基于数值模拟对深基坑双排桩支护结构的研究.pdf

年 第 期(总第 期)黑龙江交通科技 .(.)基于数值模拟对深基坑双排桩支护结构的研究卞开春(安徽开源路桥有限责任公司安徽 合肥)摘 要:为研究深基坑中双排桩支护结构通过理论研究结合有限元软件对深基坑双排桩支护结构进行研究研究结果表明:本文所采用的深基坑双排支护结构可以有效的对基坑起到支护作用通过有限元模拟可知模拟的结果与实际工程监测的数据相似位移变化的规律及分布规律也基本一致说明采用 有限元软件对深基坑双排桩支护结果进行数值分析是可行的关键词:有限元软件深基坑双排桩支护结构桩间距中图分类号:.文献标识码:文章编号:()收稿日期:作者简介:卞开春()男安徽明光人研究生高级工程师研究方向:道路与桥梁工程 引 言随着国家的发展我国大规模的高层建筑及大规模的地下空间建筑越来越多在建筑此类建筑时将会遇到深基坑的设计及施工上的问题在深基坑的支护形式中目前主要包括放坡开挖、悬臂式支护结构、土钉墙及复合土钉墙支护结构、水泥重力式挡土墙、拉锚式支护结构和组合式支护结构各种结构都具有一定的适用特点其中双排桩支护结构是一种超静定的刚架结构具有安全度高、支护效果好、施工简便及适应性强等特点被广泛运用关于双排桩的研究有王星华等人通过数值模拟对双排桩和预应力锚杆联合支护体系不同开挖过程的桩土关系进行分析研究结果表明:增加冠梁的刚度能够有效的减小土体的侧移陆培毅等人借助有限元软件对双排桩的桩间距、开挖深度及宽度等参数进行研究研究得到双排桩的最合理桩间距并得到开挖深度对双排桩支护效果的影响钟小春 等人对桩间土的侧向土压力进行计算得到桩间距对土拱效应的影响 目前的研究已取得一定的成果但在实际的工程运用及理论研究中还存在较多问题如由于该支护结构的桩间土作用在前后排桩的土压力分别形式不确定、水平反力系数取值不确定及对排桩桩间距、桩顶连接及桩间土的相互作用等缺少全面认识针对该支护结构的研究存在的不足 本文在现有的研究基础上通过理论研究结合有限元软件对深基坑双排桩支护结构进行研究希望能对该类支护结构提高参考价值 双排桩支护结构设计的计算理论.比例系数法比例系数法是属于经典平衡法中的一种这种计算方法的计算模型图如图 所示在进行计算时需要进行一定的计算假定其中假定前后排的排桩顶部和的连接为刚性连接桩底是嵌固的门架式结构假定连梁只产生水平位移并且假定前后排桩的桩顶水平位移相同第三是通过朗肯土压力计算图 比例系数法双排桩支护结构计算简图图 中的 表示基础开挖后前排桩的主动土压力 表示基础开挖后前排桩的被动土压力 表示后排桩的主动土压力 表示后排桩的被动土压力 这种计算方法概念清晰明确计算较为简单能够用于程序得以实现但这种计算方法会存在一定的误差主要在于连梁的不变形假定和前后排桩的水平位移相同的假定在实际的工程中很难实现连梁不发生变化并且保证前后排桩的水平位移一致.修正系数法在纵多计算方法中采用极限土压力并结合经验的系数来确定桩体的土压力的计算方法称为修正系数法这种计算方法的计算模型图如图 所示这种计算方法是将前排的桩等效为单锚板桩以此来进行计算具体计算时按简支板桩的模式计第 期卞开春:基于数值模拟对深基坑双排桩支护结构的研究总第 期图 修正系数法双排桩支护结构计算简图算出桩最小的入土深度支点的反力通过静力平衡条件求得以此计算出最大弯矩值和作用点的位置通过桩抗倾覆的验算得到后排桩的桩长结合土压力计算公式得到最大弯矩和作用点位置这种计算方法存在一些不足比如:不能真实的反映在复杂荷载下双排桩的调节作用另外在计算时未能考虑桩顶的作用计算较为简单准确性上存在一定的误差.弹性地基梁法弹性地基梁法计算支护桩时当前工程应用及认可程度较高的计算方法其计算的理论基础是 假定理论该理论在计算时会考虑桩与土的共同作用能够准确的得到前后排桩的土压力荷载大小并且还能通过计算得到地基土的水平基床系数最后的双排桩支护结构内力可以通过弹性地基梁和结构力学的方法计算得到这种计算方法在计算时将支护结构分为盖梁、前排桩及后排桩三个部分三者的变形协调关系和内力关系可以通过计算求得以桩尖集中弯矩和集中剪力为零的条件联合求解得到桩顶的内力和位移从而计算双排桩支护结构的位移和内力其中的 表示作用在后排桩的桩侧土压力 表示作用在前排桩的桩侧土压力 表示后排桩桩顶受到的弯矩 表示后排桩桩顶受到的剪力表示前排桩桩顶受到的弯矩 表示前排桩桩顶受到的剪力、分别表示在基底处后排桩受到的弯矩和剪力、分别表示基底处前排桩受到的弯矩和剪力、表示桩顶处后排桩和前排桩的转角、表示基底处后排桩和前排桩的转角这种计算方法能够考虑支护结构和土体之间的相互作用在计算理论上较为合理当实际工程中的桩土与土存在脱离的现象因此这种计算方法在桩顶的位移结果上与实际的情况存在一定的偏差 有限元模拟.有限元软件介绍采用的有限元软件为 软件 通过将模型离散化将节点单元连接并将作用在节点上的荷载进行读写运算得到单元间的相对位移进而求出单元的应变该软件现已广泛运用于隧道工程、道路与铁路工程、岩土工程及建筑工程等工程领域 运用该软件时其主要的求解过程主要包括四个过程第一是建立几何模型并进行有限差网格划分第二确定模型中材料的本构关系第三进行模型边界的设置及初始条件的设置第四进行模拟计算并分析结果.有限元模型的建立建立的三维模型是根据实际的工程案例按 的比例进行模型创建该工程位于某市工程基坑的开挖深度为.属于深基坑工程 本次深基坑工程采用双排桩支护方案 本文根据该支护方案进行三维模型的建立首先根据方案建立三维的几个模型本模型的长为 宽为 高度为 桩的弹性模量为 重度为/泊松比为.然后选定模拟的结构参数对支护桩采用软件中的桩单元进行模拟支护桩与土体单元支架的切向及法向上的相互作用根据桩单元的各类参数来实现对于连梁、冠梁采用梁单元进行模拟接着确定模拟的边界约束条件本文模型边界条件的设置中:底部设置为固定约束对顶部定义为自由边界对模型的四周设置为滚动支座对模型的初始条件设置时考虑坡顶的超载荷载为 并根据实际的工程情况不考虑渗流和水压力的影响模型中的土层参数设置如表 所示支护结构的参数设置如表 所示表 土层参数设置土层名称土层厚度/土层重度/()压缩模量/内摩擦角/()粘聚力/杂填土.粉质黏土.淤泥质粉质粘土.粉质黏土.细沙.强风化砾岩.总第 期黑龙江交通科技第 期表 支护结构参数设置构件名称混凝土强度弹性模量/密度/()直径(边长)/排距/桩距/泊松比冠梁 .连梁 .后排桩 .前排桩 .有限元模拟假定在有限元模拟的过程中需要对模型进行一些的假定()假定土体为弹塑性体模拟的过程中当外界条件发生变化时土层的压缩模量、泊松比、内摩擦角及粘聚力等参数保持不败()假设支护结构完全符合平面应变的假定()假设桩顶与冠梁的连接是为刚性连接()假定模拟中不存在水压力和渗流的作用 在进行模拟计算时为计算的简便进行初始应力的平衡不考虑打入桩时对结构构件的影响位移为零在模拟开挖时采用的是放坡开挖将开挖的土体单元定义为空的单元 有限元模拟结果.位移分析通过模拟计算对基坑开挖完成后土体及构件位移与应力进行分析基坑土体在 向的位移云图基坑土体在 向的位移云图土体基坑在 向的位移云图基坑土体开挖后在 向位移云图中在坡脚位置出现位移最大最大的位移值约为 从支护桩的顶到底在支护的范围内土体位移呈现先增大后 减 小 的 变 化 趋 势 最 大 处 的 位 移 值 约 为.基坑底部的位移值约为 并且发现在基坑外的土体位移比支护桩附近的土体位移小离基坑越远支护桩的土体位移越小基坑土体开挖后在 向上应力云图未发生变化因此在 向上不发生位移对着基坑深度的增大基坑土体开挖后在 向的位移逐渐减小到达一定的深度后位移为零在基坑的开挖面上出现的位移最大说明基坑在开挖的过程中出现了隆起的现象出现这种现象主要是因为在进行基坑开挖时四周的应力得到释放导致的并且发现距离基坑外一定范围土体出现负位移说明在此处的土体产生了沉降并且随着距离基坑越远其土体的沉降出现先增后减的凹陷状态.实际对比分析将有限元软件模拟的结果与实际工程中监测得到的数值进行对比在桩体的最大变形中根据模拟的结果其最大值约为.出现的位置大约为桩顶下.从监测的数值可知桩体的最大变形位于桩顶下 处并且最大的变形值约为.说明模拟的结果与实际的监测数据相近对比实际工程中与模拟结果在 向、向及 向位移的变化发现其位移分别及变化的规律基本一致说明采用有限元软件建立的数值模型模拟结果与实际工程监测的结果相似也表明了该支护结构的可行性计算模型对深基坑双排桩的设计具有参加价值 结 论本文为研究深基坑中双排桩支护结构通过理论研究结合有限元软件对深基坑双排桩支护结构进行研究研究结果表明:本文所采用的深基坑双排支护结构可以有效的对基坑起到支护作用通过有限元模拟可知模拟的结果与实际工程监测的数据相似位移变化的规律及分布规律也基本一致说明采用 有限元软件对深基坑双排桩支护结果进行数值分析是可行的参考文献:郑刚焦莹.深基坑工程设计理论及工程应用.北京:中国建筑工业出版社().龚敏.基坑支护双排桩力学性能研究.哈尔滨:哈尔滨工业大学.王星华谢李钊章敏.深基坑开挖中双排桩支护的数值模拟及性状.中南大学学报(自然科学版)():.许胜才范秋雁崔峰.基于 的特殊双排桩支护结构三维有限元模拟.地下空间与工程学报():.钟小春.基坑支护桩间土体拱效应理论及有限元分析.岩土工程学报():.王建军.基坑支护现场试验研究与数值分析.北京:中国建筑科学研究院.申永江孙红月尚岳全等.滑坡推力在悬臂式双排抗滑桩上的分配.岩石力学与工程学报():.申永江.边坡工程中抗滑桩的效果评价与优化设计.杭州:浙江大学.陈育民徐鼎平./基础与工程实例.北京:中国水利水电出版社.孙书伟林杭任连伟.在岩土工程中的应用.北京:中国水利水电出版社.吴刚白冰聂庆科.深基坑双排桩支护结构设计计算方法研究.岩土力学():.