基于實際工程的扶壁式排樁支護結(jié)構(gòu)三維有限元模擬

羅雄章 廣西建筑科學研究設(shè)計院

1 前言

隨著城市建筑密度日益增加，周邊建筑物對基坑土體的變形越來越敏感，與此同時，支護空間受到了很大限制。樁錨支護或單排樁加內(nèi)支撐支護在控制基坑變形方面效果雖然較好，但樁錨結(jié)構(gòu)受環(huán)境條件限制，內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)占用空間大而影響后續(xù)施工。雙排樁支護結(jié)構(gòu)作為常用的深基坑支護方式，其彌補了樁錨支護或單排樁加內(nèi)支撐的缺陷。雙排樁支護體系由前、后排樁及連系梁構(gòu)成一種門式剛架體系，與樁間土體協(xié)同工作以支擋基坑側(cè)壁土壓力。雙排樁支護結(jié)構(gòu)在受力之后，其自我調(diào)整與分配使得內(nèi)力分布合理，且能有效控制基坑周邊土體變形。但當基坑周邊支護空間過窄時，出現(xiàn)了只有后排樁擋土，前排樁位于基坑內(nèi)部的一種新型多排樁支護結(jié)構(gòu)，許勝才等[1]將之稱為特殊雙排樁以區(qū)別于一般雙排樁，并采用ABAQUS 有限元軟件對其支護效應進行模擬分析。扶壁式排樁支護結(jié)構(gòu)是在支護空間受限制的情況下提出的另一種新型多排樁支護形式，即在單排樁基礎(chǔ)上每間隔兩根支護樁設(shè)置三排樁作為扶壁支撐，排樁間通過剛架梁連接，只有后排樁支擋基坑側(cè)壁，前排樁及中排樁置于地下室內(nèi)側(cè)，且排樁間土體被挖除，便于后期基礎(chǔ)工程樁施工，連系梁穿過地下連續(xù)墻，待主體結(jié)構(gòu)施工完畢，切除前、中排樁及連系梁。

2 雙排樁或多排樁支護結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

本文主要借鑒學者們對于雙排樁結(jié)構(gòu)的研究成果，目前，雙排樁的相關(guān)設(shè)計計算方法包括彈性抗力法[2]、極限平衡法[3]及數(shù)值計算法。劉泉聲等基于彈性抗力法思想，建立平面桿系有限元模型，對雙排樁結(jié)構(gòu)的受力變形及相關(guān)影響參數(shù)進行了研究討論，李俊麗等采用ABAQUS 有限元軟件結(jié)合實際工程建立雙排樁計算模型，分析研究開挖深度、排距、雙排樁布置形式對雙排樁受力及變形的影響。三排樁結(jié)構(gòu)多被用于高深岸坡支護，田忠青等建立平面桿系有限元模型，通過對土壓力分配與土彈簧的研究探討，提出三排樁修正計算模型。

目前，針對雙排樁或者三排樁結(jié)構(gòu)的研究存在以下問題。（1）基于極限平衡法或者彈性抗力法進行雙排樁支護結(jié)構(gòu)模擬分析，不可避免前后排樁的土壓力分配問題；（2）基于Winkler地基梁思想建立的雙排樁或三排樁平面桿系模型，把基坑開挖看作平面問題，且把樁簡化成梁單元的過程中，忽略了樁土摩擦作用；（3）針對三排樁的數(shù)值模擬文獻不多，且是針對樁排間有土體的。樁排間無土體的扶壁式排樁支護效應研究缺乏文獻資料，本文在總結(jié)、借鑒雙排樁或三排樁研究資料的基礎(chǔ)上，基于實際工程，對樁排間無土體的扶壁式排樁這一新型支護結(jié)構(gòu)進行有限元模擬分析，并與雙排樁支護結(jié)構(gòu)進行比較，為扶壁式排樁支護結(jié)構(gòu)在實際工程設(shè)計上的應用提供參考。

3 工程實例

3.1 工程概況

某新建路北側(cè)有一在建商住樓項目，規(guī)劃用地內(nèi)包括4棟31～32層高層住宅樓，設(shè)2層整體地下室，地下室東面、南面距市政道路邊5m～7m，北面開闊，西面3m 處為一棟4 層高移動通信生產(chǎn)綜合樓，樓內(nèi)安裝的生產(chǎn)設(shè)備對變形非常敏感。同時，地下室西側(cè)有設(shè)備管線、自來水管等地下管道，位置不詳。

依據(jù)巖土工程勘察報告及土工試驗成果，對場地地質(zhì)情況進行適當簡化后，場地土層和排樁的物理力學參數(shù)見表1所示。場地內(nèi)分布一層地下水，屬孔隙潛水，主要賦存于各土層的孔隙及裂隙中，水量不大。水位埋深穩(wěn)定在4.60m～8.30m，受大氣降水及周圍生活用水補給。為反映基坑周邊建筑物對基坑開挖的影響，在基坑周邊地面按每層樓10kPa施加局部荷載。

表1 各土層及樁體物理力學參數(shù)

該建筑基坑支護工程平面尺寸為145m×115m，周長為520m，基坑開挖深度約為7.0m，屬深大基坑，為保證基坑穩(wěn)定需進行支護?？紤]到基坑西面周邊環(huán)境對基坑土體變形控制的要求較高，但建筑紅線內(nèi)可利用空間非常有限，限制了雙排樁支護的使用，所以在基坑西側(cè)采用扶壁式排樁支護形式。如圖1所示，后排樁的布置采用密排形式，前、中排樁則每間隔兩根后排樁進行布置，設(shè)計排樁排間距分別為2.0m、2.55m，樁間距為2.0m，設(shè)計樁徑1.2m，排樁間剛架梁寬1500mm、高1000mm。

圖1 扶壁式排樁平面布置圖

3.2 基本假定和有限元設(shè)置

為簡化計算，采用總應力法，且不考慮地下水作用及支護結(jié)構(gòu)施工對土體的擾動。假設(shè)樁土間的相互作用方式為表面與表面接觸，將接觸面定義為基于Coulomb 摩擦定律的硬接觸且摩擦公式為“罰”。有限元軟件計算生成的地應力需符合半無限空間體自重應力的分布規(guī)律，因此，在ABAQUS 三維模型的地應力分析步中，將邊界條件設(shè)置為周圍只約束水平位移，底部施加三個方向的全部約束。在網(wǎng)格劃分時，為有效模擬土體變形，將其定義為C3D8R減縮積分單元，樁體和連系梁則選擇C3D8I 非協(xié)調(diào)單元，以更好反映樁體和連系梁的彎曲變形。土體材料本構(gòu)關(guān)系選擇應用廣泛的Mohr-Coulomb理想彈塑性模型，它既能反映巖土材料拉壓強度不同的SD效應，又能反映對靜水壓力的敏感性。樁體及剛架梁采用線彈性模型，無需考慮混凝土的屈服效應。

3.3 施加初始應力場的方法

實際工程中，可認為在基坑開挖前，土體應力存在，但地表位移為零，這種有應力無位移的時間點稱作地應力平衡。

采用有限元軟件進行巖土工程數(shù)值模擬時，初始地應力是必須考慮的重要因素，初始地應力平衡是確保數(shù)值計算結(jié)果正確性的關(guān)鍵，初始地應力平衡需滿足兩個條件：（1）平衡條件——由應力場形成的結(jié)點荷載要和所施加的外荷載平衡；（2）屈服條件——所有點的應力不能位于屈服面外。

采用ABAQUS 可以很好地實現(xiàn)這個功能。首先建立地應力平衡分析步，對整個模型施加重力荷載。一般情況下，定義的初始應力場與施加的重力荷載很難獲得平衡，計算模型中，土體產(chǎn)生位移且不可忽略。所以先通過有限元軟件算出各單元結(jié)點的應力值，再以inp 文件方式直接輸入，步驟如下。（1）計算并輸出結(jié)果。模型計算完成后，選擇Report-Field output，在Variables選項下的Position選中Centroid，本文為三維模型，故應力變量選擇S11，S22，S33，S12，S13，S23；在Setup 選項卡中將輸出文件改為x.inp 格式，不勾選“附加到文件中”選項，并在Data選項中勾選Field output 即可。輸出當前計算結(jié)果，即施加重力荷載形成的初始應力場。（2）修改結(jié)果。在Excel表格中導入結(jié)果文件x.inp，除數(shù)字結(jié)果外刪除其他內(nèi)容。注意將修改后的結(jié)果保存為x.csv格式，并與cae文件保存在同一文件夾中。（3）寫入關(guān)鍵語句，重新進行計算。在Model 中選擇Key word，打開初始inp文件，將“*initial conditions,type=stress,input=x.csv”語句寫入其中，位置在“BOUNDARY CONDITIONS”之后，“，“STEP”之前。需注意，在導入上步結(jié)果文件的同時，在地應力平衡分析步中仍需施加重力荷載，使得各結(jié)點位移為零，達到初始地應力平衡狀態(tài)。否則會產(chǎn)生與導入應力場方向相反的應力場，導致總應力為零，同時土體變形由壓縮變?yōu)榕蛎?，與實際工程情況不符，具體計算分析詳見文獻[1]。

3.4 建立有限元模型

若建立完整模型，則劃分的單元數(shù)目過大，所以需對計算模型進行簡化。由于基坑西側(cè)采用的扶壁式排樁支護結(jié)構(gòu)，為本文的研究重點，所以模型中忽略其他不同型式的支護結(jié)構(gòu)。為充分反映扶壁式排樁的支護效應，故選擇如圖1所示的一榀扶壁式排樁作為計算模型。考慮到基坑影響范圍取基坑深度的4倍，豎向取30m，水平向取50m。

為比較分析扶壁式排樁與雙排樁的內(nèi)力分布及變形特征，利用等代剛度的概念，把扶壁式排樁體系等效代換為樁徑1.26m，樁間距2.0m，排間距為2.55m的雙排樁體系。等代剛度的設(shè)計理念及具體的計算方法見文獻。

為模擬基坑開挖的施工過程，采用ABAQUS 中的生死單元功能。實現(xiàn)生死單元功能的具體操作分為三步。首先，地應力平衡分析步之后建立開挖分析步，根據(jù)基坑設(shè)計深度，對待開挖土體建立相應的幾何集。之后，在開挖分析步中移除相應接觸對。最后，通過inp 輸入文件定義，寫入位置在開挖分析步“END STEP”之前。建模過程中需重視：（1）由于網(wǎng)格生成的質(zhì)量直接影響數(shù)值計算結(jié)果的精確性，所以在劃分網(wǎng)格前，對計算模型進行必要切割，尤其樁身及其周邊土體為復雜實體，需切割成精細規(guī)則的幾何體以獲得較好的網(wǎng)格質(zhì)量。（2）樁土接觸對應一個面對一個面逐一建立，否則容易導致數(shù)值計算不收斂。

3.5 計算結(jié)果分析

計算完成后，創(chuàng)建路徑并輸出實體單元的內(nèi)力及變形成果表，進而得到扶壁式排樁的彎矩結(jié)果如圖2所示，樁身變形如圖3所示。

由圖2和圖3可知，后排樁的最大彎矩值位于樁深5m左右處，前排樁和中排樁的最大彎矩值位于樁深1m左右處且二者內(nèi)力分布基本一致，前排樁和中排樁的最大彎矩值明顯大于后排樁。前排樁和中排樁的水平位移最大值位于樁頂附近且二者變形撓曲度基本一致，而后排樁的水平位移最大值位于樁深4m左右處。圖2、圖3中可以看出后排樁的應力分布及變形曲線撓曲程度較前、中排樁偏大，因為扶壁式排樁支護體系中只有后排樁直接承受土壓力作用，而前、中排樁類似于扶壁支撐。依據(jù)對前、中、后排樁樁身內(nèi)力及變形分布特征的分析比較可知：在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，前排樁和中排樁的配筋應基本一致；加大樁身最大彎矩處的配筋，有針對性地提高樁身局部強度。

圖2 扶壁式排樁樁身彎矩

圖3 扶壁式排樁樁身變形

為了比較扶壁式排樁與雙排樁支護基坑開挖時的受力性狀和變形規(guī)律，本文做了雙排樁前后排樁間土體未開挖的工況模擬，可知雙排樁的前排樁身彎矩最大值位于樁深5m左右處，后排樁彎矩最大值位于樁深1m左右處，雙排樁的前后排樁變形曲線基本一致。

綜合以上分析，相同條件下，雙排樁的內(nèi)力及變形較小，樁土協(xié)同作用明顯，支護效果優(yōu)于扶壁式排樁。但扶壁式排樁是針對支護空間過于狹窄的情況下提出的基坑支護結(jié)構(gòu)形式，不拘泥于傳統(tǒng)雙排樁支護體系，具有良好支護效果。

按照有關(guān)技術(shù)規(guī)范，為保證基坑施工期間基坑支護邊坡及周邊建筑物的安全，同時為檢驗扶壁式排樁支護結(jié)構(gòu)的支護效果，在其上布置3個水平位移觀測點，樁頂最大水平位移監(jiān)測值為9.4mm，與變形計算值11.3mm十分接近。

4 結(jié)束語

基于實際工程進行模擬分析，得出以下結(jié)論。

（1）有別于樁土協(xié)同作用的傳統(tǒng)雙排樁支護結(jié)構(gòu)，扶壁式排樁的樁排間無土體，只有后排樁支撐擋土，這類支護結(jié)構(gòu)不再受限于基坑周邊的支護空間。（2）通過樁身內(nèi)力分布圖得出，扶壁式排樁彎矩最大值出現(xiàn)在前中排樁近樁頂剛結(jié)點處，雙排樁彎矩最大值位于樁體中上部。綜合分析比較內(nèi)力和變形結(jié)果，雙排樁支護效果優(yōu)于扶壁式排樁。（3）三維有限元模型計算結(jié)果反映了支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布及變形特征，設(shè)計時可針對性地對支護結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。（4）扶壁式結(jié)構(gòu)已經(jīng)應用于實際工程中，從監(jiān)測結(jié)果來看，支護效果良好。