基于數值模擬的排樁支護基坑受力模擬研究

金武凱

(溫州市水利建設管理中心,浙江 溫州 325000)

1 概 述

目前,基坑工程在城市中應用廣泛。對此,許多學者進行了相關研究。楊上清[1]對雙排樁的圍護方案進行了研究,結果表明,不同的樁長條件下,基坑的位移不同。程演[2]以湖南省某基坑為例,開展了雙排樁基坑支護研究,結果表明,冠梁剛度可以較大程度地減小基坑位移。楊超等[3]對基坑的支護設計進行了研究,結果表明,逆作法可有效減小基坑周圍土體變形。馬雪兵等[4]利用有限元數值軟件,對雙排樁支護進行了研究,結果表明,傾斜雙排樁組合結構能夠有效達到支護的目的。賴國梁等[5]提出了前斜后直的支護和計算方法,結果表明,不同基坑深度、支護方式選擇的排樁傾斜度不一樣。祁孜威等[6]對衡重式雙排樁支護基坑進行了研究,結果表明,衡重式雙排樁支護適用于填海區超大基坑開挖。宣鋒[7]對雙排樁支護在軟土基坑中的應用進行了研究,結果表明,雙排樁在軟土基坑中的長度應適當增加,以使基坑有足夠的安全儲備。曾茂青[8]對斜撐支護下基坑的開挖方案進行了研究,結果表明,雙排樁、一道鋼管斜撐和一道錨桿的支護方案最利于基坑的穩定,造價方面也最優。高小平等[9]對斜撐支護基坑進行了研究,結果表明,兩道鋼管支撐支護基坑更利于基坑的穩定性。

上述研究均未涉及雙排樁支護作用下,基坑的整體位移和雙排樁的受力。因此,本文結合某實際基坑工程,利用MIDAS/GTS數值模擬軟件,對基坑開挖的全過程進行還原,并對基坑的位移、雙排樁的受力進行研究。

2 工程概況

該基坑位于浙江省溫州市,基坑區域巖土體由上至下主要由風化土、風化巖和軟巖組成,巖土體物理力學參數見表1。開挖區域長×寬×高為110m×90m×30m,基坑區域長×寬×高為50m×45m×10m,基坑分5次開挖,每次開挖2m。見圖1。

圖1 雙洞連拱隧道實體圖

表1 巖土體物理力學參數

3 數值模擬

3.1 基坑開挖后位移

數值模擬計算完成后,基坑的位移見圖2。

圖2 基坑開挖后巖土體位移(單位:mm)

由圖2(a)可知,基坑開挖后的豎向位移主要集中于坑底處,方向豎直向下,最大位移4.1mm,遠小于基坑要求的20mm,表明基坑開挖從豎向位移的角度滿足工程要求。同時,地面處的豎向位移最大不超過3mm,不會對周圍建筑物的位移造成安全隱患。

由圖2(b)可知,基坑開挖后的整體位移主要集中于坑底處,最大位移4.4mm,遠小于基坑要求的20mm,表明基坑開挖從總體位移方向滿足工程要求。同時,地面處的整體位移最大不超過3mm,不會對周圍建筑物的位移造成安全隱患。

由圖2可知,基坑開挖完成后的豎向位移和整體位移均控制在合理范圍內,地面的位移可忽略不計,均不會對周圍結構物造成不良的影響。因此,可認為基坑開挖從位移的角度上滿足工程要求。

3.2 排樁受力

排樁的受力分析見圖3。

圖3 排樁的受力和彎矩

由圖3(a)可知,前排樁所受的軸力最大為415kN,超過300kN的排樁區域約占整個排樁的24%,該受力遠小于排樁的極限受力800kN,一定程度上表明排樁的剛度滿足工程要求。另外,也表明可適當降低排樁的剛度,以達到節約工程造價的目的。排樁受力較大處主要集中于排樁下部,從受力角度分析可知,可適當增加排樁下部的剛度,減小排樁上部的剛度。

由圖3(b)可知,后排樁所受的軸力最大為443kN,超過300kN的排樁區域約占整個排樁的37%,同樣該受力遠小于排樁的極限受力800kN,一定程度上表明排樁的剛度滿足工程要求。另外,也表明可適當降低排樁的剛度,以達到節約工程造價的目的。排樁受力較大處主要集中于排樁下部,從受力角度分析可知,可適當增加排樁下部的剛度,減小排樁上部的剛度。

由圖3(c)可知,前排樁所受的彎矩最大為62.5kN·m,超過30kN·m的排樁區域約占整個排樁的4.3%,絕大多數排樁的彎矩不超過10.2kN·m,一定程度上表明排樁的剛度滿足工程要求。同時,也表明前排樁所受的彎矩值較小,可將重點集中于排樁的軸力而非彎矩。

由圖3可知,后排樁所受軸力普遍大于前排樁,樁底所受軸力普遍大于樁頂,但所受軸力遠小于排樁的極限軸力。一定程度上可適當降低前排樁的剛度,或者降低排樁上部的剛度,以達到節約造價的目的。另外,排樁所受彎矩值較小,或者基本上不受彎矩,表明排樁設計的重點在于軸力而非彎矩。

4 結 論

本文結合數值模擬,對排樁基坑從基坑位移、排樁所受軸力和彎矩進行了系統研究,結論如下:

1)基坑的豎向位移和整體位移最大分別為4.1和4.4mm,均不超過基坑規范要求的20mm,從位移的角度分析,可認為基坑開挖滿足工程要求。

2)前排樁和后排樁所受的最大軸力分別為415和443kN,遠小于材料的極限受力,排樁下部所受軸力小于排樁上部。因此,可適當降低前排樁的剛度或排樁上部的剛度,以達到節省工程造價的目的。

3)排樁所受的彎矩較小,絕大部分排樁所受彎矩值不超過10.2kN·m,因此排樁設計可重點考慮排樁的軸力。