基于ABAQUS模拟排距对倾斜组合桩影响分析

谢潘想，余振锡，陈志敏

(安徽工业大学 建筑工程学院，安徽 马鞍山 243032)

0 前 言

倾斜组合桩在深基坑支护当中比较新颖，在同等外界环境下该种组合桩优于双排桩，因为在开挖一定深度时双排桩会因位移变形的影响而不能继续使用，但对于倾斜组合桩而言，其具有很好的控制变形能力，是因为前排的倾斜桩起到了支撑作用，同时倾斜桩、竖直桩和桩间土形成了重力体[1]，很好地起到了类似重力式挡土墙的作用。由于桩间土的多少的问题受到了前排倾斜角度和倾斜桩与竖直桩之间的排距的影响，由于倾斜组合桩倾斜角度本身控制很小，所以在小角度变化下起到的影响并没有排距的影响大。本文采用ABAQUS有限元软件模拟了三种排距在两种倾角下对倾斜组合桩的影响进行分析，排除单倾角下排距影响规律的偶然性。

1 工程概况

本文数值模拟以福建省某基坑倾斜组合桩支护为例，其基坑最大开挖9.7 m，周长约480 m，基坑形状似矩形。模拟过程采用三次开挖，先进行第一次1∶0.75放坡开挖，开挖深度为3 m，距离坡脚向坑内方向3.5 m处进行施工桩和冠梁，然后依次第二次开挖3 m,第三次开挖3.7 m。模拟范围内的土体物理指标见表1。

表1 土体物理指标参数

2 模拟计算及工况

2.1 尺寸拟定

考虑到倾斜组合桩的边界效应以及周围复杂的环境，为了简化计算模型，截取其基坑支护的部分结构。几何模型的宽度一般取开挖深度的3～4倍，高度取开挖深度的2～3倍[2]，以及根据基坑对称性选取一半的开挖宽度的建模规则结合基坑支护结构模拟的位置最终拟定模型尺寸为100 m×50 m×6 m,桩后尺寸长为50 m，坑内尺寸约44 m，网格的划分规则为由开挖区域向较远区域由密到疏的单精度划分法，如图1所示。前排倾斜桩直径d=0.6 m间距为2.4 m共3根。后排竖桩直径d=0.6 m，间距为1.2 m共5根，冠梁长为6 m，高为0.8 m，宽度当排距1 d时为2 m，2 d时2.6 m，3 d时为3.2 m，倾斜组合桩结构如图2所示。

圆形桩与方形桩的转化公式进行简化模型方桩边长c为[3]:

c=0.866 d

(1)

图1 倾斜组合桩支护模型及网格划分示意图

图2 倾斜组合桩结构

2.2 模型载荷及边界条件

此次模拟过程中没有考虑基坑外地表附加应力和地下水压力的作用，只对模型中的各个部件进行了自重加载。对于土体的边界约束为，土体前后、左右面进行了水平两个方向的约束，土体的底部控制了三个方向的约束。前排斜桩与冠梁采用Tie的约束，与土体采用将斜桩嵌固在土里。后排竖直桩与冠梁也是Tie的约束，与土体切向采用罚接触，摩擦力为0.35，法向采用硬接触[4]。冠梁与土体切向也是采用罚接触，摩擦力为0.35，法向采用硬接触。模型的地应力平衡采用ODB文件导入方式进行平衡。

2.3 模拟工况

在模拟过程中为了防止排距对倾斜组合桩的位移影响出现偶然性，采用了两种倾角分别进行了3种不同排距的模拟，工况如见表2。

3 数据统计分析

3.1 数据统计

经过6种工况的数值模拟得出前排倾斜桩和后排竖直桩的水平位移云图如图3～8所示。

图3 工况1水平位移云图

图4 工况2水平位移云图

图5 工况3水平位移云图

图6 工况4水平位移云图

图7 工况5水平位移云图

图8 工况6水平位移云图

以上6种工况云图中每张图中左边为斜桩云图，右边为竖直桩云图，进行最大位移统计见表3。

表3 倾斜组合桩最大水平位移 单位:mm

3.2 数据分析

将6种工况的最大水平位移对比如图9所示。

从工况1到工况3或者从工况4到工况6，都可以看出随着排距的增加，斜桩的最大位移是先增加后减小，而竖直桩是先减小后增加的规律。因为当排距增加时桩间土增多，倾斜组合桩与桩间土形成的刚体变大，抗位移能力变强，因此竖直桩最大位移变小。但是随着排距不断增加，虽然刚度变强，整体的重度变大，但抗滑移能力变弱，因此将可能发生整体支护结构向坑内滑移，从工况6中就能很好地体现这一点，结合工况6的位移云图可以看出冠梁下部的竖直桩整体发生几乎同步位移。

图9 6种工况最大水平位移对比

通过观察6种工况可以看出前排倾斜桩的最大位移普遍大于后排竖直桩，是由于桩间土增多，作用在前排倾斜桩的水平力变大所导致。

比较工况1与工况4或者工况2与工况5，可以看出当前排倾斜桩倾角增加4°时，整体的抗位移能力并不是很明显，因为角度增加得很小，桩间土的增量很小，整体刚体变化不大，其对位移影响很小。

4 结 论

1)排距不能过大，从6种工况种模拟结果最好的排距是2 d,是因为竖直桩的位移很小，整体支护结构没有发生滑移，支护效果很好，但不能忽视倾斜桩的位移。

2)倾斜组合桩中要注意倾斜桩在桩间土的作用下的支撑能力，必要时要提高倾斜桩的抗弯能力以及抗压能力。

3)倾斜角度并不是越大越好，从模拟中看出倾角12°要比16°要好。

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