基于有限元的双排桩桩身刚度对支护结构受力与变形影响分析.pdf
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1、施 工 安 全水上安全 2023 年 第11期150第一作者简介:郑思源,男,硕士,研究方向为水利工程设计。基于有限元的双排桩桩身刚度对支护结构受力与变形影响分析郑思源,黄文敏(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司,广州 510635)摘要:基坑支护设计中常使用前、后排桩桩径不同的双排桩结构形式,但规范仅介绍前、后排桩桩径一致的计算方法,有必要研究前、后排桩桩径不同下的结构受力。本文采用 Midas 软件对双排桩结构进行有限元建模分析,先通过理正深基坑软件验证模型可靠性,随后进行桩身刚度敏感性分析,研究前、后排桩桩径对双排桩结构的内力和位移影响。结果表明,有限元模型计算方法可靠、结果可信;前排
2、桩为双排桩结构主要受力构件,增加其桩径更有利于基坑稳定。研究成果可为双排桩结构优化设计提供参考。关键词:有限元;荷载结构法;双排桩;桩径;受力与变形0 引言在深厚软土地区,受基坑场地周边环境复杂、施工作业面狭小、无法设置支锚结构等限制,双排桩支护结构得到越来越广泛的应用1。但目前国标规范2中关于双排桩支护结构设计的内容较少,理正深基坑软件也仅有前后排桩桩身参数一致的计算工况,该工况下受力计算较简明,但造价较高。实际工程中,在满足基坑安全下,可通过适当减小后排桩桩径、缩短后排桩桩长等措施降低造价。尤其是在深厚淤泥地层,合理的双排桩支护方案将极大节省工程造价3-4。因此,研究并完善双排桩支护结构设
3、计具有十分重要的意义。本文基于迈达斯信息技术有限公司(Midas Information Technology Co.,Ltd.)的有限元分析软件迈达斯(Midas),先通过理正深基坑软件验证前、后排桩一致的双排桩模型可靠性,随后建立前、后排桩桩径不同的双排桩模型,进行桩身刚度的敏感性分析,研究其对双排桩结构的受力和变形影响,相关结论可为双排桩支护结构设计提供参考。1 双排桩有限元模型验证首先建立前、后排桩桩径一样的双排桩有限元模型,计算结果与理正深基坑 7.0pb5 软件计算结果进行对比验证。1.1 模型概况某基坑位于深厚软土地区,基坑开挖深度 6 m,开挖范围内主要为填土及淤泥,基坑底位于
4、淤泥地层,各土层的物理力学性质见表 1。基坑采用双排桩支护结构(如图 1 所示),前、后排桩桩径均为 1 m,桩间距均为 1.5 m,桩长 25 m,桩排距 4 m,前、后排桩桩顶采用 0.8 m 厚钢筋混凝土板连接。双排桩中间采用 10 m 长格栅搅拌桩加固,基坑内部采用宽 7 m,厚6 m 被动区搅拌加固,同时前排灌注桩外侧设 14 m 长搅拌桩止水挡淤。1.2 荷载模式与边界条件本文基于 Midas 有限元软件,采用荷载结构法进行计算,输入荷载包括双排桩所承受的水土压力,基坑内初始土反力,桩间土压力等,并通过设置弹簧刚度模拟土反力及桩间土的作用。采用主动土压力计算,地面超载取 20 kP
5、a,对素填土与淤泥采用水土合算,对中砂采用水土分算。边界条件主要是设置坑内土弹簧及桩间土弹簧(如图 2 所示),弹簧间距为 1 m,根据规范的要求,将桩间土弹簧设置为仅受压弹簧,当弹簧在法线方向受到压力时,弹簧激活并开始作用。施 工 安 全Maritime Safety 水上安全151图 1 双排桩支护结构剖面图表 1 土层物理力学参数土层厚度/m重度/(kN/m3)黏聚力 c/kPa内摩擦角/()压缩模量 E/MPa泊松比素填土3.517.5121280.35淤泥17.717.07660.38中粗砂8.019.0030250.30强风化花岗岩2.020.035301200.25施 工 安 全
6、水上安全 2023 年 第11期1521.3 结果分析双排桩支护结构有限元位移与弯矩如图 3(a)、3(b)所示,提取最大位移及弯矩,与对应理正深基坑软件结果汇总对比于表 2。从表 2 可知,与理正软件计算结果相比,有限元计算下的双排桩最大位移基本吻合,前、后排桩最大弯矩也基本一致,有效验证了双排桩结构有限元计算模型的可靠性及计算方法的合理性。2 桩身刚度敏感性分析双排桩支护结构桩径大小直接影响工程造价,在桩间距不变的情况下,一般桩径越大,双排桩支护结构刚度越大,结构越安全,但工程造价也随之增加。因此,合理的桩径对设计来说至关重要,在确保安全图 2 双排桩荷载模式与边界条件(a)前、后排桩水平
7、位移云图 (b)前、后排桩弯矩云图图 3 双排桩有限元计算结果施 工 安 全Maritime Safety 水上安全153的前提下应尽量减小支护桩直径。在上述有限元模型的基础上,结合设计需要,进一步研究双排桩结构在不同桩身刚度下的变形和内力。2.1 前、后排桩桩径相同首先对前、后排桩桩径相同的情况进行分析,保持其他参数不变,选取桩径从 0.6 m 递增至 1.4 m 下的5 种情况进行计算。双排桩的位移随桩径的变化规律如图 4 所示,前、后排桩的水平位移变化规律相同,均随桩径的增加逐渐减小,前、后排桩位移由 99.7 mm 分别减小至34.1 mm 和 44.5 mm,这是因为桩径的增加提高了
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