基坑斜直交替倾斜桩支护性能模拟分析

高欣亚

（青海大学 土木工程学院，青海 西宁810016）

引言

在基坑工程中排桩实际施工程中因施工的顺序不当造成了很多基桩倾斜的情况，一些学者对这些倾斜桩进行了研究，发现倾斜支护桩相较于竖直支护桩能够更好地减小在基坑开挖过程中由水平荷载引起的桩顶水平位移和桩身侧向变形，且桩身弯矩更小支护性能更强[1]，郑刚[2]通过模型试验对不同倾角和不同布桩形式的单排倾斜支护桩的支护性能进行研究，得出同等条件下，倾斜竖直交替布置的单排倾斜桩支护性能最强，竖直单排桩抗倾覆能力最弱的结论。孔德森[3]依据郑刚等模型试验数据进行数值模拟进一步验证了模型试验的准确性以及倾斜支护桩的优越性。徐源[4]通过将双排桩支护中的前排桩倾斜一定角度形成了斜直交替的双排桩支护形式，并通过模型试验研究了不同倾角、不同桩间距和不同布桩方式下该结构的受力性状。王恩钰[5]结合数值模拟软件研究了不同形式斜直交替倾斜桩支护结构支护性能。

本文在已有研究基础上对斜直交替倾斜桩支护结构进行研究。通过有限元分析软件PLAXIS-3D 对斜直交替倾斜桩在不同斜桩倾角下的支护性能进行对比分析，探究斜桩倾角对该支护结构的影响作用。

1 有限元模型的建立与计算

1.1 模型建立。以某工程实例[5]为背景采用PLAXIS-3D 建立三维有限元模型。模型整体宽为7.2m，长度取80m，开挖深度为6m，坑底宽度设定为40m。支护结构斜桩倾角分别设为5°、10°、15°和20°，用来比较不同斜桩倾角下支护机构支护性能变化。具体模型与斜直交替倾斜桩形式如图1 所示。

图1 斜直交替倾斜桩数值模型

模型土体采用10 节点四面体单元模拟，土体材料模型选用硬化土模型，排水类型设为排水，不考虑地下水对变形的影响，土体材料选用单一土层具体参数见表1。竖直支护桩采用板单元模拟，按截面等刚度原则计算板厚度为424mm，斜桩使用嵌入式梁单元模拟，桩间距为0.6m，其模型参数见表2。冠梁采用梁单元进行模拟，材料模型为线弹性模型，模型参数见表3。模型网格划分粗细程度选择“很细”，共生成11652 单元，20531 网格。

1.2 模型计算。计算第一步首先需要模拟天然场地应力场进行初始应力平衡，之后进行支护桩施工，为计算简便将冠梁施工与支护桩施工合并在一个工况内完成，然后进行基坑的分步开挖，设定每次开挖深度为2m。两种支护结构的基坑开挖工况相同，主要分为5 个工况进行。

表1 土体材料参数表

表3 冠梁参数表

2 计算结果对比分析

2.1 桩身位移对比分析。不同斜桩倾角下竖桩桩身位移曲线如图2 所示。

图2 桩身位移对比曲线

对比发现，不同斜桩倾角情况下桩身位移变化差异明显。斜桩倾角为5°时，支护结构的竖桩桩身位移最大；当倾角变为10°时，竖桩位移值明显减小，最大位移值与倾角为5°时相比减小50%。产生这种变化的原因主要是对于斜直交替支护结构，当斜桩具有一定倾斜角度时会对竖桩施加面向挡土侧的水平力，对竖桩后的主动土压力产生抵消作用。当斜桩倾角较小时，该水平力对桩后主动土压力的抵消作用较弱，支护桩会产生较大的位移；随着斜桩倾角的增加，斜桩的支撑效果逐步增强，对竖桩产生的水平力随之增大，竖桩桩身位移因此减小。

另对比倾角为10°和5°时的竖桩身顶位移值，可以发现两者差距明显；而随着倾角继续增大到15°和20°，竖桩桩顶位移值正变为负值，这表明斜桩倾角增大可以有效限制竖桩桩顶变形，防止支护结构因桩顶变形过大发生破坏。

2.2 桩身弯矩对比分析。斜直交替倾斜桩在不同斜桩倾角时竖桩与斜桩的桩身弯矩对比曲线见图3、图4。

可看出当斜桩倾角分别为10°、15°和20°时，斜直交替倾斜桩中的竖桩弯矩整体相差不大，斜桩弯矩方面，倾角为15°和20°时，桩身弯矩大于倾角为10°的桩身弯矩。这说明随着斜桩倾角增大，斜桩的支撑作用愈加明显，其桩身内力也随之增加，桩身弯矩因此变大。

图3 竖桩桩身弯矩曲线

图4 斜桩桩身弯矩曲线

斜桩倾角为5°和10°时，竖桩桩顶弯矩为负，说明在桩顶位置处支护桩挡土侧受压，临空侧受拉；而当倾角变为15°和20°时，桩顶弯矩为正弯矩，此时桩顶位置处临空侧受压，挡土侧受拉，这表明由于倾角增大，斜桩对竖桩施加的斜撑力使竖桩桩顶位置向后产生移动，竖桩桩顶弯矩变为正弯矩。

斜桩倾角为5°和10°时，竖桩桩顶弯矩为负，说明在桩顶位置处支护桩挡土侧受压，临空侧受拉；而当倾角变为15°和20°时，桩顶弯矩为正弯矩，此时桩顶位置处临空侧受压，挡土侧受拉，这表明由于倾角增大，斜桩对竖桩施加的斜撑力使竖桩桩顶位置向后产生移动，竖桩桩顶弯矩变为正弯矩。

对比倾角为5°和10°时的竖桩弯矩和斜桩弯矩可以发现，倾角为5°的竖桩弯矩小于倾角10°且竖桩最大弯矩不超过20kN·m，与倾角为10°时的桩身最大弯矩差距明显；而斜桩弯矩却大于倾角为10°时的斜桩弯矩。这说明当斜桩倾角为5°时，斜直交替倾斜桩中的斜桩起主要支护作用，竖桩的支护性能并未激发，支护结构整体的支护性能未被完全利用，因此，在实际工程中，设定斜桩倾角应当不小于10°以求完全利用斜直交替桩的支护性能。

3 结论

本文通过有限元分析软件对不同斜桩倾角下斜直交替倾斜桩的支护性能和内力变化进行分析，得出了以下结论:从减小桩顶位移方面考虑，增大斜桩倾角能够有效的限制竖桩桩顶位移变形，同时也可减小桩身整体变形，提升支护结构整体安全性。

从斜桩弯矩方面考虑，斜桩倾角增大会使斜桩弯矩增大，对竖桩的支撑作用变强，倾角过小，斜桩无法发挥其支护性能。对于其他影响因素如桩径、桩间距以及地质条件等对斜直交替倾斜桩支护性能的影响，需要在接下来的工作中进行进一步研究。