分層開挖工況下懸臂樁基坑支護影響因素的分析研究獲獎科研報告

分層開挖工況下懸臂樁基坑支護影響因素的分析研究獲獎科研報告摘

要：本文用ANSYS軟件建立基坑支護樁模型，采用線性Drucker-Prager屈服準則，建立了懸臂樁基坑支護計算模型，分析了在分層開挖工況下支護樁的直徑對支護樁工作性能的影響，研究表明樁徑一般選在0.8m到1.2m之間是比較經濟合理的。

關鍵詞：基坑工程;懸臂樁;分層開挖;ANSYS軟件;有限元法

引言

深基坑工程是巖土工程、結構工程、施工技術相交叉的學科，是多種復雜因素交叉影響的系統(tǒng)工程[1]。深基坑開挖與支護問題是一個綜合性的巖土工程問題[2]，它涉及土力學中強度、穩(wěn)定、變形及土與支護結構的共同作用等問題，由于問題的復雜性，目前對基坑支護影響因素的研究尚不能滿足實際工程的需要，有必要針對這一問題進行深入研究。

懸臂樁支護是指不帶內撐和拉錨的支撐結構，可以通過設置鋼筋混凝土樁形成支護，這是目前常用的一種基坑支護形式[3]。本文用ANSYS有限元軟件，通過數值模擬，研究分析在分層開挖工況下護樁的直徑對支護樁工作性能的影響。

1懸臂樁基坑支護數值模型的建立

本研究有限元計算模型包括幾何模型、材料模型的建立及邊界條件的定義。計算基坑的大小為，懸臂支護樁樁徑為，樁距為，采用二維模型模擬。樁體采用各向同性線彈性本構模型，土體采用Drucker-Prager模型。

2計算結果及分析

2.1分層開挖的有限元模型

分層挖土在基坑工程開挖數值模擬中，按照施工工序以及簡化計算模型的需要，將整個模擬計算過程分為4個開挖步，具體如下：

第一步：從地面開挖至地面以下2m;

第二步：從地面以下2m開挖至地面以下4m;

第三步：從地面以下4m開挖至地面以下6m;

第四步：從地面以下6m開挖至地面以下8m。

2.2樁徑的影響

基本參數取值為：樁的彈性模量E=2.8×1010Pa，泊松比=0.2，樁的密度為2500kg/m3;土抗剪強度c=10kPa，φ=20o，土的變形模量E0=1.25×107Pa，泊松比=0.39，土的重度為19kN/m3。樁徑d的取值分別為0.6m、0.8m、1.0m、1.2m、1.4m。

2.2.1對樁水平位移的影響

計算結果見圖1。

由圖1可以知道：不同樁徑時樁的最大水平位移出現在樁頂端，隨著樁長的增加，樁的水平位移隨之減小，樁的最小水平位移在樁底，且樁的最小水平位移不為零。隨著樁徑的增大，樁身的最大水平位移減少，但對樁底的水平位移影響不大。當樁徑為0.6m時，樁的最大水平位移是99mm，比較大，當樁徑從0.6m增大到1.4m時，樁的最大水平位移減小至21mm，減小的幅度為21.2%。當樁徑從0.6m增大到0.8m時，水平位移減小的幅度為11.1%;當樁徑從0.8m增大到1.0m時，水平位移減小的幅度為5.6%;當樁徑從1.0m增大到1.2m時，水平位移減小的幅度為4.7%;當樁徑從1.2m增大到1.4m時，水平位移減小的幅度為2.5%。期間水平位移減小的幅度逐漸變小，這說明適當增大樁徑可以有效地減小懸臂樁的水平位移，但是當d﹥1.2m時對減小樁身水平位移的影響不明顯。

2.2.2對樁身應力的影響

懸臂式支護樁作為“被動樁”，主要以受彎為主。支護樁受力主要集中在基坑開挖面附近，最大拉應力和最大壓應力基本上都位于樁頂以下10m左右處，呈兩頭小、中間大的分布趨勢。

隨著樁徑的增大，同一樁徑下最大拉應力的值與最大壓應力的值之間的差距拉大，由18.73%增大到115.23%。隨著樁徑的增大，最大拉應力和最大壓應力都有所減小。可知：適當增大樁徑可以減小樁的最大應力值，由理論力學知識可知最大應力值與最大彎矩相對應，由于支護樁按抗彎配筋，所以大樁徑的設計，可以減小支護樁體的鋼筋用量，在經濟上有著有益的作用。

2.2.3ANSYS計算的土壓力與朗金理論土壓力的比較

不同樁徑下樁支護側與開挖側土壓力的分布都基本上呈線性分布，且都是隨著土的深度的增加而增加。樁徑變化時，支護側與開挖側土壓力基本無變化。不同樁徑下有限元計算的臨界深度都為4m，而用郎金理論計算的臨界深度為1.43m，用朗金理論計算的土壓力臨界深度值比用ANSYS有限元計算的值要小。開挖側土壓力用有限元方法計算的值普遍要比靜止土壓力大，這表明開挖側的土壓力主要是被動土壓力。由上分析可知：樁徑的改變對于支護樁土壓力的分布影響不大，用朗金理論所得的支護土壓力的計算結果是偏于保守的，郎金理論值比有限元計算值最大相差23.4kPa。

3結論

計算分析表明：在分層開挖工況下，增大樁徑可以減小支護樁樁身水平方向的位移，樁徑0.6m時樁身最大水平位移為99mm，樁徑1.0m時樁身最大水平位移84mm，由0.6m增加到1.0m，水平位移減小幅度大。同時，樁徑0.