供水泵站基坑排桩支护局部失效引发连续破坏机理研究

蔡红岩

（肇庆市鼎湖区九坑河水库工程管理所,广东 肇庆 526070）

1 引言

在水利工程泵站基坑开挖过程中,为维持基坑的稳定性及变形情况,常采用基坑支护改善上述情况,但是在大型工程中,有些支护桩难以承受所受荷载,经常发生破坏现象。近年来,许多专家学者针对基坑开挖过程中的支护桩破坏问题开展研究。

魏焕卫等人[1]针对基坑开挖过程中的连续性破坏开展研究,利用有限元软件对其破坏过程的受力情况和荷载传递情况进行分析。郑刚等人[2]以某地区基坑破坏案例为研究背景,基于有限差分法,对基坑支护桩破坏机理进行研究,分析其荷载传递趋势。郑刚等人[3]以实际工程为研究对象,考虑空间效率对基坑变形的影响,研究各因素对其荷载传递系数的影响,分析其基坑破坏规律。雷亚伟等人[4]开展模型试验,结合有限元软件,分析开挖对基坑支护稳定性的影响,研究挖掘过程对结构整体荷载传递的影响。陈秋南等人[5]基于双剪强度理论,对某地区支护桩进行研究,研究支护桩间距对其所受土压力的影响。

本文对支护桩对基坑变形的影响进行分析,利用有限元软件,模拟支护桩失效对结构整体受力及荷载传递的影响。

2 有限元模拟

本研究以某水利工程泵站基坑为研究对象,基坑长宽尺寸为40 m×20 m。该项目土质以粉质黏土和粉土为主,地下水位较深,标高为27.01 m 左右,因此可忽略土体液化问题。

在实际工程中,各桩体之间常存在相互作用,为研究群桩对基坑变形的影响,利用有限元软件对其进行数值模拟。由于实际工程中常有桩体在支护过程中发生破坏,可通过在有限元模型中删除部分桩体,以模拟此类破坏形式。在支护桩破坏后,其周围的土体会随之发生扰动,因此需要对其破坏情况进行动力模拟。动力作用主要受阻尼比的影响,由于基坑的变形量较大,所以可近似将模型视为结构整体变形,其阻尼比取10%。

采用线弹性结构单元模拟桩体,但上述模拟方式易发生土体流失现象,因此,提升桩后土体强度,以防止上述情况的发生。有限元模型的相关参数见表1。

表1 有限元模型相关参数

3 连续破坏传递机理分析

分别分析支护桩破坏根数对群桩支护的破坏变形情况的影响。当2根支护桩失效时,其弯矩-时间曲线见图1。由图1可知,当2根桩被破坏后,原有桩体承担的弯矩被分散到其他桩体,使其周围的桩体受力增大,发生土拱效应。随着时间的增大,桩身最大弯矩在支护桩破坏前期所受桩身最大弯矩有明显的提升,前期弯矩增长趋势显著,当时间超过0.4 s 时,各桩所受的桩身最大弯矩逐渐趋于平缓。这是由于,在支护桩破坏前期,土体发生扰动,随着时间的增大,土体受力逐渐趋于稳定,所以支护桩所受的桩身最大弯矩趋于平稳。其中,1 号桩所受的桩身最大弯矩最大,5 号桩所受的桩身最大弯矩最小。

图1 2根桩失效下的时间-弯矩曲线

图2为3根桩失效下的时间-弯矩曲线。由图可知,在支护桩破坏前期,桩体所受的桩身最大弯矩随着时间的增大而增大,但是其增长趋势相较于2根支护桩失效的时间-弯矩曲线,更为平滑。当时间超过0.5 s 时,曲线逐渐趋于平缓,支护桩所受的桩身最大弯矩趋于一个定值。这是由于,在支护桩破坏的前期,土体会发生扰动,土体内部发生一定的变形,未破坏的支护桩承受的弯矩增大,其周围发生土拱效应,以维持结构的稳定性。随着时间的增大,由于支护桩破坏产生的变形逐渐减小,直至稳定状态,此时支护桩所受的桩身最大位移趋于定值,不再变化。1 号桩所受的桩身最大弯矩最大,5 号桩所受的桩身最大弯矩最小。其中,各未被破坏的支护桩所受的桩身最大弯矩大于2根桩失效时的桩身最大弯矩,说明随着支护桩被破坏根数的增大,其他未被破坏的支护桩所承受的弯矩增大,支护桩的破坏会增大结构整体的受力,以破坏结构的稳定性。

图2 3根桩失效下的时间-弯矩曲线

图3为4根桩失效下的时间-弯矩曲线。由图3可知,随着支护桩破坏根数的增大,基坑整体的变形逐渐增大,基坑整体出现失稳现象,未破坏支护桩周围土体的土拱现象也更加明显。当4根桩失效时,未被破坏的支护桩的时间-弯矩曲线与3根桩失效时的时间-弯矩曲线类似,在破坏的初期,桩体所受的最大弯矩随时间的增大而增大,当时间超过0.55 s 时,柱身最大弯矩变化趋势逐渐趋于平缓,其值趋于定值。其中,各未被破坏的支护桩所受的桩身最大弯矩大于3根桩失效时的桩身最大弯矩,1 号桩的桩身最大弯矩增长量最大,5 号桩的桩身最大弯矩增量最小。

图3 4根桩失效下的时间-弯矩曲线

为研究不同失效桩根数对破坏传递的影响,分析不同根失效桩根数对弯矩传递系数的影响。但是在不同土质下,土体的受力情况有所差异,支护桩的荷载传递情况具有各异性,当土体强度分布为1 时,其弯矩传递系数见图4（a）。由图4可知,当只有1根支护桩破坏时,其弯矩传递系数较小,且其弯矩传递系数变化量较小,当4根桩失效时,其弯矩传递系数最下,且其弯矩传递系数变化量最大。随着失效桩根数的增大,相同支护桩对应的弯矩传递系数逐渐增大,但是当失效根数较大时,支护桩的弯矩传递系数的差距逐渐减小,说明当被破坏的支护桩较多时,支护桩的破坏对弯矩传递系数的影响较小。当桩编号的弯矩传递系数较小时,支护桩对应的弯矩传递系数较大,说明与被破坏的支护桩距离较近的桩体所承受的弯矩较大,容易发生破坏。

当强度分布为2 时,支护桩的弯矩传递系数见图4（b）。由图4可知,当强度分布为2 时,各支护桩的弯矩传递系数变化趋势与强度分布为1 时的变化趋势一致,但是当失效的支护桩根数不同时,各支护桩的弯矩传递系数差距变化一致,说明失效桩根数的变化对支护桩的弯矩传递系数有一定的影响。对比图4（a）可知,强度分布为2 的弯矩传递系数大于强度分布为1 的弯矩传递系数,说明当有支护桩被破坏时,土体的强度较高的支护桩弯矩传递系数较大,此时支护结构容易发生连续破坏。

图4 弯矩传递系数图

4 结论

本研究对支护桩对基坑变形的影响进行分析,利用有限元软件,模拟支护桩失效对结构整体受力及荷载传递的影响,得出以下结论。

两根桩被破坏后,原有桩体承担的弯矩被分散到其他桩体,使其周围的桩体受力增大,发生土拱效应。随着时间的增大,桩身最大弯矩在支护桩破坏前期所受桩身最大弯矩有明显的提升,前期弯矩增长趋势显著,当时间超过0.4 s 时,各桩所受的桩身最大弯矩逐渐趋于平缓。

在支护桩破坏的前期,土体会发生扰动,土体内部发生一定的变形,未破坏的支护桩承受的弯矩增大,其周围发生土拱效应,以维持结构的稳定性。随着时间的增大,由于支护桩破坏产生的变形逐渐减小,直至稳定状态,此时支护桩所受的桩身最大位移趋于定值,不再变化。

随着支护桩破坏根数的增大,基坑整体的变形逐渐增大,基坑整体出现失稳现象,未破坏支护桩周围土体的土拱现象也更加明显。当4根桩失效时,未被破坏的支护桩的时间-弯矩曲线与3根桩失效时的时间-弯矩曲线类似,在破坏的初期,桩体所受的最大弯矩随时间的增大而增大。

随着失效桩根数的增大,相同支护桩对应的弯矩传递系数逐渐增大,但是当失效根数较大时,支护桩的弯矩传递系数的差距逐渐减小,说明当被破坏的支护桩较多时,支护桩的破坏对弯矩传递系数的影响较小。

强度分布为2 的弯矩传递系数大于强度分布为1 的弯矩传递系数,说明当有支护桩被破坏时,土体的强度较高的支护桩弯矩传递系数较大,此时支护结构容易发生连续破坏。