雙排樁支護結(jié)構(gòu)土壓力數(shù)值模擬研究.doc

雙排樁支護結(jié)構(gòu)土壓力數(shù)值模擬摘 要：雙排樁支護結(jié)構(gòu)是一種新的深基坑支護形式，在進行雙排樁支護結(jié)構(gòu)設計時，土壓力的取值正確與否對支護體系設計是否合理起著決定作用，為了更準確的進行雙排樁支護結(jié)構(gòu)的設計必須了解作用在樁上的土壓力的分布情況，本文利用巖土工程分析軟件FLAC3D，運用數(shù)值模擬方法研究了雙排樁土壓力的分布情況，得出前排樁樁前土壓力大致呈S形分布，其值比較接近于靜止土壓力；前排樁樁后土壓力大致與靜止土壓力一致，基坑開挖面以上小于靜止土壓力，大于朗肯主動土壓力，以下大于靜止土壓力；后排樁樁前土壓力大致呈線性分布并大致與靜止土壓力一致，在基坑開挖面以上小于靜止土壓力，以下大于靜止土壓力；后排樁樁后土壓力較接近靜止土壓力，大于朗肯主動土壓力，在基坑開挖面以上小于靜止土壓力，以下有大于靜止土壓力的部分；樁間土對前后排樁樁側(cè)的土壓力大致相等。在此基礎上并考慮了排距的影響，得出雙排樁的排距有合理的排距范圍。關鍵詞：雙排樁；有限差分；土壓力；數(shù)值模擬 中圖分類號：TU47文獻標識碼：ANumerical simulation on soil pressure of double-row pile retaining structuresNIU Shuangjian1, YANG Dafang2, MA Huan1(1. School of Architecture & Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China; 2. School of Civil Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China)Abstract: Double-row pile supporting structure is a new form of deep foundation ditch support, in this design, the correctness of the value of soil pressure on the pile plays a critical role in supporting system design, in order to more accurately to design this structure,we must know about the soil pressure distribution of the double-row pile, this paper using the general international geotechnical engineering analysis software FLAC3D ,through numerical simulation methods, study soil pressure distribution of the double-row pile, come to the conclusion that the soil pressure before former row pile was roughly S-shaped distribution, its value was close to the static soil pressure; the soil pressure behind former row plie was consistent with the static soil pressure, upward of the excavation of foundation ditch was less than the static soil pressure,and greater than the Rankine soil pressure, underside of the excavation of foundation ditch was greater than the static soil pressure ; the soil pressure before rear row pile was roughly linear distribution and consistent with the static soil pressure , upward of the excavation of foundation ditch was less than the static soil pressure, underside of the excavation of foundation ditch was greater than the static soil pressure; the soil pressure behind rear row pile was close to the static soil pressure, and greater than the Rankine active soil pressure,in the excavation of foundation ditch was more than tne static soil pressure, underside of the excavation of foundation ditch was greater than the static soil pressure in part of pile ,the pressure of the soil between rows on pile side was roughly equal. On this basis and taking into account the impact of the array pitch, we can concluded that the array pitch of double-row pile have a reasonable distance range.Key wards: double-row pile, finite difference, soil pressure, numerical simulation6 / 60引言收稿日期：2008-03-03作者簡介：牛雙建（1983-），男，河南省開封市人，碩士研究生，研究方向：深基坑支護，E-mail：。高層建筑的蓬勃發(fā)展，使深基坑支護新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，雙排支護柱形式便是其中之一。雙排樁支護形式在一定環(huán)境和施工條件下，具有側(cè)向剛度大、能有效限制側(cè)向變形、整體穩(wěn)定性好、便于挖土和縮短工期等優(yōu)點1，與單排樁相比受力更加合理但也更復雜。目前，對雙排樁的研究一般多集中在對樁頂側(cè)移、樁身內(nèi)力方面2-6，很少有文獻研究雙排樁土壓力的分布。由于土壓力的取值直接影響樁身的設計，因此，研究雙排樁所受土壓力分布有重要的工程實際意義。筆者利用巖土工程分析軟件FLAC3D建立三維雙排樁有限元模型，對雙排樁所受土壓力進行了分析。1有限元模型1.1基本假設（1）忽略基坑開挖和地下水對土體性質(zhì)的影響。（2）土體為單一土層，且均質(zhì)、連續(xù)。（3）基坑開挖時，假設地下水已降至設計標高。（4）為了與實際相一致，樁底不加任何約束條件，自然嵌固。（5）基坑頂面沒有超載作用。1.2工程概況該基坑長50 m，寬24 m，基坑開挖深度8 m，分兩次開挖，第一次開挖3 m，第二次開挖至基坑設計標高?；油馏w采用單一土層，為黏性土，密度為1560 kg/m3，彈性模量E為65 MPa，波松比為0.3，粘聚力c為30 kPa，內(nèi)摩擦角為16.1。采用雙排樁支護結(jié)構(gòu)支護，前后兩排樁樁長相等均為18 m，嵌固深度均為10 m，同一排樁間距取為1.8 m，排距取為2.5d（1.5 m）。采用預制混凝土方樁，在模擬過程中為了考慮樁的擠土效應，在地應力平衡的時候先把樁土當成彈性同一種材料進行地應力平衡，之后再改變樁和土的材料屬性與參數(shù)進行重新地應力平衡。樁的截面尺寸為bh=0.6 m0.6 m，E=2.5104 MPa，=0.2，樁的密度為2500 kg/m3；樁頂連梁截面尺寸bh=0.6 m0.5 m，間距為1.8 m，模型計算參數(shù)取值與混凝土樁一致，連梁與前后排樁節(jié)點采用剛結(jié)連接。1.3有限元模型有限元模型的x軸方向尺寸：基坑寬度一半12 m，基坑外邊界取4倍基坑計算寬度，其寬度為48 m，總長為60 m；y軸方向尺寸取一排樁的寬度，為0.6 m；z軸方向尺寸：基坑開挖8 m，基底以下取5倍基坑開挖深度為40 m，總長為48 m。1.4材料本構(gòu)模型混凝土方樁及連梁采用各向同性彈性模型，該模型在FLAC3D中需要輸入體積模量K、剪切模量G等參數(shù)；土體采用摩爾庫侖模型，該模型在FLAC3D中需要輸入K、G、c、等參數(shù)。參數(shù)K、G分別由E/3(1-)、E/2(1+)計算得出。基坑開挖土體采用零模型（Null），零模型區(qū)域的應力被設置為零，在FLAC3D可以很好地進行開挖、回填之類的模擬7。樁與土之間設置接觸面，可以做相對滑動，接觸面的法向和切向剛度均取土體彈性模量的10倍，接觸面有足夠的強度傳遞法向應力。2土壓力分析2.1 前排樁樁前被動土壓力前排樁樁前被動土壓力如圖1所示。由圖1可知，其值分布大致呈S形分布，最大值出現(xiàn)在距基坑底2 m處8，其值超過了被動土壓力值，大部分土壓力值比較接近于靜止土壓力值。因此，在雙排樁支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算時，建議前排樁樁前被動土壓力取被動土壓力值。圖1前排樁樁前被動土壓力Fig. 1 Passive soil pressure before former row pile2.2前排樁樁后主動土壓力前排樁樁后主動土壓力如圖2所示。由圖2可知，其值大致與靜止土壓力值分布一致，在基坑開挖面以上其值小于靜止土壓力值，大于朗肯主動土壓力值，在基坑開挖面以下其值大于靜止土壓力值。因此在進行雙排樁支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算時，建議前排樁樁后主動土壓力取值在基坑開挖面以上取靜止土壓力值，在基坑開挖面以下取靜止土壓力值乘以一個大于1的系數(shù)或者朗肯被動土壓力值的一個折減值，折減系數(shù)的取值可參考相關文獻9-10。2.3后排樁樁前被動土壓力后排樁樁前被動土壓力如圖3所示。由圖3可知，其值大致呈線性分布，大致與靜止土壓力值分布一致。在基坑開挖面以上其值小于靜止土壓力，在基坑開挖面以下大于靜止土壓力值，全段分布均遠小于被動土壓力值；因此在進行雙排樁支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算時，建議后排樁樁前被動土壓力取朗肯被動土壓力值的折減值。圖2前排樁樁后主動土壓力Fig. 2 Active soil pressure behind former row pile圖3后排樁樁前被動土壓力Fig. 3 Passive soil pressure before rear row pile2.4后排樁樁后被動土壓力后排樁樁后主動土壓力如圖4所示。由圖4可知，后排樁樁后土壓力比較接近靜止土壓力分布，大于朗肯主動土壓力，在基坑開挖面以上小于靜止土壓力；在基坑開挖面以下有大于靜止土壓力的分布部分，因此在進行雙排樁支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算時，建議后排樁樁后主動土壓力取值在基坑開挖面以上取靜止土壓力圖4后排樁樁后主動土壓力Fig. 4 Active soil pressurebehind rear row pile值，在基坑開挖面以下取靜止土壓力值乘以一個大于1的系數(shù)，適當擴大其值。2.5樁間土對前后排樁的土壓力樁間土對前后排樁的土壓力值如圖5所示。由圖5可知，樁間土對前后排樁側(cè)的土壓力值大致相等，這進一步說明雙排樁支護中樁和樁間土是一個整體，前后排樁在樁頂連梁的作用下變形的一致性，同時也說明在利用平面剛架或者改進的平面剛架進行雙排樁支護結(jié)構(gòu)分析時，可以將樁間土視為薄壓縮層，利用彈簧將前后排樁連接起來的方法進行樁身內(nèi)力分析。圖5樁間土對前后排樁的土壓力Fig.5 Soil pressure affected by soil in double-row pile3排距對土壓力的影響為了研究排距對雙排樁土壓力分布規(guī)律的影響，分別分析1.5、2.5、3.0、3.5倍雙排樁邊長這四種工況。3.1前排樁樁前被動土壓力各種排距下前排樁樁前被動土壓力分布如圖6所示。由圖6可知，各種排距下的前排樁樁前被動土壓力最大值均在距基坑開挖面下約2 m處，隨著排距的增大其最大值增大；在基坑開挖面以下，隨著排距的增大越來越接近靜止土壓力值。3.2前排樁樁后主動土壓力各種排距下前排樁樁后主動土壓力分布如圖7所示。由圖7可知，在基坑開挖面以上，隨著排距的增大，其值分布越來越接近朗肯主動土壓力值的分布；在基坑開挖面以下，隨著排距的增大，其分布越來越接近靜止土壓力。3.3后排樁樁前被動土壓力各種排距下后排樁樁前被動土壓力分布如圖8所示。由圖8可知，隨著排距的增大其值分布越來越小于朗肯被動土壓力值。在基坑開挖面以上隨著排距的增大，其分布越來越接近靜止土壓力的分布；在基坑開挖面以下，隨著排距的增大，其分布越來越接近靜止土壓力值。圖6不同排距下前排樁樁前被動土壓力Fig. 6 Passive soil pressure before former row pile under different row distance圖7不同排距下前排樁樁后主動土壓力Fig. 7 Active soil pressure behind former row pile under different row distance3.4后排樁樁后被動土壓力各種排距下后排樁樁后主動土壓力分布如圖9所示。由圖9可知，在基坑開挖面以上隨著排距的增大，其值分布越來越接近朗肯主動土壓力值的分布；在基坑開挖面以下約4 m處，各種排距下的后排樁樁后主動土壓力值均大于靜止土壓力值，隨著排距的增大，其分布越來越接近靜止土壓力值。3.5樁間土對前后排樁的土壓力各種排距下樁間土對前后排樁的土壓力值分布如圖1013所示。由圖1013可知，各種排距下樁間土對前后排樁樁側(cè)的土壓力大致相等，在排距超過3倍圖8不同排距下后排樁樁前被動土壓力Fig. 8 Passive soil pressure before rear row pile under different row distance圖9不同排距后排樁樁后主動土壓力Fig.9 Active soil pressure behind rear row pile under different row distance圖10排距1.5d時樁間土對前后排樁土壓力Fig. 10 Soil pressure affected by soil in double-row pile on row distance 1.5d樁徑時樁間土對前排樁后側(cè)的土壓力值變大，這進一步表明在排距較合理的情況下，雙排樁支護體系中由于樁頂連梁的連接作用，使前后排樁和樁間土成為一個變形一致的整體。4結(jié)論（1）雙排樁前排樁樁前被動土壓力大致呈S形分布，最大值發(fā)生在距基坑開挖面約2 m處，大部分土壓力分布比較接近于靜止土壓力；隨著排距的增大其最大值增大，其值分布越來越接近靜止土壓力。（2）雙排樁前排樁樁后主動土壓力大致與靜止土壓力一致，在基坑開挖面以上其值小于靜止土壓力，大于朗肯主動土壓力，在基坑開挖面以下其值大于靜止土壓力；隨著排距的增大，在基坑開挖面以上分布越來越接近朗肯主動土壓力，在基坑開挖面以下，其分布越來越接近靜止土壓力值。（3）雙排樁后排樁樁前被動土壓力值大致呈線性圖11排距2.5d時樁間土對前后排樁土壓力Fig. 11 Soil pressure affected by soil in double-row pile on row distance 2.5d圖12排距3d時樁間土對前后排樁土壓力Fig. 12 Soil pressure affected by soil in double-row pile on row distance 3d圖13排距3.5d時樁間土對前后排樁土壓力Fig. 13 Soil pressure affected by soil in double-row pile on row distance 3.5d分布，大致與靜止土壓力值分布一致。在基坑開挖面以上其值小于靜止土壓力，在基坑開挖面以下其值大于靜止土壓力值，全段分布均遠小于被動土壓力；隨著排距的增大，在基坑開挖面以上其分布越來越接近靜止土壓力。（4）雙排樁后排樁樁后主動土壓力較接近靜止土壓力，大于朗肯主動土壓力，在基坑開挖面以上小于靜止土壓力，在基坑開挖面以下有大于靜止土壓力的部分；隨著深度的增加其值有增有減7；隨著排距的增大，在基