悬臂式排桩支挡结构有限元分析示例

张金明 王 亮

(中冶京诚工程技术有限公司，北京 100176)

在城市和工厂建设中，新建或改扩建工程受场地限制或布置需要经常会紧邻既有结构物。对于深度大于5 m的深基坑，支护工程在施工过程中是危险性较大的分项工程，需要通过可靠的设计计算和施工时实时的监测来控制工程风险。基坑支护方式一般根据基坑的深度和场地地质、水文等周边条件进行经济性和适用性选择。在无法设置支撑和设置锚杆的情况下，悬臂式排桩是最常见的支挡方式。当前分析手段日益丰富，可以采用多种分析方法进行设计计算，以确保工程方案的安全可控。

1 工程概况

韶关某厂区新建工程基础距离既有吊车梁基础和既有建筑基础较近，基坑深7.6 m，且无法采用内支撑和锚杆。基坑支护方案拟采用直径800 mm钻孔桩支护，间距为1 100 mm。排桩桩顶设置冠梁，冠梁采用800 mm×800 mm矩形冠梁。桩间采用喷射60 mm C20细石混凝土钢筋网面层，起到挡水和挡土的作用。支护平面图如图1所示。

2 计算模型的建立

2.1 理正单元计算模型

理正单元计算纵向采用每延米计算模型进行分析，计算采用经典法，计算模型如图2所示。基坑土层比较均匀和单一，均为红黏土，土层参数见表1。基坑外侧土压力计算方法采用主动土压力，弹性法计算方法选用m法。

表1 土层计算参数

2.2 Ansys平面应变模型

采用Ansys平面应变有限元模型进行对比计算，分析其与理正单元模型计算的差异。有限元模型如图3所示。

平面应变有限元模型建立桩土接触的模型来进行分析。计算模型横向两侧分别取30 m，竖向取50 m处采用固定约束。桩体和土体Plane82单元。桩—土之间接触采用接触单元模拟桩—土接触面上的非线性，桩侧面被作为目标面，采用Target169 来模拟，土体的表面被当作接触面, 采用Contact172 来模拟。桩身尺寸采用与原桩等惯性矩的原则进行转化为挡墙，墙厚600 mm。桩身采用C30混凝土，处于弹性工作阶段，故将其材料定义为弹性材料。土体采用D-P理想弹塑性材料，主要参数有压缩模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角。单元划分考虑计算精度，按0.1 m一个单元进行划分。

3 土体沉降分析

理正单元分析分别采用三角法、指数法和抛物线法计算了土体的沉降，计算结构如图4所示。

Ansys平面应变单元计算如图5所示。

由以上两种模型计算得到的沉降值，发现Ansys平面应变单元计算最大沉降值比理正指数法计算值略大1 cm，且变化趋势不同，Ansys线型为凹曲线，而理正指数法为凸曲线。

4 基坑水平变位分析

理正单元计算基坑沿竖向水平变位如图6所示。

Ansys平面应变单元计算如图7所示。

从计算结果可以看出，理正单元计算最大水平变位为-27.96 mm，沿深度近似按直线分布；Ansys计算值为-11.8 mm，小于理正单元计算值16.16 mm，沿深度近似按直线分布。

5 嵌固段土反力分析

Ansys有限元模型计算基坑以下土体应力如图8所示。

由图8可以看出，支护桩嵌固段土反力的分布成曲线分布，嵌固段顶部土侧反力最大达到68 kPa，沿基坑深度逐渐减小，在嵌固段底部应力发生转折突变，最小值约为13 kPa。经合计计算，嵌固段土反力合力为161 kN。

根据理正单元计算结果，嵌固段土反力为Ps=325.779≤Ep=2 012.209，土反力计算值大于Ansys计算平面应变模型计算结果。

其中，Ps为作用在挡土构件嵌固段上的基坑内侧土反力合力,kN；Ep为作用在挡土构件嵌固段上的被动土压力合力,kN。

6 倾覆和隆起稳定性分析

抗倾覆安全系数：

其中，Mp为被动土压力及支点力对桩底的抗倾覆弯矩;Ma为主动土压力对桩底的倾覆弯矩。

Ks=2.491>1.250,满足规范要求。

验算抗隆起稳定性，结果如下：

支护底部，验算抗隆起：Ks=4.693>1.800，抗隆起稳定性满足。

Ansys计算过程考虑大变形，计算过程未出现中断或者奇异，因此稳定性满足要求。

7 结语

1)计算理论的不同对计算结果有一定的影响，实际工程实践中借助理正采用经典法进行设计偏安全。Ansys平面应变模型计算土体沉降最大值约比理正单元模型计算值偏大1 cm，而水平变位和嵌固段土体反力都比理正单元计算模型小约50%。分析偏差产生的原因，理正采用的是主动土压力，土反力采用的是m法，而Ansys采用的是平面应变单元，考虑了桩土接触的非线性和大变形。

2)模型分析表明，桩顶土体沉降变化规律理正抛物线法与Ansys计算结果相似，量值上略有差异。沿竖向，基坑水平变位为线性分布，两种模型计算结果一致。嵌固段土反力沿深度为曲线变化，最大值出现在基坑底部位置。

3)悬臂式排桩支挡结构在粘性土的地质条件下较为适用，可推广使用。模型分析中基坑稳定性满足规范要求，在施工过程中监测数据与理论计算基本一致，未出现任何安全问题。