大面積深基坑工程中樁基受力特點(diǎn)分析論文
摘 要：隨著建筑工程的開(kāi)展，以及對(duì)建筑工程的研究分析更加科學(xué)化 ，能發(fā)現(xiàn)大面積深基坑開(kāi)挖過(guò)程中 ，挖掘的土石方以及其他作用力，都會(huì)對(duì)開(kāi)挖好的底坑造成壓力，根據(jù)筆者查閱現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料，縱觀國(guó)內(nèi)外的建筑方面的內(nèi)容，建筑工程中由于樁基受力過(guò)載或者受力不均衡的原因，造成的樁基破壞垮塌事故屢見(jiàn)不鮮。 然而在這一問(wèn)題背后，相關(guān)研究與觀點(diǎn)卻不足以改變當(dāng)前這種情況。 本文采用基于大面積深基坑開(kāi)挖過(guò)程中單樁和樁身應(yīng)力特性進(jìn)行了非線(xiàn)性有限元法的數(shù)值分析方法，重點(diǎn)研究通過(guò)樁特性的垂直力引起的基坑土體負(fù)荷回彈過(guò)程的變化。
關(guān)鍵詞：深基坑開(kāi)挖；樁基受力特性；土體負(fù)荷回彈
現(xiàn)代建筑技術(shù)逐步發(fā)展，但是很多細(xì)節(jié)問(wèn)題仍然有待相關(guān)工作者研究論證，比如大面積深基坑開(kāi)挖過(guò)程中的樁基受力問(wèn)題，就有待解決。本文根據(jù)某一實(shí)際工程資料，對(duì)大面積深基坑開(kāi)挖中樁基的作用力特點(diǎn)進(jìn)行探討。對(duì)于基坑中的樁基，由于基坑深度大、基坑開(kāi)挖面積大，會(huì)產(chǎn)生土體的回彈，這種不可避免的受力因素在一定程度上影響了基坑開(kāi)挖的效果。在大面積深基坑開(kāi)挖過(guò)程中，有必要對(duì)大面積深基坑開(kāi)挖過(guò)程中樁基的特點(diǎn)進(jìn)行分析，并采取合理而有效的規(guī)避手段來(lái)確樁基的穩(wěn)定性。
1、受力分析類(lèi)型
1.1、單樁受力分析
單樁分析表明，在整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中，樁身部分由兩個(gè)力進(jìn)行了平衡，一是向上的摩擦力，另一個(gè)是下半部分向下的力，這就使得樁拉摩阻力均勻。隨著土體應(yīng)力的變化以及樁土在開(kāi)挖過(guò)程中的變化，會(huì)造成樁側(cè)摩阻力的改變，樁身軸向力隨開(kāi)挖深度的增加先增大后減小。由于樁長(zhǎng)的改變，最終滑動(dòng)摩擦和土層對(duì)樁的軸力的彈性模量較大，對(duì)深樁的摩擦系數(shù)和基坑開(kāi)挖對(duì)樁的軸力半徑的影響較小。基坑降水引起的土體固結(jié)會(huì)導(dǎo)致樁身預(yù)緊力略有下降。
1.2、群樁有限元受力分析
在群樁分析中，采用了有限元模擬方法，這種方法的優(yōu)勢(shì)之處在與避免了高成本、大規(guī)模的 3D 接觸，以及其他一些問(wèn)題，從而可以對(duì)受力分析進(jìn)行精準(zhǔn)化分析。分析表明，群樁的軸向力接近基坑的中心距，樁的軸向力遠(yuǎn)離基坑中心。隨著開(kāi)挖深度的增加，差異逐漸減小。
2、工程案例概述
我們的案例引用了一個(gè)50萬(wàn)V的二線(xiàn)城市地下變電站，綜述這一變電站的概況，它位于地下，整體五層高度，呈現(xiàn)圓柱形結(jié)構(gòu)，采用連續(xù)墻的受力結(jié)構(gòu)，深度、基坑直徑、土方數(shù)量、整個(gè)底部面積的參數(shù)都符合本文的建模需求。通過(guò)對(duì)這一案例的資料收集，勘測(cè)資料的歸整如下，整個(gè)變電站的自重為280萬(wàn)余kN，上限不超過(guò)430萬(wàn)kN，基底承重高為36m。為了平衡水的浮力，需要密封降水井，還要進(jìn)行后澆底板以保證阻力增加到173萬(wàn)kN。在這個(gè)項(xiàng)目中，抗拔樁作為抗浮設(shè)施。在施工設(shè)計(jì)中，樁基的高度是 1.2m，擴(kuò)大頭那部分的半徑是32cm，長(zhǎng)度＞25m。
3、單樁分析模型
3.1、有限元模型
為了研究大面積開(kāi)挖卸荷條件下的單樁的力學(xué)行為，利用專(zhuān)業(yè)的有限元軟件對(duì)本工程建立了軸對(duì)稱(chēng)有限元模型。對(duì)稱(chēng)軸是圓坑模型的中心，深度為120m，半徑為260m模型。軸對(duì)稱(chēng)的四節(jié)點(diǎn)的使用，在主環(huán)的三節(jié)點(diǎn)等參元支持?jǐn)U底樁，采用地下連續(xù)墻，主要的柱和地下室的地板上使用。在充分約束條件下，采用底部邊界分析法，采用側(cè)向邊界分析。上拔力對(duì)深基坑中的樁影響最大，會(huì)造成其最大的卸載回彈變形。樁墻之間的距離為 5m，為了獲得等效效應(yīng)，最簡(jiǎn)單的調(diào)整的兩個(gè)環(huán)樁墻。根據(jù)體積等效原理，地下結(jié)構(gòu)的主次梁和底板厚度相同。
3.2、對(duì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算
先是對(duì)樁墻的厚度等參數(shù)進(jìn)行模擬，以基坑的中心點(diǎn)作為模型圖的圓心，然后以不同半徑作圓，并將每個(gè)樁基都作為樁墻，根據(jù)等效原則進(jìn)行折算。然后是對(duì)材料的模型量進(jìn)行參數(shù)化顯示，所建模的實(shí)際工程采用的基護(hù)結(jié)構(gòu)為線(xiàn)性彈性材料，具有均質(zhì)、同等厚度和同樣性質(zhì)的情況，對(duì)其土質(zhì)的泊松比進(jìn)行定量為1：5。
然后就是對(duì)樁土接觸面進(jìn)行計(jì)算。在這次建模中，圍護(hù)樁墻的作用僅是模擬群樁的剛度，而樁周土的表面與樁壁周?chē)环謱印５慕佑|面參數(shù)的平均值和摩擦阻力小于 0.3，而摩擦系數(shù)取值60kPa。土與樁的接觸面應(yīng)劃分為土層，其摩擦系數(shù)與樁壁與周?chē)馏w的接觸面一致。
3.3、受力特性分析
在開(kāi)挖過(guò)程中，由于埋在土體中的回彈驅(qū)動(dòng)埋在地基的樁基，樁身部分由摩擦力向上而下半部分為向下力，自重和摩擦力與樁的摩擦力向下平衡。通過(guò)對(duì)淺層樁側(cè)摩阻力減小基坑開(kāi)挖過(guò)程中基坑開(kāi)挖深度的增加，樁側(cè)摩阻力逐漸中性點(diǎn)向下，與樁位的`最大軸向力也下降，樁的軸力最大值先增大后減小。
在建模的情況下，樁的軸向力小于軸向力的理想條件下，主要的影響因素有兩種。第一個(gè)可能就是，一定范圍內(nèi)的土壓力深度在樁頂附近很小，導(dǎo)致樁土接觸面正壓力是不夠的，因此這部分的側(cè)摩阻力會(huì)產(chǎn)生損失；第二個(gè)原因是，樁土相對(duì)位移的中性點(diǎn)附近的樁較小，導(dǎo)致側(cè)摩阻力的充分發(fā)揮，使這部分的側(cè)摩阻力產(chǎn)生了一些損失；在大面積深基坑開(kāi)挖過(guò)程中，樁頂上覆壓力減小，且隨著開(kāi)挖深度的增加，樁側(cè)土體回彈增大，樁土相對(duì)位移增加。
因此，在整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中，樁身軸向力的最大值先增大后減小。建模中，為確定受力分析的影響因素，分別對(duì)樁土接觸本構(gòu)關(guān)系、深層土彈性模量、樁長(zhǎng)、基坑的實(shí)際半徑、樁土不同深度的摩擦系數(shù)和摩擦力，以及相對(duì)位移進(jìn)行了差異化建模，分析其受力特性，獲得準(zhǔn)確的影響因素。樁長(zhǎng)對(duì)樁側(cè)摩阻力和樁身軸向力分布有明顯影響。
樁長(zhǎng)的增加會(huì)使樁側(cè)摩阻力減小，樁身最大軸力增大。中性點(diǎn)位移和樁身最大軸向力的增大與樁長(zhǎng)的增大成正比。基坑半徑R的變化對(duì)樁的摩阻力和樁的軸向力影響不大，且半徑變化的結(jié)果相差小于10%。考慮到單樁基坑降水模型分析樁的軸向力和不考慮基坑降水模型的結(jié)果表明：考慮到有利的軸向力分布和變化的兩個(gè)，但前者的軸向力比后者的結(jié)果。開(kāi)挖深度較大時(shí)，樁身受到明顯的預(yù)拉軸向力。連續(xù)墻厚度雖然對(duì)于應(yīng)力大小的改變不是很強(qiáng)，但墻體的厚度會(huì)導(dǎo)致回彈力的傳導(dǎo)有不同，進(jìn)而影響了彎矩力的大小，當(dāng)然，連續(xù)墻的厚度越厚，側(cè)向變形的受力也就越小，變形的可能也越小。連續(xù)側(cè)墻和土體變形是引起樁身彎矩的主要原因，樁的變形會(huì)導(dǎo)致彎矩的減小而不斷減小側(cè)向墻和土體，這種效應(yīng)隨著基坑深度的增加而逐漸增大。在同一荷載臺(tái)階和同一開(kāi)挖深度下，樁的位置更接近地下連續(xù)墻，效果更為明顯。樁土接觸面摩阻系數(shù)對(duì)樁身軸向力有明顯影響。當(dāng)摩擦系數(shù)增大時(shí)，樁身附加應(yīng)力增大，樁側(cè)摩阻力增大。在深基坑開(kāi)挖過(guò)程中樁，垂直反彈，側(cè)向變形和樁底土體的應(yīng)力狀態(tài)是從單樁明顯不同，它是基于對(duì)深基坑開(kāi)挖應(yīng)力特性研究群樁的單樁分析的必要。
事實(shí)上，在土層條件相同的情況下進(jìn)行大面積的深坑挖掘，會(huì)因?yàn)闃痘c基坑中心點(diǎn)的距離而導(dǎo)致軸力不同，距離中心點(diǎn)遠(yuǎn)的樁基有較大的回彈力，這是因?yàn)闃痘南鄬?duì)位移比較大，這時(shí)候其產(chǎn)生的摩擦力和阻力也就比較大了，然而隨著深度的增大，這種受力差異就會(huì)呈現(xiàn)變小的趨勢(shì)，這是由于開(kāi)挖樁側(cè)土體回彈初期較小，大面積深基坑開(kāi)挖的軸力變化對(duì)樁側(cè)土體回彈量的影響較大，側(cè)摩阻力接近充分發(fā)揮，對(duì)軸向力的影響。樁身彎矩隨開(kāi)挖深度和樁側(cè)位移的增大而增大，彎矩越接近基坑的中心距越小，中心樁彎矩為0。在基坑開(kāi)挖到一定深度時(shí)，力矩分配是中間段為正彎矩和負(fù)彎矩的兩端，連續(xù)墻厚度和樁體材料的影響彈性模量對(duì)樁的軸力不明顯，因?yàn)閭?cè)向變形的控制較好。
4、結(jié)束語(yǔ)
本文的建模實(shí)際上是在理想條件下的一種理想化分析，整個(gè)建模的受力分析只能大體反應(yīng)開(kāi)挖基坑的受力狀況，而且對(duì)一些參數(shù)的忽略或者擴(kuò)大，無(wú)疑會(huì)影響結(jié)果的可信度，而且由于各個(gè)工程的實(shí)際地形土層。以及采用材料的不同，會(huì)對(duì)基坑的受力、開(kāi)裂等情況造成不同程度的影響。現(xiàn)如今還沒(méi)有一個(gè)完整的適合實(shí)際操作的普適性深基坑大面積開(kāi)挖的方案，研究這一課題，對(duì)實(shí)際操作的意義是十分重大的。
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