水平荷载作用下排桩受力变形影响因素分析

2011-02-26洪家宝郑克亚王蕴智

水利与建筑工程学报 2011年2期

洪家宝,刘嘉,郑克亚,王蕴智

(扬州大学建筑科学与工程学院,江苏扬州225009)

0 引言

排桩支护结构在城市建筑的深基坑工程中的应用越来越普遍,作为一种承受水平土压力的支护结构[1],不仅涉及到岩土力学中典型的变形、强度和稳定问题,还涉及到土与支护结构的共同作用问题,因此基坑支护工程研究排桩显得尤为重要。排桩作为承受水平土压力作用的支挡结构,尤其是基坑支护工程中,其受力变形受到土性参数、结构型式、开挖方式等诸多因素的影响。有限元方法提供了一种合理的设计计算方法,它可以建立三维的仿真模型,从整体上分析支护结构及周围土体的应力与位移性状,从原理上说,常规方法存在的问题在有限元方法中都可不同程度地得到解决[2]。

1 工程概况

本文主要结合扬州市邗江区人防指挥中心工程的基坑支护工程研究各因素对排桩的受力和变形的影响。基坑开挖平面布置图参见图1,基坑开挖深度一般为6.44 m,最大挖深7.64 m,场地地面平均标高为-0.36 m。

根据本工程场地的地质条件和周围环境,基坑各侧采用不同的支护型式。本文以基坑东侧排桩支护结构为研究对象,有限元模拟仅截取图1中虚线框内区域建模。此处基坑深6.44 m,坑底高程-6.80 m。坑壁采用排桩支护结构,桩顶以冠梁联接,冠梁宽0.8m,高0.6 m,混凝土标号C30;钢筋混凝土排桩桩径0.8m,桩长17 m,桩间距为1.4 m,桩身混凝土标号C30。排桩外侧用水泥土墙止水,水泥土墙以2排桩径0.6 m水泥搅拌桩搭接组成,墙厚1.05 m,深度9.6 m,采用32.5级水泥作为固化剂。排桩支护结构立面图如图2所示。

图1 支护结构平面布置图

图2 排桩支护结构立面图

根据该工程的岩土工程勘察报告,地基土体的物理力学性质指标如表1所示。

表1 土层的物理力学性质指标

2 排桩支护结构三维模型

2.1 计算模型

本文利用有限元软件ADINA建立排桩的三维计算模型[3-4]。灌注桩以及冠梁均在弹性工作范围内,用线弹性材料模拟,根据基坑支护设计报告中取值弹性模量为30 GPa,由于没有试验确定混凝土的泊松比,本文采用经验值泊松比为0.2。本工程场地土体性质均匀,各层土体参数差别不大,因此在模型中土体仅作为一层考虑,土体采用Mohr-Coulomb材料(参数见表2)。在模型分析中设置桩与土接触组,采用约束函数法模拟桩土接触,摩擦系数取0.3。桩体、冠梁划分成规则的8节点六面体网格,计算模型如图3所示,X方向位移云图如图4所示。

表2 土体参数

图3 土体模型网格划分图

图4 排桩及水泥土墙X向位移云图

2.2 桩身受力分析

本文所建基坑模型,东侧边界较长,共10根桩,北侧边界较短,共7根桩,为便于分析分别给每根桩编号,坑角桩为1(1′)号桩,向外依次按顺序编号。东侧边界最外侧桩为10号桩,北侧边界最外侧桩为7′号桩。

排桩受到外侧水平土压力的作用而发生转动或挠曲并使内侧土体发生变形,进而产生土对桩的作用反力。图5给出了桩侧土反力分布情况。在开挖过程中,支护桩的挠曲变形更越加明显,其反弯点随开挖深度的增加有向下移动的趋势,且大致处于基坑开挖的深度位置[5]。研究桩土之间相互作用,主要是研究桩侧土体对桩的工作性状的影响。

图5 桩身反力图

图6 分步开挖桩身应力变化图

桩身应力与施加于桩上的水平荷载大小、桩体材料、桩周土体对桩的土抗力有关,一般随着水平荷载的增加,桩身应力相应的增加[6]。对于排桩支护结构,桩身应力随着开挖深度的增加而增大。最大应力作用点位置随着开挖深度的增加而向下移动,在距离地面4.31 m到8.32 m范围内变化。如图6所示:第一步开挖结束,开挖深度较浅,桩身最大压应力为0.96 MPa,作用点位置距离地面4.92 m,最大拉应力为0.47 MPa,作用点位置距离地面4.31 m;第二步开挖结束后基坑深度达到4 m,桩身最大压应力为1.90 MPa,作用点位置距离地面6.44 m,最大拉应力为1.44MPa,作用点位置距离地面6.14 m;第三步开挖完成整个基坑开挖过程,桩身最大压应力为3.96 MPa,作用点位置距离地面8.02 m,最大拉应力为3.21 MPa,作用点位置距离地面8.32 m。

3 排桩变形影响因素分析

排桩变形受到桩长、桩径、桩侧水泥土墙和桩侧土体参数等多种因素的影响[7],受客观条件限制,很难通过现场试验或模型试验来研究各因素对排桩变形的影响。而三维有限元模型能较好地模拟工程实际,且能在控制其他因素不变的情况下研究一种因素变化的影响。因此,本文通过逐一改变各影响因素,对排桩支护结构进行了多次模拟,研究不同因素的影响规律。对排桩支护的优化设计具有指导意义。排桩支护结构最大位移发生在基坑长边中点处,对应本文有限元模型在模型长边边界处,选取10号桩进行分析。

3.1 桩径的影响

为了考虑灌注桩直径对排桩变形的影响,本文设置6种不同的灌注桩直径,模拟0.6 m、0.7 m、0.8 m、0.9 m、1.0 m和1.1 m 6种桩径下排桩的变形规律。图7是不同桩径下10号桩桩身水平位移曲线图。图8是桩径与排桩最大桩顶位移的关系图。

从图7可以看出,在同一条件下,桩径越大,桩顶位移越小。桩径为0.6 m时排桩最大桩顶位移为11.87 mm,当桩径增加为1.1 m时排桩最大桩顶位移只有5.95 m,减小幅度达50%。可见桩径的大小对排桩桩顶位移有显著的影响,加大桩径,能够明显的控制桩顶位移的大小。从图中还可以看出第一位移零点位置随着桩直径的增加而下移,当桩径为0.6 m时,第一位移零点位置为距离地面9.52 m,当桩径增大到1.1 m时,第一位移零点位置下降到11.86 m。这说明桩径越大,刚度越大,稳定性越好。对比不同直径的桩身位移曲线还可以看出,桩径越小,桩的柔性越强,挠曲性状也越显著。因此,在排桩支护工程中可以通过增大桩径来达到减小桩顶位移的目的。

图7 不同直径下桩身水平位移

图8 桩直径与桩顶位移关系

由图8可以看到,桩顶位移随桩径增大而减小的趋势是逐渐趋于缓和的:当桩径由0.6 m增加到0.7 m时,桩顶位移减小2.04 mm;当桩径由0.7 m增加到0.8 m时,桩顶位移减小1.55 mm;当桩径由0.8 m增加到0.9 m时,桩顶位移减小1.08 mm;当桩径由0.9 m增加到1.0 m时,桩顶位移减小0.71 mm;当桩径由1.0 m增加到1.1 m时,桩顶位移减小0.57 mm。由此可以看出,在一定范围内增加桩径可以有效的减小排桩水平位移,但是当桩径增加到一定值以后再增加桩径来减小排桩位移,所起作用就不明显了。因此仅靠增大桩径来减小桩顶位移是不经济的。

3.2 桩长的影响

在模型其他因素不变的情况下增大灌注桩嵌固深度,分别采用 14m 、15 m、16 m 、17 m 、18 m、19 m 和20 m的桩长模拟计算,提取10号桩桩顶位移,得出桩长对排桩位移影响规律如图9所示。

从图9可以看出,桩长越大,即嵌固深度越大,则桩顶位移越小。桩长较小时,桩长对排桩的桩顶位移影响相对较大,当桩长达到一定程度之后,对支护结构的变形影响越来越小:桩长由14m增加到15 m,桩顶位移由10.31 mm减小到9.40 mm,减小比例为8.8%;桩长由19 m增加到20 m时,桩顶位移由7.91 mm减小到7.79 mm,减小比例为1.5%。由工程实践可知,当桩长过小时,由于被动土压力不足,会导致踢脚破坏;当桩长满足嵌固深度以后再增加桩长对桩顶位移的影响很小。因此,通过增大桩长来达到减小支护结构变形的目的并不经济,基坑深度一定时,排桩长度满足嵌固深度的要求即可。

图9 桩长与排桩最大桩顶位移关系

3.3 水泥土墙的影响

在基坑工程中利用水泥土搅拌桩搭接成水泥土墙作止水帷幕是防止坑外地下水向坑内入渗的有效措施。水泥土墙本身具有一定的强度,自然能够承担一部分土压力对支护结构变形起到一定的控制作用。本文为进一步考察水泥土墙强度对排桩变形的影响,在不考虑地下水影响的情况下,将桩外侧不设水泥土墙的模拟结果与设置水泥土墙的模拟结果进行对比分析,如图10所示。

图10 有无水泥土墙桩身位移对比

从图10可以看出,水泥土墙对桩身位移的影响是十分明显的。桩侧不设水泥土墙,桩顶最大水平位移为10.50 mm,而设置水泥土墙后桩顶最大水平位移为8.32 mm,水平位移降低比例为21%。可见,计算分析考虑不考虑水泥土墙的强度影响有较大的区别。工程中水泥土墙不仅能防渗止水,而且还能减小排桩位移。但目前排桩支护设计缺少考虑水泥土墙的成熟计算公式或者影响系数的提出,很多基坑设计软件也不能同时考虑排桩和水泥土墙的共同作用,此问题有待进一步的研究。

3.4 土体参数的影响

对于岩土工程来说,从土样的采集到室内试验,试验数值通常离散性比较大,而且在施工中也会发生变异,通常和真实的数值相差也比较大,同时土体参数的选取对排桩变形的影响也非常显著,因此对土体参数进行分析非常重要,同时通过对土体参数及变形影响的比较分析,也可以找出影响排桩变形的主要因素,从而找出控制排桩变形的合理方法。因此针对本工程逐一改变土体的两个主要参数:弹性模量、泊松比进行多次有限元模拟,提取东侧边界10号桩身水平位移分析这些参数对桩身位移的影响规律。

3.4.1 弹性模量的影响

本文设置了5种不同的土体弹性模量:10 MPa、15MPa、20 MPa、25 MPa、30 MPa,其它模型的尺寸和参数同工程实例。图11是不同土模量下桩身水平位移图。图12是土体弹性模量与桩顶位移关系图。

图11 不同土模量下桩身水平位移

图12 土体弹性模量与桩顶位移关系

从图11中可以看出,随着桩侧土体弹性模量的增加,桩顶最大水平位移逐渐减小,分别为9.59 mm、7.52 mm 、6.10 mm、4.84 mm 和 3.94mm,可见桩侧土体弹性模量对桩的水平位移影响很大,有限元模拟需要特别注意土体弹性模量的取值。随着桩侧土模量的增加,桩第一位移零点位置逐渐向上移动,分别距离地面10.62 m、10.57 m、10.38 m、10.17 m、10.05 m。这是由于随着桩侧土模量的增加,桩对土的相对刚度减小,桩的柔性挠曲就表现得更加明显,位移零点位置上移。从图12可以看出当土体弹性模量较小时,桩顶位移较大,当土体弹性模量较大时,桩顶位移随着弹性模量增加而减小的趋势趋于缓和。

3.4.2 泊松比的影响

在其他参数一定的情况下,本文设置5种不同的土体泊松比,υ=0.25、0.30、0.35、0.40、0.45,进行有限元模拟。采用五种不同泊松比计算桩身位移见图13。泊松比变化与桩顶位移关系见图14。

图13 不同泊松比下桩身位移

图14 泊松比与桩顶位移关系

从图13和图14可以看到,土体泊松比对排桩水平位移有较显著的影响,桩顶位移随土体泊松比的增大而增大。当土体泊松比为0.25时,桩顶位移为7.48 mm,当土体泊松比增大到0.45时,桩顶位移增大到10.02 mm,增大比例为34%。而土体泊松比很难通过试验直接测得,有限元模拟中泊松比这个参数往往采用经验值,导致模拟结果有一定误差。因此在有限元模拟参数取值时应重视泊松比的取值准确性。