基于ABAQUS三维有限元的疏排桩支护结构内力和变形分析

杨超英

中图分类号：Q945.79 献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）01-0020-02

摘要：结合一个悬臂排桩支护结构事例分析了桩身最大弯矩和水平位移的影响因素。研究表明：排桩间距与桩径之比在2～8之间时空间效应对桩身内力影响显著；桩身最大弯矩随桩间距的增加和桩身截面宽度的增加近似呈线性增加，桩顶水平位移随桩间距的增加近似呈线性增加，随桩身截面宽度的增加而近似呈指数形式衰减，，随着土体粘聚力和内摩擦角的增加近似呈指数形式增加。

关键词：排桩支护；三维有限元法

【Abstract 】 This paper cantilever row pile supporting structure example, analyzed the pile body maximum bending moment and the influence factors of horizontal displacement. Research shows that: row pile spacing pile diameter and the ratio of 2 ~ 8 in between, the space effect of pile body internal force influence significantly; Pile body maximum bending moment, with pile spacing and pile body section of the width of the linear increase increase. Horizontal displacement pile top with the increase of space between pile and linear increase, with the increase of pile body section width and form exponentially attenuation, soil together with glue force and internal friction Angle of increase exponentially increase form.

【Key Words 】 row pile support;3 d finite element method

1引言

对于深基坑排桩支护结构，常用的设计方法有等值梁法和弹性地基梁法，目前，在工程设计中，多采用国家行业标准（JGJ120-99）[1]中的弹性支点法（m法），然而规范法在进行排桩支护结构设计时，是通过单桩受力分析而推及排桩的，属于二维分析方法，忽略了基坑周边一定范围内的土体与支护结构的共同作用，并且忽略了支护桩间土拱效应等空间效应的影响，其计算结果偏于保守，从节约原材料和减少工程量的角度来讲，这显然是欠妥的。本文结合一个排桩支护结构实例，运用abaqsu三维有限元分析了深基坑疏排桩支护结构的内力和变形规律，并且分析了桩身最大弯矩和桩身最大水平位移的影响因素。

2三维有限元数值分析

有一实际工程基坑开挖深度为8m，桩长为16m，桩间中心距为4m，土层为砂质粉土，模型截面尺寸如图1所示。为了减少计算时间，有限元模型采用对称结构，选取相邻两桩中心距间的土体作为研究对象，有限元模型简图如图2所示，有限元模型中桩体采用线弹性本构模型，土体采用修正剑桥本构模型，通过室内三轴试验得到修正剑桥模型参数，如表1所示。同时为了考虑桩与土体间的相互作用，在ABAQUS中桩和土体采用摩擦接触，切线方向接触属性为罚函（Penalty），法线方向为硬接触，有限元分析中通过调用ABAQUS中的MODEL CHANGE,REMOVE命令模拟土体开挖。

表1有限元模型中的材料参数l

图3和图4分别为有限元计算结果中的基坑水平位移云图和排桩水平位移云图。

图 1 基坑模型简图（单位：m）

图 2 有限元网格划分

图 3 基坑开挖后支护结构水平位移云图

图 4 基坑开挖后支护排桩的水平位移

2.1 桩间距的影响

分别取桩身截面宽度b为0.5m、1m、1.5m和2m保持不变，依次取排桩间距s为1m、3m、5m和7m研究排桩间距对桩身最大弯矩和桩顶水平位移的影响，基坑开挖深度为8m，桩长为16m，土层参数和上文保持一致，图5和图6分别为不同桩间距下的桩身最大弯矩和桩顶水平位移图。

由图5和图6可知，桩身最大弯矩和桩顶水平位移随排桩间距的增大近似呈线性增长，当桩身截面宽度为0.5m时，桩顶水平位移随排桩间距线性增长的速率最大。

图5 桩间距对桩身最大弯矩的影响

图 6 桩间距对桩顶水平位移的影响

2.2 桩身截面宽度的影响

分别取排桩间距s为1m、3m、5m和7m保持不变，依次取桩身截面宽度b为0.5m、1m、1.5m和2m研究桩身截面宽度对桩身最大弯矩和桩顶水平位移的影响，图7和图8分别为不同桩截面宽度下的桩身最大弯矩和桩顶水平位移图。

由图18和图19可知，桩身最大弯矩随桩身截面宽度的增大近似呈线性增加，桩顶水平位移随着桩身截面宽度的增大近似呈指数形式衰减。

图 7 桩身截面宽度对桩身最大弯矩的影响

图 8 桩身截面宽度对桩顶水平位移的影响

2. 3 土体内摩擦角的影响

取桩身截面宽度b=1m，桩间净距s=4m，土体粘聚力c=23kpa保持不变，依次取土体内摩擦角为5º、10º、15º、20º、25º、30º和35º，通过三维有限元计算研究土体内摩擦角对桩身最大弯矩和桩顶水平位移的影响，计算结果如图9和图10所示。

由图9和图10可知，当土体粘聚力一定时，桩身最大弯矩和桩顶水平位移随着土体内摩擦角的增大呈指数形式衰减。

图9 土体内摩擦角对桩身最大弯矩的影响

图10 土体内摩擦角对桩顶水平位移的影响

2. 4 土体粘聚力的影响

取桩身截面宽度b=1m，桩间净距s=4m，土体内摩擦角 =34º保持不变，依次取土体粘聚力为0、5kpa、10kpa、15kpa、20kpa、25kpa和30kpa，通过三维有限元计算研究土体粘聚力对桩身最大弯矩和桩顶水平位移的影响，计算结果如图11和图12所示。

图11 土体粘聚力对桩身最大弯矩的影响

Fig 12 Influence of cohesion of soil on maximum bending moment of pile

图11 土体粘聚力对桩顶水平位移的影响

由图11和图12可知，当土体内摩擦角一定时，桩身最大弯矩和桩顶水平位移随着土体粘聚力的增大呈指数形式衰减。

3结论

（1）当桩间距s=（2～8）d范围内采用不考虑空间效应的规范法计算排桩内力过于保守，当桩间距小于2d和桩间距大于8d时采用规范法计算排桩内力是可靠的、合理的。

（2）桩身最大弯矩和水平位移随着桩间净距的增大近似呈线性增加，桩身最大弯矩随桩身截面宽度的增加而近似呈线性增加，而桩顶水平位移随桩身截面宽度的增加而近似呈指数形式衰减。

参考文献(References)：

[1] JGJ120-99 建筑基坑支护技术规程[S],1999.(JGJ120-99 Technical code for building pit retaining structures [S],1999）.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。