悬臂桩基坑支护影响因素的分析研究

2011-07-27田汉儒黄春花

铁道建筑 2011年11期

关键词：支护桩桩体悬臂

石坚，田汉儒，黄春花，赵宝

(长安大学建筑工程学院，西安 710061)

基坑工程是一个综合性很强的岩土工程问题，它涉及土力学中强度、稳定、变形及土与支护结构的共同作用等问题，由于问题的复杂性，目前对基坑支护影响因素的研究尚不能满足实际工程的需要，有必要针对这一问题进行深入研究。

悬臂桩支护是指不带内撑和拉锚的支撑结构，可以通过设置钢筋混凝土桩形成支护，这是目前常用的一种基坑支护形式。本文用ANSYS有限元软件，通过数值模拟，研究分析钢筋混凝土悬臂桩支护的影响因素。

1 悬臂桩基坑支护数值模型的建立

有限元计算模型包括几何模型、材料模型的建立及边界条件的定义。本研究计算基坑尺寸为41 m×29 m，悬臂桩桩长20 m，尺寸如图1所示，采用二维模型模拟。桩体采用各向同性线弹性本构模型，土体采用Drucker-Prager模型。

图1 计算简图(单位:m)

2 计算结果及分析

计算单元划分如图2所示。

图2 计算单元划分

2.1 桩径的影响

桩的计算参数取为弹性模量 E=2.0×1010Pa，泊松比ν=0.25;土的内聚力 c=10 kPa，内摩擦角 φ=20°，变形模量 E0=1.6×107Pa，泊松比 ν=0.39。桩径 d分别取0.6 m，0.8 m，1.0 m，1.2 m 和1.4 m。

2.1.1 对桩水平位移的影响

计算结果见图3和表1。

图3 不同桩径时悬臂桩水平位移曲线

表1 不同桩径时桩的最大水平位移

由图3和表1可知，桩的最大水平位移出现在桩顶，桩的最小水平位移在桩底，但是并不为零。随着桩径的增大，桩体的最大水平位移减少，但对桩底的水平位移基本上没有影响。由表1可知:当桩径为0.6 m时，桩的最大水平位移为73.6 mm，当桩径从0.6 m增大到1.4 m时，桩的最大水平位移减小至44.9 mm，减小的幅度为41.1%。当桩径从1.2 m增大到1.4 m时，水平位移减小的幅度变小，为4.26%。这表明，适当增大桩径可以有效地减小悬臂桩的水平位移，但当d＞1.2 m时对减小桩的水平位移影响不明显。

2.1.2 对土压力影响

图4为不同桩径时桩侧土压力计算结果。

图4 不同桩径时桩侧土压力分布

由图4可知，桩径的改变对于支护桩土压力的分布影响不大，朗金理论的支护土压力计算结果偏于保守。

2.2 土的抗剪强度的影响

桩基本参数取为 E=2.0×1010Pa，ν=0.25，桩直径d取0.8 m;土的基本参数为 E0=1.6×107Pa，ν=0.39。土的 c，φ 值取 5 组计算:c=10 kPa，φ =15°;c=10 kPa，φ =20°;c=15 kPa，φ =20°;c=20 kPa，φ =20°;c=25 kPa，φ =20°。

2.2.1 对桩水平位移影响

表2为不同c，φ时桩最大水平位移的计算结果。

由表2可知:当 c=10 kPa，φ=15°增大到 c=10kPa，φ=20°时，桩的最大位移由 105.1 mm 减小到58.3 mm，减小了44.5%;土的抗剪强度由 c=10 kPa，φ=20°增大到 c=15 kPa，φ =20°时，桩的最大位移由58.3 mm减小到42.5 mm，减小了27.1%;当土抗剪强度由 c=20 kPa，φ =20°增大到 c=25 kPa，φ =20°时，桩的最大位移由41.4 mm减小到40.9 mm，减小了1.2%。由此可知:土的抗剪强度对桩的水平位移影响明显，但当c，φ值增大到一定程度时，影响程度减弱。

表2 不同c，φ时桩的最大水平位移

2.2.2 对桩身应力的影响

表3为不同c，φ值时桩身的最大拉、压应力。

表3 不同c，φ时桩身最大拉、压应力

由表3可知:当土的 c，φ 值由 c=10 kPa，φ=15°增大到c=10 kPa，φ=20°时，桩的最大拉、压应力减小的平均幅度为59.1%;而当土的 c，φ值由 c=20 kPa，φ=20°增大到 c=25 kPa，φ =20°时，桩的最大拉应力仅减小了0.01 MPa，最大压应力没有变化。由此可知:当 c=10 ～20 kPa，φ =15°～20°时，对桩体的应力的影响明显，当 c＞20 kPa，φ ＞20°时，对桩体的应力的影响很小。