基于Plaxis 2D的基坑支护中内支撑对支护桩的影响分析

第２３卷第３期　唐山学院学报　Ｖｏ１．２３　Ｎｏ．３　２０１０年Ｏ５月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｔａｎｇｓｈａｎ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　Ｍａｙ．２０１０　基于ＰｌａｘｉＳ　２Ｄ的基坑支护中　内支撑对支护桩的影响分析　许芸芸　，孙忠强　（１．唐山学院土木工程系，河北唐山０６３０００；２．河北科技大学环境科学与工程学院，河北唐山０５００１８）　摘要：借助Ｐｌａｘｉｓ　２Ｄ的有限元分析程序，计算不同支撑刚度下的支护桩变形及内力，揭示了支护　桩支撑轴力与支撑刚度之间的变化规律，分析了两者比值对支护桩的影响曲线，并得出近似比值，　用以指导工程实际。　关键词：Ｐｌａｘｉｓ　２Ｄ；基坑支护；支撑轴力；支撑刚度　中图分类号：ＴＵ４７６文献标识码：Ａ文章编号：１６７２—３４９Ｘ（２０１０）０３—００２２—０３　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｅｆｆｅｃｔ　ｂｅｔｗｅｅｎ　Ｓｔｒｕｔ　ａｎｄ　Ｐｉｌｅ　ｆｏｒ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　Ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｐｌａｘｉｓ　２Ｄ　ＸＵ　Ｙｕｎ—ｙｕｎ　．ＳＵＮ　Ｚｈｏｎｇ—ｑｉａｎｇ。　（１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔａｎｇｓｈａｎ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｔａｎｇｓｈａｎ　０６３０００，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　Ｓｃｉ—　ｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｂｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ　０５００１８，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｏｆ　Ｐｌａｘｉｓ　２Ｄ，ｐｉｌｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｓｔｒｅｓ—　ｓｅｓ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ，ｒｅｖｅａｌｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｌａｗｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｄｉｆ—　ｆｅｒｅｎｔ　ａｘｉａｌ　ｆｏｒｃｅｓ　ａｎｄ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ　ｏｆ　ｐｉｌｅｓ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｃｕｒｖｅｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｒａｔｉｏ　ｏｆ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ａｘｉａｌ　ｆｏｒｃｅ　ｔｏ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ．Ｔｈｅ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ　ｉｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｒａｔｉｏ　ａｆｆｅｃｔｓ　ｔｈｅ　ｐｉｌｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｗｉｌｌ　ｇｕｉｄｅ　ａｃｔｕａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：Ｐｌａｘｉｓ　２Ｄ；ｐｉｔ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ；ｓｕｐｐｏｒｔ　ａｘｉａｌ　ｆｏｒｃｅ；ｓｕｐｐｏｒｔ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ　０　前言　或钢板桩进行支护是较常用的方法，而普通的悬臂支护结构　Ｐｌａｘｉｓ　２Ｄ程序是荷兰开发的大型岩土工程有限元设计　有地下连续墙、木桩、钢筋混凝土桩、钢板桩等，利用悬臂来　计算软件，能够模拟复杂的工程地质条件，可分析岩土工程　抵抗墙后的土．体，由于悬臂支护结构的水平位移大，支护深　学中的变形、稳定性，以及地下水渗流等。Ｐｌａｘｉｓ　２Ｄ程序能　度有限，对土质的好坏依赖程度高，依据《建筑基坑支护技术　够计算两类工程问题：平面应变问题和轴对称问题。能够模　规程》（ＪＧＪ１２Ｏ一９９），悬臂式结构在软土中不宜大于５　ｍＥ　３。　拟下列元索：土体；墙、板和梁结构；各种元素和土体的接触　因此，带有内支撑的支护结构应运而生，且适用广泛。由于　面；锚杆；土工织物；隧道；桩基础。能够分析的计算类型有：　整个基坑支护体系是一个整体结构，支撑的作用对作为围护　变形；固结；分级加载；稳定分析；渗流计算；并且还能考虑低　结构的排桩或地下连续墙来讲，必然有一定的影响，即支护　桩的变形及内力与内支撑的布置有关　频动荷载的影响　］。Ｐｌａｘｉｓ　２Ｄ目前广泛应用于基坑支护工　程设计中，可对支护桩进行相应的变形和内力分析。　对于支护桩，可以通过Ｐｌａｘｉｓ　２Ｄ程序中的板单元　（Ｐｌａｔｅ）来模拟，主要参数有：每延米的轴向刚度ＥＡ（单位：　本文将借助Ｐｌａｘｉｓ　２Ｄ程序中的平面分析方法，分析内　ｋＮ／ｍ）；抗弯刚度ＥＪ（单位：ｋＮ・ｍ　／ｍ）。支撑使用锚锭　支撑对支护桩的影响，以推测二者之间的相互关系，用以指　（Ａｎｃｈｏｒ）来模拟，主要参数有：每延米的轴向刚度ＥＡ（单位：　导实际工程设计。　ｋＮ／ｍ）；等效计算长度Ｌ（单位：ｍ）和支撑间距Ｓ（单位：ｍ）。　１　基于Ｐｌａｘｉｓ　２Ｄ的基坑支护桩分析　在整个计算中，支撑的作用是通过等效支撑刚度来反映的，　在各种建筑基坑的开挖中，由于场地的限制，采用排桩　等效支撑刚度即ＥＡ／ＳＬ。　收稿日期：２０１０—０４—１９；修回日期：２０１０—０５一Ｏ４　作者简介：许芸芸（１９７４一），女，副教授，硕士，主要从事岩土工程教学及研究工作。　第３期　许芸芸，孙忠强：基于Ｐｌａｘｉｓ　２Ｄ的基坑支护中内支撑对支护桩的影响分析　・２３。　为合理计算出支护桩的变形和内力，可建立如图１所示　的Ｐｌａｘｉｓ　２Ｄ模型。　４０ｋＰ‘　Ａ　Ａ　图１　Ｐｌａｘｉｓ　２Ｄ分析模型　此模型中的支护桩采用直接１．２　ｍ的混凝土桩，间距　１．５　ｒｎ，其输人参数如表１所示。各种土层的物理参数如表２　所示。　表１　混凝土支护桩主要参数　支混　护凝２．５００Ｅ＋０７　２．２００Ｅ＋０６　桩土　基坑开挖深度为９．２　ｍ，桩长１１．５　ｍ，第一次开挖至砾砂　混卵石面，开挖深度约６　ｍ，之后安装支撑，支撑安装在桩顶标　高处，安装完成后进行第二次开挖，开挖至基坑底，开挖深度　约３．２　ｍ。各施工工序的Ｐｌａｘｉｓ　２Ｄ模型如图２至图４所示。　图２基坑第一次开挖　为明确支撑与支护桩之间的相互关系，在支撑的参数输　入时，采用不同的ＥＡ／ＳＬ值，为输入方便，可固定等效支撑　长度值和支撑间距值，分别取Ｌ一１　ｍ，Ｓ一１　ｍ，当输入不同　ＥＡ值时，得到的各个支撑轴力、支护桩变形以及相应比值，　如表３所示。　图３第一次开挖后安装支撑　图４最终开挖至基坑底面　表３基坑中内支撑对支护桩影响的相关参数表　依据上述计算结果，可得到如下分析：　．（１）当等效支撑刚度越大时，桩顶的水平位移越小，且当　等效支撑刚度增大到一定程度时，支撑对桩的影响能力逐渐　减弱，如图５所示，曲线开始段下降趋势明显，后部趋势平缓。　（２）当等效支撑刚度增大时，支撑轴力也随之增大，如图　６所示。　（３）支撑轴力与等效支撑刚度比值随等效支撑刚度的增　大而减小，且随着等效支撑刚度的增大，支撑轴力与等效支　撑刚度比值减小的趋势减弱，如图７所示。　（３）当支撑轴力与等效支撑刚度比值越小时，支撑对桩　・２４・　唐山学院学报　第２３卷　撑是影响支护桩的敏感因素，此时的支撑抗压刚度ＥＡ和等　溷　Ｕ一…　效支撑长度Ｌ及支撑间距５对支护桩的位移和内力均有影　响，且影响显著。　２５　１００　３００　８００　３０００　５０００　８０００　２００００　等效支撑刚度ＥＡ／ｓＬ（Ｉ‘Ｎ／ｍ３）　圈５等效支撑刚度的变化对支护桩水平位移的影响　１００　簟　２　结论　图７等效支撑刚度的变化对支撑轴力　与等效支撑刚度比值的影响　图８支撑轴力与等效支撑刚度比值　对支护桩水平位移的影响　基坑支护工程设计中，一般采用简化的计算模型，当桩　顶有支撑时，一般按支撑处简支来考虑，在这种简化的计算　方法中，忽略了桩与支撑之间的相互影响　而实际中，这种　影响是存在的，并且当支撑轴力与等效支撑剐度比值低于～　定程度时，支撑对支护桩的影响就越发明显。通过前文的计　图６等效支撑刚度的变化对支撑轴力的影响　算分析可以得到，当支撑轴力与等效支撑刚度比值小于０。０５　时，支撑对支护桩的影响力很弱，此时，再加大支撑截面已经　对支护桩没有较大影响，甚至可以忽略不计。在工程设计　时，特别要注意这一点，即支撑截面达到一定程度后，再加大　支撑截面，只能造成工程成本的浪费，而无益于解决支护桩的　内力和变形问题。本文的目的也正是希望能够提醒广大的工　程设计人员注意这一点，以便更好地优化支护结构的设计。　参考文献：　［１］Ｐｌａｘｉｓ软件使用手册ＥＫ：Ｉ．　［２］　中国建筑科学研究院．ＪＧＪ１２０—９９建筑基坑支护技术　规程Ｅｓ］．北京：建筑工业出版社，１９９９．　的影响程度越小，如图８所示，据此结果，可判断当支撑轴力　与等效支撑刚度比值在０．１５到０．０５之间时，支撑对支护桩　的影响能力开始变弱，当该比值小于０．０５时，可近似认为支　撑的变化调整对支护桩已无影响，而当该值大于０．１５时，支　（责任编校：李秀荣）　（上接第２ｌ页）　＝＝＝０．６７　一１９．１　ＭＰａ，钢筋取其屈服强度　＝＝２３５　ＭＰａ，钢绞线的抗拉强度取　ＭＰａ，并取　＝１．０。　（２）当被加固梁最终破坏时，原有钢筋屈服（部分钢筋被　一０．８５　一１　２１７　拉断），钢绞线绝大部分被拉断，所以钢绞线的高强性能能够　得到充分发挥。　从表３中可以看到，简化的计算公式得出的极限弯矩值与　试验值非常接近，说明该公式可以用于实际工程的加固计算。　在实际的加固设计中建议取　＝０．８，钢筋和混凝土的　（３）简化的计算公式得出的极限弯矩值与试验值非常接　近，说明该公式可以用于实际工程的加固计算。　强度均取设计值。依照此取值进行计算后，第一组试验梁的　公式计算值为２３．５　ｋＮ・ｍ，小于试验值，偏于安全。　参考文献：　［１］　中华人民共和国建设部．ＧＢＳ００１０～２００２混凝土结构　设计规范Ｅｓ］．北京：中国建筑工业出版社，２００２．　［２］　ＧａｎｇａＲａｏ　Ｈ　Ｖ　Ｓ，Ｖｉｊａｙ　Ｐ　Ｖ．Ｂｅｎｄｉｎｇ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　５　结论　（１）试验表明，采用钢绞线加固钢筋混凝土梁，加固后梁　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｂｅａｍｓ　ｗｒａｐｐｅｄ　ｗｉｔｈ　ｃａｒｂｏｎ　ｆａｂｒｉｃ［Ｊ］．Ｊｏｕｒ—　ｎａｌ　ｏｆ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．１９９８，１２４（１）：３—１Ｏ．　的极限抗弯承载力能够提高一倍甚至几倍，梁刚度也明显得　到提高。　（责任编校：夏玉玲）