金武凯
(温州市水利建设管理中心,浙江 温州 325000)
目前,基坑工程在城市中应用广泛。对此,许多学者进行了相关研究。杨上清[1]对双排桩的围护方案进行了研究,结果表明,不同的桩长条件下,基坑的位移不同。程演[2]以湖南省某基坑为例,开展了双排桩基坑支护研究,结果表明,冠梁刚度可以较大程度地减小基坑位移。杨超等[3]对基坑的支护设计进行了研究,结果表明,逆作法可有效减小基坑周围土体变形。马雪兵等[4]利用有限元数值软件,对双排桩支护进行了研究,结果表明,倾斜双排桩组合结构能够有效达到支护的目的。赖国梁等[5]提出了前斜后直的支护和计算方法,结果表明,不同基坑深度、支护方式选择的排桩倾斜度不一样。祁孜威等[6]对衡重式双排桩支护基坑进行了研究,结果表明,衡重式双排桩支护适用于填海区超大基坑开挖。宣锋[7]对双排桩支护在软土基坑中的应用进行了研究,结果表明,双排桩在软土基坑中的长度应适当增加,以使基坑有足够的安全储备。曾茂青[8]对斜撑支护下基坑的开挖方案进行了研究,结果表明,双排桩、一道钢管斜撑和一道锚杆的支护方案最利于基坑的稳定,造价方面也最优。高小平等[9]对斜撑支护基坑进行了研究,结果表明,两道钢管支撑支护基坑更利于基坑的稳定性。
上述研究均未涉及双排桩支护作用下,基坑的整体位移和双排桩的受力。因此,本文结合某实际基坑工程,利用MIDAS/GTS数值模拟软件,对基坑开挖的全过程进行还原,并对基坑的位移、双排桩的受力进行研究。
该基坑位于浙江省温州市,基坑区域岩土体由上至下主要由风化土、风化岩和软岩组成,岩土体物理力学参数见表1。开挖区域长×宽×高为110m×90m×30m,基坑区域长×宽×高为50m×45m×10m,基坑分5次开挖,每次开挖2m。见图1。
图1 双洞连拱隧道实体图
表1 岩土体物理力学参数
3.1 基坑开挖后位移
数值模拟计算完成后,基坑的位移见图2。
图2 基坑开挖后岩土体位移(单位:mm)
由图2(a)可知,基坑开挖后的竖向位移主要集中于坑底处,方向竖直向下,最大位移4.1mm,远小于基坑要求的20mm,表明基坑开挖从竖向位移的角度满足工程要求。同时,地面处的竖向位移最大不超过3mm,不会对周围建筑物的位移造成安全隐患。
由图2(b)可知,基坑开挖后的整体位移主要集中于坑底处,最大位移4.4mm,远小于基坑要求的20mm,表明基坑开挖从总体位移方向满足工程要求。同时,地面处的整体位移最大不超过3mm,不会对周围建筑物的位移造成安全隐患。
由图2可知,基坑开挖完成后的竖向位移和整体位移均控制在合理范围内,地面的位移可忽略不计,均不会对周围结构物造成不良的影响。因此,可认为基坑开挖从位移的角度上满足工程要求。
3.2 排桩受力
排桩的受力分析见图3。
图3 排桩的受力和弯矩
由图3(a)可知,前排桩所受的轴力最大为415kN,超过300kN的排桩区域约占整个排桩的24%,该受力远小于排桩的极限受力800kN,一定程度上表明排桩的刚度满足工程要求。另外,也表明可适当降低排桩的刚度,以达到节约工程造价的目的。排桩受力较大处主要集中于排桩下部,从受力角度分析可知,可适当增加排桩下部的刚度,减小排桩上部的刚度。
由图3(b)可知,后排桩所受的轴力最大为443kN,超过300kN的排桩区域约占整个排桩的37%,同样该受力远小于排桩的极限受力800kN,一定程度上表明排桩的刚度满足工程要求。另外,也表明可适当降低排桩的刚度,以达到节约工程造价的目的。排桩受力较大处主要集中于排桩下部,从受力角度分析可知,可适当增加排桩下部的刚度,减小排桩上部的刚度。
由图3(c)可知,前排桩所受的弯矩最大为62.5kN·m,超过30kN·m的排桩区域约占整个排桩的4.3%,绝大多数排桩的弯矩不超过10.2kN·m,一定程度上表明排桩的刚度满足工程要求。同时,也表明前排桩所受的弯矩值较小,可将重点集中于排桩的轴力而非弯矩。
由图3可知,后排桩所受轴力普遍大于前排桩,桩底所受轴力普遍大于桩顶,但所受轴力远小于排桩的极限轴力。一定程度上可适当降低前排桩的刚度,或者降低排桩上部的刚度,以达到节约造价的目的。另外,排桩所受弯矩值较小,或者基本上不受弯矩,表明排桩设计的重点在于轴力而非弯矩。
本文结合数值模拟,对排桩基坑从基坑位移、排桩所受轴力和弯矩进行了系统研究,结论如下:
1)基坑的竖向位移和整体位移最大分别为4.1和4.4mm,均不超过基坑规范要求的20mm,从位移的角度分析,可认为基坑开挖满足工程要求。
2)前排桩和后排桩所受的最大轴力分别为415和443kN,远小于材料的极限受力,排桩下部所受轴力小于排桩上部。因此,可适当降低前排桩的刚度或排桩上部的刚度,以达到节省工程造价的目的。
3)排桩所受的弯矩较小,绝大部分排桩所受弯矩值不超过10.2kN·m,因此排桩设计可重点考虑排桩的轴力。
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