無法發揮其支護性能。對于其他影響因素如樁徑、樁間距以及地質條件等對斜直交替傾斜樁支護性能的影響，需要在接下來的工作中進行進一步研究。