供水泵站基坑排樁支護局部失效引發連續破壞機理研究

蔡紅巖

（肇慶市鼎湖區九坑河水庫工程管理所,廣東 肇慶 526070）

1 引言

在水利工程泵站基坑開挖過程中,為維持基坑的穩定性及變形情況,常采用基坑支護改善上述情況,但是在大型工程中,有些支護樁難以承受所受荷載,經常發生破壞現象。近年來,許多專家學者針對基坑開挖過程中的支護樁破壞問題開展研究。

魏煥衛等人[1]針對基坑開挖過程中的連續性破壞開展研究,利用有限元軟件對其破壞過程的受力情況和荷載傳遞情況進行分析。鄭剛等人[2]以某地區基坑破壞案例為研究背景,基于有限差分法,對基坑支護樁破壞機理進行研究,分析其荷載傳遞趨勢。鄭剛等人[3]以實際工程為研究對象,考慮空間效率對基坑變形的影響,研究各因素對其荷載傳遞系數的影響,分析其基坑破壞規律。雷亞偉等人[4]開展模型試驗,結合有限元軟件,分析開挖對基坑支護穩定性的影響,研究挖掘過程對結構整體荷載傳遞的影響。陳秋南等人[5]基于雙剪強度理論,對某地區支護樁進行研究,研究支護樁間距對其所受土壓力的影響。

本文對支護樁對基坑變形的影響進行分析,利用有限元軟件,模擬支護樁失效對結構整體受力及荷載傳遞的影響。

2 有限元模擬

本研究以某水利工程泵站基坑為研究對象,基坑長寬尺寸為40 m×20 m。該項目土質以粉質黏土和粉土為主,地下水位較深,標高為27.01 m 左右,因此可忽略土體液化問題。

在實際工程中,各樁體之間常存在相互作用,為研究群樁對基坑變形的影響,利用有限元軟件對其進行數值模擬。由于實際工程中常有樁體在支護過程中發生破壞,可通過在有限元模型中刪除部分樁體,以模擬此類破壞形式。在支護樁破壞后,其周圍的土體會隨之發生擾動,因此需要對其破壞情況進行動力模擬。動力作用主要受阻尼比的影響,由于基坑的變形量較大,所以可近似將模型視為結構整體變形,其阻尼比取10%。

采用線彈性結構單元模擬樁體,但上述模擬方式易發生土體流失現象,因此,提升樁后土體強度,以防止上述情況的發生。有限元模型的相關參數見表1。

表1 有限元模型相關參數

3 連續破壞傳遞機理分析

分別分析支護樁破壞根數對群樁支護的破壞變形情況的影響。當2根支護樁失效時,其彎矩-時間曲線見圖1。由圖1可知,當2根樁被破壞后,原有樁體承擔的彎矩被分散到其他樁體,使其周圍的樁體受力增大,發生土拱效應。隨著時間的增大,樁身最大彎矩在支護樁破壞前期所受樁身最大彎矩有明顯的提升,前期彎矩增長趨勢顯著,當時間超過0.4 s 時,各樁所受的樁身最大彎矩逐漸趨于平緩。這是由于,在支護樁破壞前期,土體發生擾動,隨著時間的增大,土體受力逐漸趨于穩定,所以支護樁所受的樁身最大彎矩趨于平穩。其中,1 號樁所受的樁身最大彎矩最大,5 號樁所受的樁身最大彎矩最小。

圖1 2根樁失效下的時間-彎矩曲線

圖2為3根樁失效下的時間-彎矩曲線。由圖可知,在支護樁破壞前期,樁體所受的樁身最大彎矩隨著時間的增大而增大,但是其增長趨勢相較于2根支護樁失效的時間-彎矩曲線,更為平滑。當時間超過0.5 s 時,曲線逐漸趨于平緩,支護樁所受的樁身最大彎矩趨于一個定值。這是由于,在支護樁破壞的前期,土體會發生擾動,土體內部發生一定的變形,未破壞的支護樁承受的彎矩增大,其周圍發生土拱效應,以維持結構的穩定性。隨著時間的增大,由于支護樁破壞產生的變形逐漸減小,直至穩定狀態,此時支護樁所受的樁身最大位移趨于定值,不再變化。1 號樁所受的樁身最大彎矩最大,5 號樁所受的樁身最大彎矩最小。其中,各未被破壞的支護樁所受的樁身最大彎矩大于2根樁失效時的樁身最大彎矩,說明隨著支護樁被破壞根數的增大,其他未被破壞的支護樁所承受的彎矩增大,支護樁的破壞會增大結構整體的受力,以破壞結構的穩定性。

圖2 3根樁失效下的時間-彎矩曲線

圖3為4根樁失效下的時間-彎矩曲線。由圖3可知,隨著支護樁破壞根數的增大,基坑整體的變形逐漸增大,基坑整體出現失穩現象,未破壞支護樁周圍土體的土拱現象也更加明顯。當4根樁失效時,未被破壞的支護樁的時間-彎矩曲線與3根樁失效時的時間-彎矩曲線類似,在破壞的初期,樁體所受的最大彎矩隨時間的增大而增大,當時間超過0.55 s 時,柱身最大彎矩變化趨勢逐漸趨于平緩,其值趨于定值。其中,各未被破壞的支護樁所受的樁身最大彎矩大于3根樁失效時的樁身最大彎矩,1 號樁的樁身最大彎矩增長量最大,5 號樁的樁身最大彎矩增量最小。

圖3 4根樁失效下的時間-彎矩曲線

為研究不同失效樁根數對破壞傳遞的影響,分析不同根失效樁根數對彎矩傳遞系數的影響。但是在不同土質下,土體的受力情況有所差異,支護樁的荷載傳遞情況具有各異性,當土體強度分布為1 時,其彎矩傳遞系數見圖4（a）。由圖4可知,當只有1根支護樁破壞時,其彎矩傳遞系數較小,且其彎矩傳遞系數變化量較小,當4根樁失效時,其彎矩傳遞系數最下,且其彎矩傳遞系數變化量最大。隨著失效樁根數的增大,相同支護樁對應的彎矩傳遞系數逐漸增大,但是當失效根數較大時,支護樁的彎矩傳遞系數的差距逐漸減小,說明當被破壞的支護樁較多時,支護樁的破壞對彎矩傳遞系數的影響較小。當樁編號的彎矩傳遞系數較小時,支護樁對應的彎矩傳遞系數較大,說明與被破壞的支護樁距離較近的樁體所承受的彎矩較大,容易發生破壞。

當強度分布為2 時,支護樁的彎矩傳遞系數見圖4（b）。由圖4可知,當強度分布為2 時,各支護樁的彎矩傳遞系數變化趨勢與強度分布為1 時的變化趨勢一致,但是當失效的支護樁根數不同時,各支護樁的彎矩傳遞系數差距變化一致,說明失效樁根數的變化對支護樁的彎矩傳遞系數有一定的影響。對比圖4（a）可知,強度分布為2 的彎矩傳遞系數大于強度分布為1 的彎矩傳遞系數,說明當有支護樁被破壞時,土體的強度較高的支護樁彎矩傳遞系數較大,此時支護結構容易發生連續破壞。

圖4 彎矩傳遞系數圖

4 結論

本研究對支護樁對基坑變形的影響進行分析,利用有限元軟件,模擬支護樁失效對結構整體受力及荷載傳遞的影響,得出以下結論。

兩根樁被破壞后,原有樁體承擔的彎矩被分散到其他樁體,使其周圍的樁體受力增大,發生土拱效應。隨著時間的增大,樁身最大彎矩在支護樁破壞前期所受樁身最大彎矩有明顯的提升,前期彎矩增長趨勢顯著,當時間超過0.4 s 時,各樁所受的樁身最大彎矩逐漸趨于平緩。

在支護樁破壞的前期,土體會發生擾動,土體內部發生一定的變形,未破壞的支護樁承受的彎矩增大,其周圍發生土拱效應,以維持結構的穩定性。隨著時間的增大,由于支護樁破壞產生的變形逐漸減小,直至穩定狀態,此時支護樁所受的樁身最大位移趨于定值,不再變化。

隨著支護樁破壞根數的增大,基坑整體的變形逐漸增大,基坑整體出現失穩現象,未破壞支護樁周圍土體的土拱現象也更加明顯。當4根樁失效時,未被破壞的支護樁的時間-彎矩曲線與3根樁失效時的時間-彎矩曲線類似,在破壞的初期,樁體所受的最大彎矩隨時間的增大而增大。

隨著失效樁根數的增大,相同支護樁對應的彎矩傳遞系數逐漸增大,但是當失效根數較大時,支護樁的彎矩傳遞系數的差距逐漸減小,說明當被破壞的支護樁較多時,支護樁的破壞對彎矩傳遞系數的影響較小。

強度分布為2 的彎矩傳遞系數大于強度分布為1 的彎矩傳遞系數,說明當有支護樁被破壞時,土體的強度較高的支護樁彎矩傳遞系數較大,此時支護結構容易發生連續破壞。