深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)三維數(shù)值分析研究

王翠英, 蔣　宇, 袁　浩

(湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

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深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)三維數(shù)值分析研究

王翠英, 蔣宇, 袁浩

(湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

運(yùn)用三維有限元分析軟件FLAC3D對(duì)浙江某高層住宅樓基坑開挖各工況進(jìn)行模擬。對(duì)基坑變形和穩(wěn)定性影響因素樁體剛度、樁長、雙排樁排距等進(jìn)行了分析，從而優(yōu)化雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效減少支護(hù)結(jié)構(gòu)變形，對(duì)類似基坑支護(hù)設(shè)計(jì)、施工具有實(shí)用價(jià)值。

雙排樁； FLAC3D； 深基坑支護(hù)

雙排樁由沿基坑側(cè)壁排列設(shè)置的前后兩排鋼筋混凝土支護(hù)樁、連梁、冠梁組成，屬于超靜定結(jié)構(gòu)。雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)作用機(jī)理涉及到基坑的變形、基坑的穩(wěn)定性以及樁與土相互作用的問題。較之單排樁，雙排樁的最大特點(diǎn)就是存在較大的側(cè)向剛度，可以約束側(cè)向變形。雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在軟土地基中應(yīng)用廣泛[1]。

目前，對(duì)樁與土相互作用的機(jī)理研究還不夠深入。當(dāng)前的設(shè)計(jì)計(jì)算方法差異性很大，尚不夠統(tǒng)一，與之相對(duì)應(yīng)的規(guī)范也未作出規(guī)定。深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作機(jī)理待進(jìn)一步研究分析[2]。

本文以浙江某高層住宅樓的基坑支護(hù)工程為依托，通過三維有限元分析軟件FLAC3D，對(duì)基坑開挖各工況進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同影響因素的變化對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響。

1　工程概況及計(jì)算模型

1.1工程概況

浙江某擬建高層住宅樓，其東側(cè)和西側(cè)都為擬建住宅樓，北側(cè)是一處公共場(chǎng)所用地，南側(cè)是街道。建筑住宅距基坑邊緣最近點(diǎn)約15.8 m。建筑基坑地面以上13層，地下設(shè)2層地下室，框架剪力墻結(jié)構(gòu)。根據(jù)鉆探勘察，場(chǎng)區(qū)56.0 m深度范圍內(nèi)土層屬于第四系沖洪積層，地形相對(duì)平坦，基坑形狀似多邊形，基坑的開挖深度為8.5 m。采用雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)；以深層攪拌樁作為隔水帷幕，使用管井降水法降低地下水位。

1.2計(jì)算參數(shù)

基坑范圍內(nèi)地層情況及雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算參數(shù)見表1。雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)見表2。

表1　地層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表

表2　雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

1.3計(jì)算模型

模型的計(jì)算范圍為基坑相應(yīng)尺寸的2.5倍?；幽Ｐ褪且粋€(gè)不規(guī)則多邊形，基坑最大邊長40 m，對(duì)邊長20 m，兩對(duì)邊垂直距離為28 m，基坑深8.5 m。計(jì)算模型x軸方向長100 m，y軸方向長80 m，z軸方向長20 m。邊界條件采用模型邊界，側(cè)向約束使其不產(chǎn)生水平方向位移，底面約束使其不產(chǎn)生鉛直方向位移。底面采用固定鉸支座，頂部為自由端，其他四面采用可動(dòng)滾軸支座。采用摩爾-庫侖準(zhǔn)則和彈塑性本構(gòu)關(guān)系，并假定其為大變形。計(jì)算模型一共有20 610個(gè)實(shí)體單元，41 799個(gè)實(shí)體單元節(jié)點(diǎn)(圖1)。

(a)網(wǎng)格劃分

(b)初始地應(yīng)力平衡狀態(tài)的土體模型圖 1　計(jì)算模型

1.4結(jié)果分析

由于基坑北側(cè)坑壁的長度最長，最大位移發(fā)生在北側(cè)坑壁中部，因此這里只分析北側(cè)坑壁的位移和沉降的變化規(guī)律。

圖 2　水平位移變化曲線

由圖2可見，最大位移發(fā)生在坐標(biāo)原點(diǎn)，即基坑中部支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大。基坑邊緣支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最小。不同開挖深度，支護(hù)結(jié)構(gòu)頂面水平位移趨勢(shì)大致相同。隨著基坑開挖深度逐步增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)頂端的水平位移也在逐步增大。同一開挖深度，不同部位的水平位移增加幅度不同，水平位移值也會(huì)有所不同。

圖 3　沉降變化曲線

由圖3可見，最大沉降量發(fā)生在坐標(biāo)原點(diǎn)，即基坑中部沉降量最大?；舆吔浅两盗孔钚?。不同開挖深度，基坑沉降趨勢(shì)大致相同。隨著基坑開挖深度逐步增加，沉降值逐步增大。

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移和地表沉降量的分布均具有明顯的空間效應(yīng)，在基坑邊角，支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移和沉降量均較小，并朝基坑中部逐漸增大，在基坑中部達(dá)到最大值[3]。所以，在設(shè)計(jì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，可以適當(dāng)?shù)販p小雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度、樁徑、入土深度，達(dá)到優(yōu)化雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的。

2　雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)影響因素分析

2.1雙排樁的排距

根據(jù)上述資料，保持樁體和土性參數(shù)、開挖深度不變，只改變排距大小。分別計(jì)算排距為0.6 m、1.2 m、1.8 m、2.4 m、3.0 m，前后排樁水平位移見圖4。

(a)前排樁樁身水平位移　　　(b)后排樁樁身水平位移圖 4　不同排距下前、后排樁的水平位移

由圖4知，前后排樁的樁頂水平位移最大。排距及其他參數(shù)相同時(shí)，前排樁樁頂水平位移較后排樁略大。當(dāng)雙排樁的排距為0.6 m時(shí)，前排樁的荷載分擔(dān)比重是0.3748，其分擔(dān)的荷載比重最小。反之，后排樁的荷載分擔(dān)比重則最大，值是0.6252。隨著排距的提高，前排樁的荷載分擔(dān)比重逐步增大。后排樁的荷載分擔(dān)比重隨排距的提高而逐步降低。導(dǎo)致隨著排距的提高，前排樁樁身中下部位移逐步增加，但是后排樁樁身中下部位移逐步減少。另外一個(gè)關(guān)鍵原因是連梁對(duì)樁身位移分布的影響主要在樁身中上部，荷載分配比例的變化對(duì)位移的影響主要在樁身中下部。雙排樁荷載的分擔(dān)比重見表3。

表3　土壓力分配系數(shù)

雙排樁通過連系梁形成剛門架結(jié)構(gòu)，當(dāng)排距很小時(shí)，其空間協(xié)調(diào)性能不能很好的發(fā)揮[4]。隨著排距的提高，連系梁與雙排樁形成一個(gè)整體，位移也逐漸減小。但排距超過某一特定值時(shí)，隨著排距進(jìn)一步增大，雙排樁的整體受力和變形性能逐漸減弱。當(dāng)排距過大時(shí)，雙排樁及樁間土體共同作用無法發(fā)揮，前排樁近乎懸臂單排樁。當(dāng)雙排樁的排距在2～4倍開挖深度時(shí)，能夠使得樁體的變形與受力處在合理的范圍之內(nèi)[2]。

2.2前后排樁樁長

在對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，前、后排樁的樁長可以不一樣，前、后排樁的樁長對(duì)于雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)性有很大的影響。以下討論兩種情況：前排樁的樁長維持一致，后排樁的樁長逐步降低；另一類為后排樁的樁長維持一致，前排樁的樁長逐步降低。模型的排距設(shè)定為1.8 m。

前排樁的樁長是20 m，后排樁的樁長依次是16.5m、15.5m、14.5m、13.5m、12.5m、11.5m、10.5m。計(jì)算結(jié)果見圖5。

(a)前排樁樁身水平位移　　　(b)后排樁樁身水平位移圖 5　后排樁樁長變化的前、后排樁水平位移

由上圖可知，前排樁樁身水平位移處于-13.5 m以下時(shí)，隨后排樁的樁長降低而減小；在-13.0 m以上會(huì)隨后排樁的樁長降低而增加。后排樁樁身水平位移處于-10.5 m以下，隨后排樁的樁長降低而減小；在-9.6 m以上會(huì)隨后排樁的樁長降低而增加。當(dāng)后排樁的樁長低于10.5 m時(shí)，雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定。

后排樁的樁長是16.5m，前排樁的樁長依次為20.0 m、18.0 m、16.0 m、14.0 m，計(jì)算結(jié)果見圖6。

(a)前排樁樁身水平位移　　　(b)后排樁樁身水平位移圖 6　前排樁樁長變化的前、后排樁水平位移

由圖6可知，在后排樁樁身水平位移小于-11.0 m時(shí)，隨著前排樁的樁長降低，后排樁樁身水平位移也相應(yīng)降低。而后排樁樁身水平位移高于-11.0 m時(shí)，隨著前排樁的樁長降低，后排樁樁身水平位移反而提高；當(dāng)前排樁的樁長低于11.0 m時(shí)，雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定。

因此，雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)受前排樁樁長的影響程度大。

2.3前后排樁的剛度

對(duì)于一定長度的樁體，樁體抗彎剛度主要取決于樁徑。因此研究前后排樁的剛度對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)位移的影響可用樁徑來替代。其他設(shè)計(jì)參數(shù)保持不變，選擇樁徑是400 mm、500 mm、600 mm等多種狀況進(jìn)行研究，計(jì)算結(jié)果見圖7。

(a)前排樁樁身水平位移　　　(b)后排樁樁身水平位移圖 7　各類樁徑下前、后排樁的水平位移

各類樁徑下，前后排樁水平位移變化趨勢(shì)大致相同。隨著樁徑的增加，樁體水平位移逐漸減小。由圖7a可見，樁徑從400 mm增加到500 mm時(shí)，前排樁的樁頂水平位移減少值達(dá)7.32 mm；樁徑從500 mm增加到600 mm時(shí)，樁頂?shù)乃轿灰埔苍诓粩鄿p少，減少值為3.56 mm；樁徑從600 mm增加到800 mm時(shí)，樁頂?shù)乃轿灰茰p少值為4.87 mm；樁徑從800 mm增加到1000 mm時(shí)，樁頂?shù)乃轿灰茰p少值為1.66 mm。因此，在一定區(qū)域內(nèi)提高樁徑能夠使得支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移顯著減少，然而當(dāng)樁徑超過某一特定值之后，提高樁徑并不能獲得較理想的效果。

適當(dāng)增大樁體的直徑，樁身剛度逐步增加，且還能夠使支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向的變形逐步減少。但同時(shí)使得樁身內(nèi)力逐步增大，工程造價(jià)逐步增加。因此，單純依靠增加樁體剛度并不能有效減小樁體側(cè)向變形[5]。

2.4樁間土體加固強(qiáng)度

基坑工程中，前后排樁間土體加固一般方法為：旋噴樁與攪拌樁以及注漿。設(shè)土體實(shí)際的剛度為E，分別計(jì)算土體剛度為0.25E、0.50E、0.75E、1.00E、1.25E、1.50E、1.75E、2.00E、2.25E、2.50E,圖8反映了土體的最大位移和樁間土體剛度之間的關(guān)系。

圖 8　樁間土體剛度和土體最大位移關(guān)系圖

根據(jù)擬合得到的曲線，不難發(fā)現(xiàn)樁間土體的剛度與土體最大位移近似呈雙曲線關(guān)系，整理以后得y=48.23/x。當(dāng)樁間的土體剛度值為0.25E時(shí)，土體最大位移可以達(dá)到193.0 mm。在樁間土體剛度不斷增加的情況下，土體最大位移逐漸減小，而且減小的效果非常顯著。說明對(duì)前后排樁間土體進(jìn)行加固時(shí)，當(dāng)土體剛度比較小，加固土體可以使坑外土體的位移有所降低，加固以后可以得到更加明顯的效果；當(dāng)土體的剛度達(dá)到某一程度以后，土體最大位移隨樁間土體剛度的增大而減少，但是減少幅度不大。說明對(duì)前后排樁間土體進(jìn)行加固時(shí)，當(dāng)土體剛度比較大時(shí)，靠增加樁體剛度來減小位移并不合理。

4　結(jié)論

1)當(dāng)雙排樁的排距在2～4倍開挖深度時(shí)，能夠

使得樁體的變形與受力處在合理的范圍之內(nèi)。前后排樁的側(cè)向位移在排距增加的情況下，不斷下降。當(dāng)排距為開挖深度的4倍以上時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移減弱趨勢(shì)不再明顯[3]。

2)前排樁的樁長增大與后排樁的樁長增大都使得雙排樁的樁頂側(cè)向位移降低，然而前排樁的樁長變化對(duì)于雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響作用大于后排樁。

3)當(dāng)樁徑較小時(shí)，適當(dāng)提高樁徑能夠促使樁體側(cè)向位移明顯減小，當(dāng)樁徑提高到一定的程度并且高于某一量值的時(shí)候，側(cè)向位移減小的幅度將有所降低。

4)樁間土體的剛度與土體最大位移近似呈現(xiàn)雙曲線關(guān)系，當(dāng)土體剛度較小時(shí)，適當(dāng)增加樁間土體剛度可以使基坑外側(cè)土體側(cè)向位移顯著減小。

在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)研究人員應(yīng)密切結(jié)合工程實(shí)踐，合理選擇樁徑、樁長、樁體剛度及樁間土的強(qiáng)度，并使得設(shè)計(jì)具有足夠滿足施工進(jìn)程的可靠性，通過對(duì)相關(guān)的數(shù)值模擬成果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，提前分析基坑變形問題，并對(duì)施工方案加以調(diào)整和優(yōu)化，通過信息化指導(dǎo)其進(jìn)行施工。

[1]龔曉南，高有潮.深基坑工程設(shè)計(jì)施工手冊(cè)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1998.

[2]莊心善,邱英,王翠英.深基坑開挖中雙排樁支護(hù)受力性能影響因素分析[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009(1):93-96.

[3]俞建霖,龔曉南.深基坑工程的空間性狀分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),1999(1):24-28.

[4]繆永建,周海軍.雙排鉆孔灌注樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在深基坑工程中的應(yīng)用[J].建筑安全,2012(3):14-17.

[5]王曉暉.軟土深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形的影響因素分析[D].南京：河海大學(xué)圖書館,2003.

[責(zé)任編校： 張巖芳]

Study of 3-D Numeral of Double-row Piles Supporting Structure in Deep Foundation Pit

WANG Cuiying, JIANG Yu, YUAN Hao

(SchoolofCivilEngin.andArchitecture,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

The excavation process of a high-rise residential building in Zhejiang province was simulated by FLAC3D on the base of some case study. Deformation and stability of the pit influencing factors such as pile stiffness, pile length, array pitch were analyzed. Through analyzing the displacement alteration, it can be concluded that combining various measures and reducing structure deformation may optimize structure design of double-row piles.

double-row pile；flac3D；deep foundation pit

2015-07-31

王翠英(1965-)， 女，內(nèi)蒙古包頭人，工學(xué)博士，湖北工業(yè)大學(xué)教授，研究方向?yàn)樯罨又ёo(hù)與深井降水

1003-4684(2016)04-0105-04

TU447

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