斜桩支护基坑的数值模拟研究

张文超，薛炜

(1.中科院广州化灌工程有限公司，广东 广州 510650； 2.广东省化学灌浆工程技术研究开发中心，广东 广州 510650；3.广东省中科化灌工程与材料院士工作站，广东 广州 510650)

斜桩支护基坑的数值模拟研究

张文超1，2，3*，薛炜1，2，3

(1.中科院广州化灌工程有限公司，广东 广州 510650； 2.广东省化学灌浆工程技术研究开发中心，广东 广州 510650；3.广东省中科化灌工程与材料院士工作站，广东 广州 510650)

具有一定倾斜角度的桩在公路桥梁、港口码头行业中中已应用广泛，而在基坑支护工程中则鲜有应用和研究。为了研究具有一定倾斜角度的桩作为基坑支护结构时的工作机理，采用数值模拟的方法，对不同倾斜角度的钢板桩进行计算，研究不同倾斜角度对支护桩内力、位移的影响规律。研究结果表明，斜桩有利于与降低基坑位移、减小支护桩剪力，而支护桩正弯矩随角度增大而减小，负弯矩随角度增大而增大。从充分发挥材料性能、节约造价的角度，斜桩倾斜角度以10°～12°为宜。

基坑；斜桩；有限元

1 引 言

目前，具有一定倾斜角度的斜桩已广泛应用于公路桥梁、港口码头、输电线塔架及海上钻井平台等结构的基础中[1，2]，众多学者采用各种手段对倾斜单桩及倾斜群桩基础的承载、变形特性进行了广泛的研究[3，7]，这些研究的简化模型都是在一定的竖向荷载下，单桩承受水平荷载的变形和承载特性。

基坑工程是岩土工程学中的一个古老的传统课题，基坑的支护结构既涉及前述桩基础的承载和变形特性问题，还涉及结构稳定性和外部环境影响的问题。从土压力计算理论的角度而言，用斜桩对开挖的基坑进行支护，有利于减小桩后侧主动土压力，降低桩身内力，并有利于降低基坑开挖对环境的影响。目前，国内外对斜桩支护基坑的研究还比较少。郭建芝等[8]结合具体的工程实例指出，斜桩支护基坑有利于充分发挥材料的特性，在同等条件下，可有效控制基坑开挖对环境的影响，同时可大幅度降低造价；李珍等[9]通过数值模拟的方式，对双排桩结构中后排桩倾斜的情况进行了研究，指出斜桩与直桩结合可达到更好的支护效果，且斜桩角度在20°时为宜；徐源等[10]通过模型试验研究了双排桩中前排桩倾斜的情况进行研究，指出前排桩倾角10°时，桩身内力及位移均有一定的减小；郑刚等[11]采用室内模型试验的方法研究了倾斜单排桩在水平荷载下的变形和承载特性，指出斜桩倾斜角度越大，桩身位移及弯矩越小，且斜直交替桩比斜桩支护效果更好；孔德森等[2]以郑刚等[11]的模型试验为计算模型，采用数值模拟的方法验证了模型试验的结果，为斜桩支护的计算提供一定的参考。

前人的研究多建立在模型试验的基础上，针对小尺度模型的结果或有可靠度的问题。为进一步了解斜桩对基坑支护的作用及基坑开挖对斜桩的影响规律，本文以某工程中采用钢板桩倾斜支护基坑的实施方案为例，采用通用有限元软件进行数值模拟，研究倾斜钢板桩在基坑开挖时的受力特性，揭示斜桩在基坑支护中的工作性状。

2 数值模型及计算内容

有限元作为一种有效的数值分析方法，在岩土工程领域内得到了广泛的应用，本文采用通用有限元软件进行计算，支护结构形式如图1所示。计算共设置12个不同的工况，每个工况的钢板桩对应不同的倾斜角度θ(如图1所示)，分别为0°(垂直插入)、2°、5°、7°、9°、10°、12°、15°、17°、20°、22°、25°。研究每个工况下，钢板桩倾斜角度对钢板桩位移及内力的影响规律。

选取计算断面基坑开挖深度 5 m，采用新IV型拉森钢板桩悬臂支护，桩长 15 m，当钢板桩垂直插入时，嵌固深度 10 m。钢板桩计算采用线弹性模型，原位土体采用摩尔-库伦模型，土层相关参数如表1所示。

土层参数 表1

土体初始应力按静止土压力计，不考虑基坑开挖以前由于打入钢板桩所引起的应力重分布及位移的变化。

3 计算结果分析

3.1 角度对桩身位移的影响

图2是钢板桩倾斜角度与桩身最大水平位移之间的关系曲线。从曲线中看出，随着钢板桩倾斜角度的逐渐增大，钢板桩最大水平位移逐渐减小，但是倾斜角度对桩身位移的影响程度有限。当钢板桩倾斜角度达到25°时，相比于垂直插入时桩身最大水平位移减小14.57%，这一结果与已有的模型试验成果[10，11]有所出入。结合文献[10][11]的研究成果分析，倾斜角度对位移的影响不仅与倾斜角度有关，而且与基坑开挖深度及土性有关，同样的倾斜角度，斜桩在无黏性土中减小位移的效果更加显著，且开挖深度越大，控制位移的效果越明显(文献[11]图12)，但是总体规律是随着倾斜角度增大，位移减小。

图2 角度对位移的影响

3.2 角度对桩身剪力的影响

图3是倾斜角度对钢板桩桩身剪力最大值的影响曲线。从图中明显看出，角度与剪力最大值近似呈线性关系，且随着角度增大，剪力最大值减小。当倾斜角度达到25时，剪力最大值相比于垂直插入时减小67.41%。

图3 角度对桩身剪力的影响

3.3 角度对桩身弯矩的影响

图4为倾斜角度与桩身弯矩最大值的关系曲线(图中弯矩值为弯矩绝对值)。图5是桩身弯矩随深度的分布图。结合图5可以看出，图4中所显示的桩身弯矩随倾斜角度先减小再增大的规律并不是桩身弯矩实际值的简单增大和减小，而是正弯矩随角度增大不断减小，负弯矩随角度增大逐渐增大，在图4中倾斜角度为12°左右时，桩身正负弯矩值基本相等。

图4 角度对桩身弯矩的影响

图5 桩身弯矩分布图

3.4 计算结果总结

从控制位移和钢板桩剪力的角度，斜桩的倾斜角度越大越好，而实际上斜桩倾斜角度无法随意设置，角度主要受限于两方面因素，一是斜桩的倾斜角度受到施工工艺的限制，不能无限制的增大，尤其是采用混凝土灌注桩或者钢管桩时，过大的倾斜角度导致无法施工；二是采用斜桩则需要一定的施工空间，如图6所示，当基坑开挖深度 5 m，采用倾斜角度15°时，所需的水平宽度B=1.34 m，而当采用25°倾斜角时，B=2.33 m。此外，当斜桩的倾斜角度足够大时，而外部环境条件允许时，完全可以改用其他的更合理的支护形式，甚至于采用自然放坡的方式。

图6 斜桩支护剖面示意图

从图4中弯矩与倾斜角度的关系来看，桩身正负弯矩绝对值接近时，能够最大限度发挥材料的作用，避免浪费，而此时，桩身最大位移和最大剪力较垂直插入时分别减小7.5%、36.4%，弯矩绝对值相比于垂直插入时减小47.4%。因此，从计算结果看，斜桩能够有效减小桩身内力，从一定程度上减小位移，从节省材料、控制造价的角度，斜桩倾斜角度建议10°～12°比较合理。

4 结 论

本文采用数值模拟的方法，通过针对不同倾斜角度的斜桩进行数值模拟的计算，讨论了斜桩倾斜角度对基坑位移及斜桩内力的影响规律，得到如下结论：

(1)斜桩结构支护基坑相比于垂直支护桩能够有效减小桩身内力，并从一定程度上控制位移，但是控制位移的效果有限。

(2)在同样的开挖深度条件下，斜桩的倾斜角度与桩身最大位移和剪力呈反比关系，而桩身最大弯矩则随角度增大先减小后增大，桩身正弯矩随角度增大而减小，负弯矩随角度增大而增大。

(3)相同条件下，采用斜桩支护基坑比垂直桩支护更能发挥材料性能，节约工程造价。

(4)从控制造价、节省材料的角度，并结合斜桩所需的空间，斜桩的倾斜角度以10°～12°为宜。

[1] Chen L，Poulos HG. Piles Subjected to Lateral Soil Movement. Journal of Geotechnical & Geoenvironment Engineering，ASCE，1997，123：802～801.

[2] 孔德森，张秋华，史明臣. 基坑倾斜支护桩模型试验的数值模拟研究[J]. 岩土工程学报，2011，33(S2)：408～411.[3] 袁廉华，陈仁朋，孔令刚等. 轴向荷载对斜桩水平承载特性影响试验及理论研究[J]. 岩土力学，2013，34(7)：1958～1964.

[4] 凌道盛，任涛，王云岗. 砂土地基斜桩水平承载特性p-y曲线法[J]. 岩土力学，2013，34(1)：155～162.

[5] 吕凡任，邵红才，金耀华. 对称双斜桩桩基础竖向承载力模型试验研究[J]. 工业建筑，2012，42(5)：102～105.

[6] 王云岗，章光，胡琦. 斜桩基础受力特性研究]J]. 岩土力学，2011，32(7)：2184～2190.

[7] 缪云，戴国亮，龚维明. 斜桩承台桩基沉降影响有限元分析[J]. 岩土工程学报，2010，32(S2)：208～211.

[8] 郭建芝，曹华先. 斜桩挡土支护深基坑[J]. 广州建筑，1997(2)：38～41.

[9] 李珍，葛建斌，周春儿. 多排(斜)桩深基坑支护结构数值模拟分析[J]. 岩土工程界，2009，3(12)：34～36.

[10] 徐源，郑刚，路平. 前排桩倾斜的双排桩在水平荷载下的性状研究[J]. 岩土工程学报，2012，32(S1)：93～98.

[11] 郑刚，白若虚. 倾斜单排桩在水平荷载作用下的性状研究[J]. 岩土工程学报，2010，32(S1)：40～45.

Numerical Simulation on Inclined Retaining Piles in Excavations

Zhang Wenchao1，2，3，Xue Wei1，2，3

(1.Guangzhou Chemical Grouting Engineering Co.，Ltd，Chinese Academic of Science，Guangzhou 510650，China； 2.Guangdong Chemical Grouting Technology Research Centre，Guangzhou 510650，China； 3.Guangdong Zhongke Grouting Engineering and Material Academician Workstation，Guangzhou 510650，China)

Inclined pile is applied widely in foundations of highway bridges and port wharfs etc，it is nearly blank in excavations and few people study it. To study the working mechanism of inclined pile as retaining structure，numerical simulation is performed，including different angles of inclined steel sheet piles. The influence of angle on displacement and internal force is researched. The results show that it is beneficial to reduce displacement and shear force of pile when the pile is inclined. In addition，positive moment decreases with increasing angles，when negative moment increases with decreasing anles. For fully playing the performance of materials and cost reduction，the appropriate inclined angle is 10～12 degree.

excavation；inclined piles；finite element method

1672-8262(2017)02-171-03

TU473.1

A

2016—09—23

张文超(1984—)，男，硕士，工程师，主要从事岩土工程设计施工技术工作。