基于ABAQUS模擬排距對傾斜組合樁影響分析

謝潘想，余振錫，陳志敏

(安徽工業大學 建筑工程學院，安徽 馬鞍山 243032)

0 前 言

傾斜組合樁在深基坑支護當中比較新穎，在同等外界環境下該種組合樁優于雙排樁，因為在開挖一定深度時雙排樁會因位移變形的影響而不能繼續使用，但對于傾斜組合樁而言，其具有很好的控制變形能力，是因為前排的傾斜樁起到了支撐作用，同時傾斜樁、豎直樁和樁間土形成了重力體[1]，很好地起到了類似重力式擋土墻的作用。由于樁間土的多少的問題受到了前排傾斜角度和傾斜樁與豎直樁之間的排距的影響，由于傾斜組合樁傾斜角度本身控制很小，所以在小角度變化下起到的影響并沒有排距的影響大。本文采用ABAQUS有限元軟件模擬了三種排距在兩種傾角下對傾斜組合樁的影響進行分析，排除單傾角下排距影響規律的偶然性。

1 工程概況

本文數值模擬以福建省某基坑傾斜組合樁支護為例，其基坑最大開挖9.7 m，周長約480 m，基坑形狀似矩形。模擬過程采用三次開挖，先進行第一次1∶0.75放坡開挖，開挖深度為3 m，距離坡腳向坑內方向3.5 m處進行施工樁和冠梁，然后依次第二次開挖3 m,第三次開挖3.7 m。模擬范圍內的土體物理指標見表1。

表1 土體物理指標參數

2 模擬計算及工況

2.1 尺寸擬定

考慮到傾斜組合樁的邊界效應以及周圍復雜的環境，為了簡化計算模型，截取其基坑支護的部分結構。幾何模型的寬度一般取開挖深度的3～4倍，高度取開挖深度的2～3倍[2]，以及根據基坑對稱性選取一半的開挖寬度的建模規則結合基坑支護結構模擬的位置最終擬定模型尺寸為100 m×50 m×6 m,樁后尺寸長為50 m，坑內尺寸約44 m，網格的劃分規則為由開挖區域向較遠區域由密到疏的單精度劃分法，如圖1所示。前排傾斜樁直徑d=0.6 m間距為2.4 m共3根。后排豎樁直徑d=0.6 m，間距為1.2 m共5根，冠梁長為6 m，高為0.8 m，寬度當排距1 d時為2 m，2 d時2.6 m，3 d時為3.2 m，傾斜組合樁結構如圖2所示。

圓形樁與方形樁的轉化公式進行簡化模型方樁邊長c為[3]:

c=0.866 d

(1)

圖1 傾斜組合樁支護模型及網格劃分示意圖

圖2 傾斜組合樁結構

2.2 模型載荷及邊界條件

此次模擬過程中沒有考慮基坑外地表附加應力和地下水壓力的作用，只對模型中的各個部件進行了自重加載。對于土體的邊界約束為，土體前后、左右面進行了水平兩個方向的約束，土體的底部控制了三個方向的約束。前排斜樁與冠梁采用Tie的約束，與土體采用將斜樁嵌固在土里。后排豎直樁與冠梁也是Tie的約束，與土體切向采用罰接觸，摩擦力為0.35，法向采用硬接觸[4]。冠梁與土體切向也是采用罰接觸，摩擦力為0.35，法向采用硬接觸。模型的地應力平衡采用ODB文件導入方式進行平衡。

2.3 模擬工況

在模擬過程中為了防止排距對傾斜組合樁的位移影響出現偶然性，采用了兩種傾角分別進行了3種不同排距的模擬，工況如見表2。

3 數據統計分析

3.1 數據統計

經過6種工況的數值模擬得出前排傾斜樁和后排豎直樁的水平位移云圖如圖3～8所示。

圖3 工況1水平位移云圖

圖4 工況2水平位移云圖

圖5 工況3水平位移云圖

圖6 工況4水平位移云圖

圖7 工況5水平位移云圖

圖8 工況6水平位移云圖

以上6種工況云圖中每張圖中左邊為斜樁云圖，右邊為豎直樁云圖，進行最大位移統計見表3。

表3 傾斜組合樁最大水平位移 單位:mm

3.2 數據分析

將6種工況的最大水平位移對比如圖9所示。

從工況1到工況3或者從工況4到工況6，都可以看出隨著排距的增加，斜樁的最大位移是先增加后減小，而豎直樁是先減小后增加的規律。因為當排距增加時樁間土增多，傾斜組合樁與樁間土形成的剛體變大，抗位移能力變強，因此豎直樁最大位移變小。但是隨著排距不斷增加，雖然剛度變強，整體的重度變大，但抗滑移能力變弱，因此將可能發生整體支護結構向坑內滑移，從工況6中就能很好地體現這一點，結合工況6的位移云圖可以看出冠梁下部的豎直樁整體發生幾乎同步位移。

圖9 6種工況最大水平位移對比

通過觀察6種工況可以看出前排傾斜樁的最大位移普遍大于后排豎直樁，是由于樁間土增多，作用在前排傾斜樁的水平力變大所導致。

比較工況1與工況4或者工況2與工況5，可以看出當前排傾斜樁傾角增加4°時，整體的抗位移能力并不是很明顯，因為角度增加得很小，樁間土的增量很小，整體剛體變化不大，其對位移影響很小。

4 結 論

1)排距不能過大，從6種工況種模擬結果最好的排距是2 d,是因為豎直樁的位移很小，整體支護結構沒有發生滑移，支護效果很好，但不能忽視傾斜樁的位移。

2)傾斜組合樁中要注意傾斜樁在樁間土的作用下的支撐能力，必要時要提高傾斜樁的抗彎能力以及抗壓能力。

3)傾斜角度并不是越大越好，從模擬中看出傾角12°要比16°要好。

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