深基坑支护桩水平位移影响因素数值模拟研究

王 哲,孙 超

吉林建筑大学 测绘与勘查工程学院,长春 130118

随着城市化进程的加速,建筑规模不断提升.为满足施工要求,深基坑的支护技术手段也在不断完善和发展,大型的基坑项目越来越多,维护基坑及周边建筑物的安全和稳定则更为重要.对于基坑施工而言,位移变形过大会使支护结构失稳,对基坑的安全产生不利影响,甚至导致基坑塌方,周边建筑物开裂,因此对支护结构水平位移的控制尤为重要.近年来,许多学者对基坑支护结构水平位移的影响因素进行了研究与分析,并取得了一定成果.文献[1]运用FLAC3D模拟软件,模拟粉质黏土和黏土两种土体在不同负温下桩身水平冻胀力的分布和桩体水平位移的变化规律,并提出桩身最大水平冻胀力与桩顶位移呈指数关系;文献[2]专门对管桩进行了模拟分析,通过模拟管桩不同弹性模量、壁厚、外径等条件分析支护结构的变形规律,并进一步提出预应力对水平位移的影响;朱艳、邱洪亮[3]从土体弹性模量、重度和内摩擦角3个角度分析不同土体参数对支护桩水平位移的影响,为以后的工程设计提供参考;秦早立夫[4]从围护桩桩径、桩间距、桩长和内支撑位置4个方向,探索了围护桩的水平位移效果及变化规律,可为日后现场施工提供更加经济的支护方案;孙超等[5]人针对排桩支护结构位移变形问题,模拟不同混凝土强度及不同嵌固深度条件下桩身水平位移的变化;沈琪等[6]人则针对基坑悬臂桩模拟冻融循环条件下桩体产生水平位移大小,重点分析了冻结和融化时桩身的变化趋势;文献[7]针对桩锚形式的基坑越冬进行模拟,以冻胀的时间和不同温度为研究方向,对比分析支护桩水平位移变化和基坑坑底隆起值变化.

目前,对于支护结构水平位移影响因素的研究多集中在使用FLAC3D软件进行模拟,而FLAC3D模拟软件对于单个构件模拟效果表现欠佳.本文以MIDAS有限元分析软件为基础建立数值模型,通过模拟不同桩身混凝土强度等级、土体内摩擦角及外界温度变化等条件,研究分析支护结构水平位移的变化规律.

1 建立模型

1.1 模型建立

由于整体基坑模型对称,故选用模型的一半进行建立.基坑深5 m、宽8 m,支护结构采用圆形钻孔灌注桩,由于悬臂桩嵌固深度不宜小于0.8倍的基坑深度[8],因此选用12 m桩长.桩身混凝土强度、桩侧土体内摩擦角和不同温度条件为本次试验的变量,桩身混凝土强度等级选用C35,C45,C55,桩侧土体内摩擦角分为18°,21°和24°,温度条件划分为常温15 ℃,-10 ℃和-15 ℃.本次模拟试验采用粉质黏土作为模拟土层,计算模型长25 m,高20 m,取水平向右为x轴正方向,取垂直向上为y轴正方向,整体模型为2D模型.土体选用修正Mohr-cloumb模型,该模型由Mohr-cloumb模型优化得到,从非线性弹性材料和弹塑性材料中融合了许多特点,能针对加载和卸载选用不同的弹性模量模拟基坑开挖,更符合工程需求.因此,土体采用各向同性的修正Mohr-cloumb本构模型,2D平面应变单元;支护桩体选用均质各向同性的弹性本构模型,梁单元.

1.2 参数选取及确定边界条件

在MIDAS GTS NX中,给模型赋值采用弹性模量,而容重、泊松比、粘聚力、内摩擦角等参数依据本构模型进行选取,土层参数及支护结构参数的取值见表1,桩身材料及土体的热力学参数[9]取值见表2.

表1 桩、土物理力学参数

表2 热力学参数

确定位移边界条件,将模型的左右两侧及底部边界设置为固定边界,模型顶部为自由表面.考虑重力影响设置土体初始应力状态,不考虑地下水及周边环境的影响.模拟试验分三组进行,第一组仅考虑不同混凝土强度对桩身水平位移的影响;第二组考虑不同桩侧土体内摩擦角对支护桩水平位移的影响;第三组考虑不同温度情况下土体对支护桩变形位移的影响.模拟过程中将影响桩体变形的其他因素设为相同,仅考虑不同试验变量对支护桩水平位移的影响.

2 数值模拟结果及分析

2.1 不同桩身混凝土强度下的结果和分析

控制桩长和桩径不变,通过改变桩身混凝土强度等级进行数值模拟,分析不同桩体混凝土强度条件对桩体位移的影响.灌注桩选用0.8 m桩径,12 m桩长,桩身混凝土强度分别采用C35混凝土,C45混凝土和C55混凝土.不同混凝土强度的桩体位移云图如图1～图3所示.

图1 C35混凝土强度桩体位移云图

图2 C45混凝土强度桩体位移云图

图3 C55混凝土强度桩体位移云图

由图1～图3看出,在其他条件不发生变化、只改变桩体混凝土强度等级时,C35混凝土桩桩顶位移为11.714 7 mm,C45混凝土桩桩顶位移为11.690 6 mm,C55混凝土桩桩顶位移为11.669 0 mm.由此可知,随着支护桩体混凝土强度的增加,桩身位移变形逐渐减小.基坑底部以上桩身位移变化趋势较大,呈线性变化,坑底以下由于土体对桩产生约束作用,变化趋势较小.桩身位移减小的原因在于随着混凝土强度增强,桩身整体刚度增加,抵抗变形的能力得到提升.

2.2 不同土体内摩擦角下的结果和分析

模拟过程中控制桩体材料属性不变,只改变土体内摩擦角进行数值模拟,分析内摩擦角的变化对桩体位移的影响.选用12 m桩长,0.8 m桩径,桩身混凝土强度采用C30混凝土,桩侧土体内摩擦角分别控制在18°,21°,24°.利用origin绘图软件绘制不同土体内摩擦角下桩体沿深度方向水平位移变化曲线图,如图4所示.

图4 不同内摩擦角下桩体位移

图4为不同土体内摩擦角对桩身位移变形的影响曲线,内摩擦角为18°时,桩顶位移为13.267 7 mm;内摩擦角为21°时,桩顶位移为11.074 2 mm;内摩擦角为24°时,桩顶位移为9.379 9 mm.在其他条件不变、只改变桩侧土体内摩擦角时,内摩擦角增大,桩身水平位移随之减小,但在桩顶处水平位移值达到最大.原因在于内摩擦角的提高会导致土体内部摩擦增大,土体对支护结构也会产生更强的摩擦阻力,使土体对支护结构的约束增强.

2.3 不同温度下结果和分析

基坑开挖完成后,通过在模型表面施加温度荷载,模拟不同温度条件下土体对支护桩的变形影响.通过查阅资料,长春地区最大冻结深度为2.03 m,因此对基坑模型的侧壁、坑底及地表施加2 m厚的温度荷载(-10℃,-15℃),如图5所示.模拟过程中桩体强度、桩长、含水率、土体参数等因素不变,仅考虑温度对桩身位移的影响.设置3个温度条件,常温15 ℃,-10 ℃和-15 ℃.模拟结果显示,常温15 ℃时桩顶位移为11.619 5 mm;温度降为-10 ℃时,桩顶位移为13.878 4 mm;温度降到-15 ℃时桩顶位移为15.101 6 mm.

图5 基坑模型施加温度荷载

如图6所示,虽然施加温度不同,但桩体水平位移随深度的变化规律基本一致.在桩顶处桩体水平位移值达到最大,在桩身8 m处可见桩体水平位移变化有减小的趋势,这是由于坑底土体对桩产生约束.随着温度的降低,桩顶水平位移不断增大.当地表温度小于0 ℃时,土体会发生冻结;随着温度的继续降低,土体内部发生冻胀,冻胀力也会随之不断增大,最终导致桩体水平位移变大.因此,在实际工程中要对土体冻胀等问题加以重视,考虑不同地区的季节气候条件,做好防范.

图6 不同温度下桩体位移

3 结语

本文通过MIDAS GTS NX有限元模拟分析软件分析不同混凝土强度等级、不同土体内摩擦角、不同温度对支护桩水平位移的影响,结论如下:

(1) 随桩身混凝土强度等级提高,桩身水平位移呈减小趋势,支护桩强度越高,其抵抗变形能力越强.

(2) 土体内摩擦角与桩身水平位移呈负相关,内摩擦角越大,土体对支护结构的约束越强,桩身水平位移越小.

(3) 温度对基坑支护结构变形有显著影响,当外界温度降至负温时,表层土体发生冻胀,桩身水平位移随温度的降低而增大.