基于数值模拟对深基坑双排桩支护结构的研究

卞开春

(安徽开源路桥有限责任公司,安徽 合肥 230088)

0 引 言

随着国家的发展,我国大规模的高层建筑及大规模的地下空间建筑越来越多,在建筑此类建筑时将会遇到深基坑的设计及施工上的问题[1],在深基坑的支护形式中,目前主要包括放坡开挖、悬臂式支护结构、土钉墙及复合土钉墙支护结构、水泥重力式挡土墙、拉锚式支护结构和组合式支护结构,各种结构都具有一定的适用特点,其中双排桩支护结构是一种超静定的刚架结构,具有安全度高、支护效果好、施工简便及适应性强等特点被广泛运用[2]。

关于双排桩的研究,有王星华[3]等人通过数值模拟对双排桩和预应力锚杆联合支护体系不同开挖过程的桩土关系进行分析,研究结果表明:增加冠梁的刚度能够有效的减小土体的侧移;陆培毅[4]等人借助有限元软件对双排桩的桩间距、开挖深度及宽度等参数进行研究,研究得到双排桩的最合理桩间距,并得到开挖深度对双排桩支护效果的影响;钟小春[5-6]等人对桩间土的侧向土压力进行计算,得到桩间距对土拱效应的影响。目前的研究已取得一定的成果,但在实际的工程运用及理论研究中还存在较多问题,如由于该支护结构的桩间土作用在前后排桩的土压力分别形式不确定、水平反力系数取值不确定及对排桩桩间距、桩顶连接及桩间土的相互作用等缺少全面认识,针对该支护结构的研究存在的不足[7-11]。本文在现有的研究基础上,通过理论研究结合有限元软件对深基坑双排桩支护结构进行研究,希望能对该类支护结构提高参考价值。

1 双排桩支护结构设计的计算理论

1.1 比例系数法

比例系数法是属于经典平衡法中的一种,这种计算方法的计算模型图如图1所示,在进行计算时需要进行一定的计算假定,其中假定前后排的排桩顶部和的连接为刚性连接,桩底是嵌固的门架式结构,假定连梁只产生水平位移,并且假定前后排桩的桩顶水平位移相同,第三是通过朗肯土压力计算。

图1 比例系数法双排桩支护结构计算简图

图1中的Eaf表示基础开挖后前排桩的主动土压力,Epf表示基础开挖后前排桩的被动土压力,Eab表示后排桩的主动土压力,Epb表示后排桩的被动土压力。这种计算方法概念清晰明确,计算较为简单,能够用于程序得以实现,但这种计算方法会存在一定的误差,主要在于连梁的不变形假定和前后排桩的水平位移相同的假定,在实际的工程中很难实现连梁不发生变化,并且保证前后排桩的水平位移一致。

1.2 修正系数法

在纵多计算方法中采用极限土压力并结合经验的系数来确定桩体的土压力的计算方法称为修正系数法,这种计算方法的计算模型图如图2所示。

这种计算方法是将前排的桩等效为单锚板桩,以此来进行计算;具体计算时按简支板桩的模式计算出桩最小的入土深度,支点的反力通过静力平衡条件求得,以此计算出最大弯矩值和作用点的位置,通过桩抗倾覆的验算得到后排桩的桩长,结合土压力计算公式得到最大弯矩和作用点位置,这种计算方法存在一些不足,比如:不能真实的反映在复杂荷载下双排桩的调节作用,另外在计算时未能考虑桩顶的作用,计算较为简单,准确性上存在一定的误差。

1.3 弹性地基梁法

弹性地基梁法计算支护桩时当前工程应用及认可程度较高的计算方法,其计算的理论基础是Winkler假定理论,该理论在计算时会考虑桩与土的共同作用,能够准确的得到前后排桩的土压力荷载大小,并且还能通过计算得到地基土的水平基床系数,最后的双排桩支护结构内力可以通过弹性地基梁和结构力学的方法计算得到。

这种计算方法在计算时将支护结构分为盖梁、前排桩及后排桩三个部分,三者的变形协调关系和内力关系可以通过计算求得,以桩尖集中弯矩和集中剪力为零的条件,联合求解得到桩顶的内力和位移,从而计算双排桩支护结构的位移和内力,其中的Pa1表示作用在后排桩的桩侧土压力,Pa2表示作用在前排桩的桩侧土压力,M3表示后排桩桩顶受到的弯矩,Q3表示后排桩桩顶受到的剪力,M4表示前排桩桩顶受到的弯矩,Q4表示前排桩桩顶受到的剪力,M1、Q1分别表示在基底处后排桩受到的弯矩和剪力,M2、Q2分别表示基底处前排桩受到的弯矩和剪力,φ1、φ2表示桩顶处后排桩和前排桩的转角,φ3、φ4表示基底处后排桩和前排桩的转角,这种计算方法能够考虑支护结构和土体之间的相互作用,在计算理论上较为合理,当实际工程中的桩土与土存在脱离的现象,因此这种计算方法在桩顶的位移结果上与实际的情况存在一定的偏差。

2 有限元模拟

2.1 有限元软件介绍

采用的有限元软件为FLAC3D软件[6-10],通过将模型离散化,将节点单元连接,并将作用在节点上的荷载进行读写运算,得到单元间的相对位移,进而求出单元的应变,该软件现已广泛运用于隧道工程、道路与铁路工程、岩土工程及建筑工程等工程领域。运用该软件时其主要的求解过程主要包括四个过程,第一是建立几何模型并进行有限差网格划分,第二确定模型中材料的本构关系,第三进行模型边界的设置及初始条件的设置,第四进行模拟计算并分析结果。

2.2 有限元模型的建立

建立的三维模型是根据实际的工程案例按1∶1的比例进行模型创建,该工程位于某市,工程基坑的开挖深度为11.650～11.850 m,属于深基坑工程。本次深基坑工程采用双排桩支护方案。本文根据该支护方案进行三维模型的建立,首先根据方案建立三维的几个模型,本模型的长为80 m,宽为6 m,高度为40 m,桩的弹性模量为30 000 MPa,重度为25 kN/m3,泊松比为0.2;然后选定模拟的结构参数,对支护桩采用软件中的桩单元进行模拟,支护桩与土体单元支架的切向及法向上的相互作用根据桩单元的各类参数来实现,对于连梁、冠梁采用梁单元进行模拟;接着确定模拟的边界约束条件,本文模型边界条件的设置中:底部设置为固定约束,对顶部定义为自由边界,对模型的四周设置为滚动支座,对模型的初始条件设置时考虑坡顶的超载荷载为15 kPa,并根据实际的工程情况不考虑渗流和水压力的影响,模型中的土层参数设置如表4所示,支护结构的参数设置如表2所示。

表1 土层参数设置

表2 支护结构参数设置

2.3 有限元模拟假定

在有限元模拟的过程中需要对模型进行一些的假定,(1)假定土体为弹塑性体,模拟的过程中当外界条件发生变化时,土层的压缩模量、泊松比、内摩擦角及粘聚力等参数保持不败;(2)假设支护结构完全符合平面应变的假定;(3)假设桩顶与冠梁的连接是为刚性连接;(4)假定模拟中不存在水压力和渗流的作用。在进行模拟计算时为计算的简便,进行初始应力的平衡,不考虑打入桩时对结构构件的影响位移为零;在模拟开挖时采用的是放坡开挖,将开挖的土体单元定义为空的单元。

3 有限元模拟结果

3.1 位移分析

通过模拟计算对基坑开挖完成后土体及构件位移与应力进行分析,基坑土体在X向的位移云图,基坑土体在Y向的位移云图,土体基坑在Z向的位移云图。

基坑土体开挖后在X向位移云图中在坡脚位置出现位移最大,最大的位移值约为20 mm,从支护桩的顶到底在支护的范围内,土体位移呈现先增大后减小的变化趋势,最大处的位移值约为17.5 mm,基坑底部的位移值约为15 mm,并且发现在基坑外的土体位移比支护桩附近的土体位移小,离基坑越远支护桩的土体位移越小;基坑土体开挖后在Y向上应力云图未发生变化,因此在Y向上不发生位移;对着基坑深度的增大,基坑土体开挖后在Z向的位移逐渐减小,到达一定的深度后位移为零,在基坑的开挖面上出现的位移最大,说明基坑在开挖的过程中出现了隆起的现象,出现这种现象主要是因为在进行基坑开挖时四周的应力得到释放导致的,并且发现距离基坑外一定范围,土体出现负位移,说明在此处的土体产生了沉降,并且随着距离基坑越远,其土体的沉降出现先增后减的凹陷状态。

3.2 实际对比分析

将有限元软件模拟的结果与实际工程中监测得到的数值进行对比,在桩体的最大变形中,根据模拟的结果其最大值约为17.5 mm,出现的位置大约为桩顶下2.8 m,从监测的数值可知桩体的最大变形位于桩顶下3 m处,并且最大的变形值约为17.4,说明模拟的结果与实际的监测数据相近;对比实际工程中与模拟结果在X向、Y向及Z向位移的变化,发现其位移分别及变化的规律基本一致,说明采用有限元软件建立的数值模型模拟结果与实际工程监测的结果相似,也表明了该支护结构的可行性,计算模型对深基坑双排桩的设计具有参加价值。

4 结 论

本文为研究深基坑中双排桩支护结构,通过理论研究结合有限元软件对深基坑双排桩支护结构进行研究,研究结果表明:本文所采用的深基坑双排支护结构可以有效的对基坑起到支护作用,通过有限元模拟可知模拟的结果与实际工程监测的数据相似,位移变化的规律及分布规律也基本一致,说明采用FLAC3D有限元软件对深基坑双排桩支护结果进行数值分析是可行的。