钻孔灌注桩支护结构的有限元分析

２　０　０　８年６月　第３４卷第１８期　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　Ｖ０１．３４　Ｎｏ．１８　Ｊｕｎ．２００８　・１２７・　文章编号：１００９—６８２５（２００８）１８—０１２７　０２　钻孔灌注桩支护结构的有限元分析　童晓蕾　张建标摘蔡军　要：结合工程实例，采用ＰＬＡＸＩＳ有限元分析，对钻孔灌注桩支护工程进行了较为全面的分析和研究，得到了钻孔灌　注桩支护结构在不同受力状态下的桩体位移、坑边侧移，并对软件计算与实际数据的差异进行了分析和探讨，为类似工　程的建设提供了有益的经验。　关键词：钻孔灌注桩，桩侧移，模型，有限元分析，基坑支护　中图分类号：ＴＵ４７３．１　文献标识码：Ａ　１　工程实例　１．１　工程概况　杭州某高校科技大楼用地面积约６　６８７　ｍ２，其中基坑围护面　为了简化分析，在有限元分析建模中取１／２基坑进行分析，　边界条件见图ｌ。　积约４　６１８ｍ２。工程总建筑面积２８　３８０ｍ２，由一栋５层科技综合　楼和一栋１９层～２２层科技办公大楼组成，地下室分别为主楼　２层，其他均为１层。　１．２基坑支护设计方案　基坑开挖深度为５．６　ｍ，卸土１．５　ｍ，采用帽００＠１　１００灌注　图１　有限元网格示意图　桩围护结构，灌注桩插入深度为７．３　ｍ，桩长为１１．４　ｍ，桩顶标高　２．２为一１．８ｍ，设置一道支撑，支撑的中心标高为一１．８　ｍ，计算时考　虑地面超载１５　ｋＰａ。　施工工况　建模计算过程中，根据实际开挖情况，定义５个工况：　工况１：模拟桩已经激活，而支撑及第一皮都尚未激活。实际　工况是基坑放坡开挖第一皮土已经完成，灌注桩已经打入但尚未　设置钢支撑。　２　ＰＬＡＸＩＳ分析　２．１模型建立　１）对于以钻孔灌注桩作为基坑支护工程进行数值模拟，采用　工况２：模拟桩及第一道支撑都已经激活。实际工况是基坑　在灌注桩已经打入的情况下设置钢　二维平面分析。２）土体模型采用Ｄｒｕｃｋｅｒ－Ｐｒａｇｅｒ弹塑性模型，屈　放坡开挖第一皮土已经完成，支撑，与实际施工中先撑后挖原则相符。　服准则采用Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ屈服准则，灌注桩的模拟采用梁单元。　工况３：模拟桩及第一道支撑都已经激活，而第二道支撑即底　接触问题采用符合库仑滑移受力特性的非弹性接触面单元实现。　３）在开挖问题的处理上，设定不同施工工况计算，应用单元的激　板尚未激活。实际工况是，在灌注桩已经打入钢支撑设置好之　基坑开挖第二皮土已经完成。　活和杀死可以极大地方便开挖过程的实现，土体挖除只需不将被　后，工况４：模拟桩及两道支撑即底板都已激活。实际工况是，在　挖出的土体激活即可。４）模型中土按软黏土考虑，取土与界面单　元的摩擦系数Ｒｉ　＝０．５０。　灌注桩已经打入钢支撑设置好之后，基坑开挖第二皮土完成后，　底板浇筑完毕。　［５］　张　勇．真空联合堆载预压处理软土路基的理论与实践　［Ｄ］．长沙：湖南大学，２００３．　［６］　赵明华．土力学与基础工程［Ｍ］．武汉：武＂Ｎ＿－Ｙ－业大学出版　社．２０００．　出版社．２００５．　［８］　Ｋｊｅｌｌｍａｎ，Ｗ．Ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｌａｙ　ｂｙ　ｍｅａｉ￣ｏｆ　ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ［Ｊ］．ｏｎｆＣｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　ｏｉｓｌ　ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ，１９５２（５）：３２—３４．　［９］赵明华，向臻锋，曾广冼．真空预压下土体强度增长机理及　［７］赵维炳．排水固结加固软基技术指南［Ｍ］．北京：人民交通　其计算方法研究［Ｊ］．勘察科学技术，２００６（１）：３—５．　Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｐｒｅｌｏａｄｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｖａｃｕｕｍ　ｗｉｔｈ　ｓｔａｃｋ－ｌｏａｄ　ＸＩＡＮＧ　Ｚｈｅｎ－ｆｅｎｇ　ＭＯ　Ｗｅｎ－ｊｉｅ　ＷＥＩ　Ｗｅｎ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ　ｉｓ　ｎｅｃｅｓｓａｒｙ　ｔＯ　ｃｏｎｓｉｄｅｒ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｗｏ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｗｈｅｎ　ｗｅ　ｕｓｅ　ｔｏｔａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔＯ　ａｎａｌｙｚｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｐｒｄｏａｄｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｖａｃｕｕｉＴ１　ｗｉｔｈ　ｓｔａｃｋ－ｌｏａｄ、Ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｋｎ　ａｎｄ　ｈｅ　ｉｏｔｓｒｏｐｉｃ　ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ　ｐｒｅｓｓｒｅ　ｕｉｌｗｌ　ｂｅ　ｅｘｐｏｔｍｄｅｄ　ｂｙ　Ｍｏｌａｒ’Ｓ　ｓｔｒｅｓｓ　ｃｉｒｃｌｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ａｎｄ　ｗｅ　ｃａｎ　ｇｅｔ　ｔｈｅ　ｆｏｍｕｌａ　ｆｒｏｍ　ｉｔ、Ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｓｔｒｅｓｓ　ｔｏｗａｒｄ　ｃｅｎｔｅｒ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｂｙ　ｐｕｔｔｉｎｇ　ｆｏｒ—　ｗｏｒｄ　ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ｍｏｄｅｌ、　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｖａｃｕｕｉＴＩ　ｐｒｅｌｏａｄｉｎｇ，ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｔｏｔａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ　ｉｏｔｒｏｐｉｓｃ　ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｓｈｅａｒ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　收稿日期：２００８—０３　０７　作者简介：童晓蕾（１９８０　），女，助理工程师，浙江工业大学，浙江杭卅Ｉ　３１００１４　张建标（１９７５　），男，工程师，浙江工业大学，浙江杭州蔡军（１９７２　），男，工程师，浙江工业大学，浙江杭州３１００１４　３１００１４　维普资讯 http://www.cqvip.com ・　１２８　・　．　．　２第３　０　４卷篷１０　８年６月　８智　山　西　建　筑２）桩底侧移不同，在ＰＬＡＸＩＳ计算中，混凝土灌注桩桩底每一　工况５：在工况４的基础上杀死上道钢支撑单元。实际工况　支撑拆除的最不利工况定义。　而在实测数据中后３个工况是桩底有所侧移。　是，底板浇筑完毕后，按施工上层楼板刚度未形成前先将第一道　工况都有一定侧移，２．３　Ｐ　ＩＳ计算结果　２．３．１　灌注桩侧移随施工工况变化规律　基坑的侧向位移是基坑设计中主要的控制指标，由计算结果　可知：　开挖第一层土（０．０００　ｍ～一２．３００　ｍ）时灌注桩打入，但土层　开挖只到桩顶，灌注桩受力如同悬臂梁受土体的约束，所以，工况１　时的位移曲线呈悬臂结构，上大下小的趋势。工况２时，设置第　一０　０１　０　０２　０．０３　０．０４　０．０５　侧移值／ｍ　侧移值／ｍ　道支撑后，在支撑预加轴力的作用下，桩顶位移有明显的回弹，　ａ）实测数据　ｂ）ＰＬＡＸＩＳ计算结果　受支撑约束，灌注桩变为超静定结构，侧移曲线也变为抛物线性，　图２　桩身随工况侧移实测数据与ＰＬＡＸＩＳ计算结果对比　在加撑处有比较明显的突变。工况３时，随着第二层土的开挖　３．２造成计算结果差异的原因分析　１）在ＰＬＡＸＩＳ模拟中假定取半结构，在实际工程中基坑南面　（一２．３００　ｍ～一５．６００　ｍ），灌注桩的最大侧移值位置逐渐下移，　呈现中间及支撑上大下小的形状，工况３已挖土至坑底，在底板　和北面的围护形式是不同的，这势必造成南、北两侧的侧移值有　浇筑之前时整个基坑施工中结构最薄弱的环节，因此灌注桩的侧　所不同，而且在此工程中采用的是角撑的形式，在模拟围护形式　ｘ－ｅｎｄ　ａｎｃｈｏｒ位移零点本身是有向南　移最大。工况４底板已经浇筑完毕，基坑的围护结构已经比较稳　时，显然用来模拟支撑的Ｆｉ但在模拟时没有反映出来，这是造成ＰＬＡＸＩＳ模拟　定，灌注桩的侧移没有进一步加大，侧移曲线与工况３大致相似。　方向的侧移，　工况５随着地下结构的施工，在施工中应遵循先换撑再拆撑的原　计算结果小于实测数据的主要原因。则，本模型中取了拆撑时换撑刚度还未形成的极限状态，且未考虑　２）采用ＰＬＡＸＩＳ模拟计算时，根据地质报告定义各层土的参　在整个工况模拟过程中是不变的，只是通过单元的杀死和激　除灌注桩外，地下结构墙体对刚度的贡献，故拆除上部支撑后，最　数，大位移有所增加，桩中部的侧移鼓出有所减小，最大侧移出现在拆　活来模拟土层的开挖情况。但是在实际基坑开挖过程中土层的　撑处。分析所得的最大水平位移为２８．５５　Ｆｉｌｍ，离地面２．０５　ｍ处。　２．３．２坑后土体地表沉降　参数不是一成不变的，尤其是对于流变性比较明显的黏性土，其　ｃ，妒是随着施工暴露时问延长而减少的，这些在ＰＬＡＸＩＳ模拟计　１）随着施工进展，基坑周围地表沉降值不断增大；离基坑边　算时没有考虑进去；此外土体的位移是一个渐进的过程，从荷载　作用到体现出相应的位移需要一段时间，而在ＰＬＡＸＩＳ模拟中这　距离不同，沉降值也不相同；整体变形形状呈拱肩形。　　２）随着施工进展，开挖对地表沉降的影响范围逐步增大，距　种渐变的过程没有体现。３）从监测报告上看，基坑的桩体侧移使用长２１　ｍ的测斜管，　离坑边围护桩深度１倍～１．５倍都受到影响。其中最大沉降位置　（拱肩底部）一般在１倍开挖深度和１倍支护桩体深度之问。　小，变化在２．５　１２￣Ｔ１以内。　根据测斜管的工作原理，它假定底端位移值为０，依照管内的斜率　　３）比较分析结果发现，底板浇筑以后，坑外地表沉降变化微　来判断侧移值。４结语　文中采用ＰＬＡＸＩＳ有限元程序模拟钻孔灌注桩支护在软土　中的基坑围护，得到的水平位移计算结果与实测结果比较接近，说　４）该模型最大地表沉降为２１．７６　Ｆｉｌｍ，位置在距离坑边１０．５　ｍ　处。　３实测数据与ＰＬＡＸＩＳ结果对比与分析　３．１　实测数据与Ｐ　ＩＳ结果对比　根据基坑开挖土体位移监测报告，绘出了基坑开挖过程中随　明采用ＰＬＡＸＩＳ有限元程序可以对该项技术的变形和位移作出较　好的预测，同时也说明该项技术在基坑围护中应用的合理性。　参考文献：　［１］　吕凤梧，徐伟，刘建航．深基坑开挖支护的弹塑性有限元　数值模拟与分析［Ｊ］．建筑技术，２００２，３３３（２）：４０—４１．　施工工况变化的桩身位移曲线，将其与ＰＬＡＸＩＳ软件计算的位移　曲线相比较如图２所示。　从以上监测和计算数据的对比可以看到，两者在位移的突变　位置、最大桩身侧移点的位置上都是比较接近的，但还是存在以　下差异：　［２］赵志缙，应惠清．，简明深基坑工程设计施工手册［Ｍ］．北京：　中国建筑工业出版社，２０００．　［３］王江宏，王春波，卢广宁．ＰＬＡｘＩＳ在深基坑开挖与支护数值　模拟中的应用［Ｊ］．山西建筑，２００７，３３（３５）：９４—９５：　［４］　于怀昌，刘汉东，陈岗字．双排桩支护结构在软土深基坑中　的应用［Ｊ　Ｊ．山西建筑，２００７，３３（３）：８４培５．　１）最大位移值不同，ＰＬＡＸＩＳ计算值为２８．５５　ｍｍ，小于监测　数据３９．４５　ＦＩＩｌＴＩ。　Ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅｓ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｃａｓｔ—ｉｎ—ｐｌａｃｅ　ｐｉｌｅ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ＴＯＮＧＸｉａｏ－ｌｅｉ　ＺＨＡＮＧ　Ｊｉａｎ－ｂｉａｏ　ＣＡＩ　Ｊｕｎ　‘　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｅｘａｍｐｌｅ　ａｎｄ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ＰＬＡＸＩＳ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｉｔ　ｍａｋｅｓ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｃａｓｔ—ｉｎ—ｐｌａｃｅ　ｐｉｌｅ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ｐｒｏｊｅｃｔ，ｇｅｔｓ　ｔｈｅ　ｐｉｌｅ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ，ｄｉｔｃｈ　ｓｉｄｅ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｒｉｄｌｌｉｎｇ　ｃｓｔａ—ｉｎ－ｐｌａｃｅ　ｐｉｌｅ　Ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｎ　ｄｉｆ—　ｆｅｒｅｎｔ　ｓｔｒｅｓｓ　ｓｔａｔｅ，ａｎｄ　ｇｅｔｓ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｄａｔａ，ａｎｄ　ｔｈｉｓ　ｓｕｐｐｌｉｓ　ｅｂｅｎｅｆｉｔ　ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｐｒｏｊｅｃｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｃａｓｔ—ｉｎ－ｐｌａｃｅ　ｐｉｌｅ，ｐｉｌｅ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ，ｍｏｄｅｌ，ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｄｉｔｃｈ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ