前排傾斜雙排樁支護(hù)性狀有限元分析*

馬雪兵，余地華，鄭 剛，賴國(guó)梁，葉 建，黃曉程，程雪松

(1.中建三局集團(tuán)有限公司工程總承包公司，湖北 武漢 430064； 2.天津大學(xué)土木工程系，天津 300072)

0 引言

在當(dāng)前深基坑行業(yè)發(fā)展中，深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與施工越來越多地向綠色建造模式發(fā)展，圓環(huán)撐、鋼支撐、可回收支護(hù)愈發(fā)受到重視，大型深基坑工程支護(hù)體系多向節(jié)約型支護(hù)體系發(fā)展，如中心島法、逆作法等。

現(xiàn)階段，為實(shí)現(xiàn)深基坑無內(nèi)支撐節(jié)約型設(shè)計(jì)與施工，多采用單排或雙排垂直懸臂樁支護(hù)，然而常規(guī)單排懸臂樁支護(hù)深度在5～6m，常規(guī)雙排懸臂樁支護(hù)深度約在10～13m，無法無支撐應(yīng)用于深度>15m的深基坑工程。傾斜樁較豎直樁可減小樁后土壓力，增大樁前土壓力，在作為雙排樁前樁時(shí)，因可提供部分水平抗力，可有效增加支護(hù)深度，結(jié)合坑內(nèi)留土，坑頂放坡，形成更深的懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)。天津大學(xué)鄭剛教授團(tuán)隊(duì)已通過理論分析和室內(nèi)模型試驗(yàn)，證實(shí)傾斜樁支護(hù)較常規(guī)豎向垂直樁支護(hù)可提高無內(nèi)支撐式支護(hù)深度。

本文主要針對(duì)雙排樁組合形式，前樁傾斜雙排樁材質(zhì)、傾角，坑內(nèi)留土高度、寬度等參數(shù)對(duì)傾斜雙排樁支護(hù)效果影響進(jìn)行分析，以對(duì)傾斜雙排樁支護(hù)性質(zhì)有更深一步了解。

1 巖土參數(shù)與建模原則

參考武漢地區(qū)某工程地層條件，該地層為武漢長(zhǎng)江I級(jí)階地二元地層典型地層分布，土體及材料參數(shù)如表1所示。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

用二維平面應(yīng)變模型分析土體開挖過程，排樁按照抗彎剛度等效方法轉(zhuǎn)化為樁墻，簡(jiǎn)化成樁墻的過程參見《基坑工程手冊(cè)》(2版)，利用Midas/GTS軟件建立平面應(yīng)變模型，模型范圍水平方向80m，深度范圍60m，以滿足邊界條件對(duì)基坑變形無影響的要求，模型左右及底部設(shè)置固定邊界，地表為自由邊界。

2 基于傾斜樁的雙排樁組合形式支護(hù)效果分析

為研究含傾斜樁的雙排樁支護(hù)體系最優(yōu)組合形式，在相同樁徑、樁長(zhǎng)、開挖深度、地層條件下對(duì)比各種組合類型的支護(hù)效果。本計(jì)算模型中，樁徑都為1m，樁長(zhǎng)都為30m，開挖深度都為12m。

2.1 有限元模型(見圖1)

圖1 有限元模型

2.2 支護(hù)效果分析

開挖至基坑底后不同類型雙排樁前樁樁身位移隨深度變化曲線如圖2所示，前排樁樁身彎矩曲線如圖3所示。圖中l(wèi)為樁身點(diǎn)位距離樁頂?shù)木嚯x，L為樁長(zhǎng)，u為樁身水平位移，M為樁身彎矩。

圖2 開挖12m時(shí)不同類型雙排樁前排樁樁身水平位移

圖3 開挖12m時(shí)不同類型雙排樁前排樁樁身彎矩

從圖2結(jié)果來看，5種類型雙排樁控制土體變形效果由強(qiáng)到弱的排序?yàn)椋呵昂笈艠斗謩e外傾15°>前排樁外傾15°>后排樁內(nèi)傾15°>后排樁外傾15°>雙排豎直樁。在開挖至基底后，前后排樁分別外傾15°與前排樁外傾15°時(shí)土體變形相差不大，考慮造價(jià)、施工難度與所需施工空間等因素，推薦應(yīng)用前排樁外傾15°這類雙排樁支護(hù)形式，即前排外傾后排垂直雙排樁形式。

從圖3結(jié)果來看，前樁樁身彎矩出現(xiàn)反彎點(diǎn)位置大約在0.5L～0.6L處，在開挖面以下，反彎點(diǎn)以上樁身后側(cè)受拉，反彎點(diǎn)以下樁身前側(cè)受拉。通過彎矩?cái)?shù)值對(duì)比可知，前樁傾斜時(shí)，前樁樁身彎矩明顯減小，對(duì)樁身受力有利。綜合考慮位移與彎矩?cái)?shù)值對(duì)比結(jié)果與施工難度和造價(jià)，推薦采用前樁傾斜后樁垂直的組合形式。

3 材質(zhì)對(duì)前排傾斜雙排樁的支護(hù)效果影響分析

針對(duì)前樁傾斜、后樁垂直雙排樁，考慮前排傾斜樁樁體材料對(duì)支護(hù)效果影響，以尋求樁身材料與施工工藝的相互替代。本計(jì)算模型中(見圖4)，后樁樁徑都為1m，樁間距1.2m，前后樁樁長(zhǎng)都為30m，開挖深度都為12m。

圖4 前排傾斜雙排樁有限元模型

共考慮了5種材質(zhì)的樁體，分別為PHC管樁、鋼管混凝土樁、鋼管水泥土樁、鋼管樁和混凝土樁(鉆孔灌注樁)，具體樁型規(guī)格如表2所示。

表2 不同材質(zhì)樁體參數(shù)

具體5種樁的截面尺寸如圖5所示。

圖5 不同材質(zhì)前樁大樣圖

開挖12m時(shí)不同材質(zhì)前排樁樁身位移如圖6所示。由圖可見，開挖12m時(shí)樁身最大位移并不在樁頂，而是在距離樁頂0.3L～0.4L位置處，說明斜樁支護(hù)控制土體變形效果類似于帶有頂部1道支撐的支護(hù)體系。5種材質(zhì)下，支護(hù)效果強(qiáng)弱為：鋼管混凝土樁>混凝土樁>鋼管水泥土樁>鋼管樁> PHC管樁。在12m左右的開挖深度，鋼管混凝土樁(勁性結(jié)構(gòu))與混凝土樁為比較理想的材料結(jié)構(gòu)。

圖6 開挖12m時(shí)不同材質(zhì)前排樁樁身水平位移

分析前排樁樁身彎矩可以發(fā)現(xiàn)(見圖7)，不同材質(zhì)樁身彎矩排列順序與位移一致，說明擋土效果越強(qiáng)的樁體所要承受的彎矩會(huì)更大，所需樁身材質(zhì)剛度也需更大。

圖7 開挖12m時(shí)不同材質(zhì)前排樁樁身彎矩

4 前排傾斜樁傾角對(duì)支護(hù)效果影響分析

本計(jì)算模型形式同圖4，前后樁都用混凝土樁，前后樁樁徑都為1m，樁間距1.2m，前后樁樁長(zhǎng)都為30m，開挖深度都為12m，改變前樁傾斜角度，計(jì)算結(jié)果如下。

前排樁不同傾角下開挖至6，12m時(shí)樁身最大水平位移值如圖8所示，顯然，前排樁傾角越大樁身最大水平位移越小。就最不利工況(開挖12m)而言，前排樁傾角從0°～15°增大時(shí)最大水平位移減小，在0°～5°樁身最大水平位移下降最大，為96mm；10°～15°樁身最大水平位移下降值最小，只有5.5mm，隨角度增大位移差呈逐步收斂趨勢(shì)，針對(duì)特定基坑工況，存在最優(yōu)經(jīng)濟(jì)角度。在本開挖深度時(shí)15°為最優(yōu)經(jīng)濟(jì)角度。

圖8 不同前排樁傾角下開挖至6，12m時(shí)前樁最大水平位移

不同傾角下前樁最大彎矩值如圖9所示，在前排樁傾角逐步增大時(shí)，樁身彎矩逐步減小，可以理解為角度增大，前排樁除抗彎外，還提供了支撐作用，提供軸力，減小位移，對(duì)支護(hù)有利。

圖9 開挖至6，12m時(shí)前樁最大彎矩值

5 反壓留土對(duì)傾斜雙排樁性狀影響分析

計(jì)算模型如圖10所示，前后樁樁徑都為1m，樁間距1.2m，前后樁樁長(zhǎng)都為30m，開挖深度都為15m，留土采用加固體。

圖10 反壓土對(duì)傾斜雙排樁影響分析有限元模型

5.1 留土高度的影響

分析留土高度對(duì)支護(hù)樁變形控制影響，考慮不同留土高度分別為4，6，8，10m和12m，留土平臺(tái)寬度為8m，基坑開挖深度15m。樁身位移與彎矩隨留土高度變化關(guān)系如圖11所示。

圖11 留土高度對(duì)樁身水平位移與彎矩影響

前排樁樁身最大位移與最大彎矩隨留土高度變化規(guī)律如圖12所示。從擬合曲線來看，隨留土高度的增加，樁身最大位移變化接近二次函數(shù)規(guī)律，在留土高度達(dá)到10m左右趨近穩(wěn)定；樁身最大彎矩隨留土高度變化呈現(xiàn)線性變化規(guī)律，留土高度增加，樁身最大彎矩下降。

圖12 前排樁樁身最大位移與最大彎矩隨留土高度變化

5.2 留土寬度的影響

考慮留土寬度分別為5，10，15m和20m情況下，留土高度為8m，對(duì)應(yīng)的前排樁水平位移和樁身彎矩如圖13所示，樁身最大位移與最大彎矩隨留土寬度變化關(guān)系如圖14所示。

圖13 不同留土平臺(tái)寬度開挖15m時(shí)樁身水平位移與彎矩

圖14 前排樁樁身最大位移與最大彎矩隨留土平臺(tái)寬度變化

從圖14可以看出，隨著留土寬度增大，樁身水平位移和彎矩持續(xù)減小，留土寬度與高度對(duì)樁身位移與彎矩影響規(guī)律相似。

5.3 留土寬度與高度選取

從上述計(jì)算結(jié)果中可以看出，結(jié)合坑內(nèi)留土，前排傾斜雙排樁可應(yīng)用于武漢長(zhǎng)江I級(jí)階地二元軟土地層，開挖深度在15m左右的深基坑工程。

坑內(nèi)留土可明顯提供前排傾斜雙排樁支護(hù)效果，水平位移隨留土高度和寬度增大都呈現(xiàn)二次函數(shù)型減小并趨于收斂。同時(shí)考慮設(shè)計(jì)與施工中的經(jīng)濟(jì)效益，選取經(jīng)濟(jì)合理的留土高度和寬度。如本案例中，開挖深度15m，留土高度8～10m，寬度10～15m較為合理。

6 結(jié)語

利用有限元軟件，針對(duì)雙排樁組合形式、前樁傾斜雙排樁材質(zhì)與傾角、坑內(nèi)留土高度與寬度等參數(shù)對(duì)傾斜雙排樁支護(hù)效果的影響進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論，以便于對(duì)傾斜雙排樁支護(hù)性狀有更深一步了解。

1)在傾斜雙排樁組合形式中，前后樁同時(shí)外傾與前樁外傾兩種形式支護(hù)效果最為理想，鑒于造價(jià)、施工難度、所需施工空間，在傾斜雙排樁組合支護(hù)中推薦應(yīng)用前樁傾斜雙排樁，即前樁外傾后排垂直的形式。

2)前樁樁身彎矩反彎點(diǎn)出現(xiàn)位置大約在0.5L～0.6L深度處，在開挖面以下；反彎點(diǎn)以上樁身后側(cè)受拉，反彎點(diǎn)以下樁身前側(cè)受拉。在前樁傾斜時(shí)，前樁樁身彎矩明顯減小，對(duì)樁身受力有利。

3)在本文所取土層中，在開挖12m左右時(shí)，前排傾斜樁采用鋼管混凝土樁(勁性結(jié)構(gòu))與混凝土樁為比較理想的材料結(jié)構(gòu)。

4)前排傾斜雙排樁支護(hù)位移隨角度增大逐步減小并收斂，在本文所取地層與開挖深度中，比較經(jīng)濟(jì)的角度為15°；在前排樁傾角逐步增大時(shí)，樁身彎矩逐步減小，角度增大后前排樁除抗彎外，還提供了支撐作用。

5)結(jié)合留土，前排傾斜雙排樁可應(yīng)用于開挖深度在15m左右的深基坑工程。前排樁樁身最大位移隨留土高度與寬度的增加呈現(xiàn)二次函數(shù)型減小，彎矩隨留土高度與寬度增加呈現(xiàn)線性減小，從位移支護(hù)效果考慮，存在經(jīng)濟(jì)性留土高度和寬度。