摘  要：本文用ANSYS软件建立基坑支护桩模型，采用线性Drucker- Prager 屈服准则，建立了悬臂桩基坑支护计算模型，分析了在分层开挖工况下支护桩的直径对支护桩工作性能的影响，研究表明桩径一般选在0.8m到1.2m之间是比较经济合理的。

关键词：基坑工程;悬臂桩;分层开挖;ANSYS软件;有限元法

引言

深基坑工程是岩土工程、结构工程、施工技术相交叉的学科，是多种复杂因素交叉影响的系统工程^[1]。深基坑开挖与支护问题是一个综合性的岩土工程问题^[2]，它涉及土力学中强度、稳定、变形及土与支护结构的共同作用等问题，由于问题的复杂性，目前对基坑支护影响因素的研究尚不能满足实际工程的需要，有必要针对这一问题进行深入研究。

悬臂桩支护是指不带内撑和拉锚的支撑结构，可以通过设置钢筋混凝土桩形成支护，这是目前常用的一种基坑支护形式^[3]。本文用ANSYS有限元软件，通过数值模拟，研究分析在分层开挖工况下护桩的直径对支护桩工作性能的影响。

1悬臂桩基坑支护数值模型的建立

本研究有限元计算模型包括几何模型、材料模型的建立及边界条件的定义。计算基坑的大小为，悬臂支护桩桩径为，桩距为，采用二维模型模拟。桩体采用各向同性线弹性本构模型，土体采用 Drucker- Prager 模型。

2计算结果及分析

2.1分层开挖的有限元模型

分层挖土在基坑工程开挖数值模拟中，按照施工工序以及简化计算模型的需要，将整个模拟计算过程分为4个开挖步，具体如下：

第一步：从地面开挖至地面以下2m;

第二步：从地面以下2m开挖至地面以下4m;

第三步：从地面以下4m开挖至地面以下6m;

第四步：从地面以下6m开挖至地面以下8m。

2.2桩径的影响

基本参数取值为：桩的弹性模量E=2.8×10¹⁰Pa，泊松比=0.2，桩的密度为2500kg/m³;土抗剪强度c=10kPa，φ=20^o，土的变形模量E₀=1.25×10⁷Pa，泊松比=0.39，土的重度为19kN/m³。桩径d的取值分别为0.6m、0.8m、1.0m、1.2m、1.4m。

2.2.1对桩水平位移的影响

计算结果见图 1。

由图1可以知道：不同桩径时桩的最大水平位移出现在桩顶端，随着桩长的增加，桩的水平位移随之减小，桩的最小水平位移在桩底，且桩的最小水平位移不为零。随着桩径的增大，桩身的最大水平位移减少，但对桩底的水平位移影响不大。当桩径为0.6m时，桩的最大水平位移是99mm，比较大，当桩径从0.6m增大到1.4m时，桩的最大水平位移减小至21mm，减小的幅度为21.2%。当桩径从0.6m增大到0.8m时，水平位移减小的幅度为11.1%;当桩径从0.8m增大到1.0m时，水平位移减小的幅度为5.6%;当桩径从1.0m增大到1.2m时，水平位移减小的幅度为4.7%;当桩径从1.2m增大到1.4m时，水平位移减小的幅度为2.5%。期间水平位移减小的幅度逐渐變小，这说明适当增大桩径可以有效地减小悬臂桩的水平位移，但是当d﹥1.2m时对减小桩身水平位移的影响不明显。

2.2.2对桩身应力的影响

悬臂式支护桩作为“被动桩”，主要以受弯为主。支护桩受力主要集中在基坑开挖面附近，最大拉应力和最大压应力基本上都位于桩顶以下10m左右处，呈两头小、中间大的分布趋势。

随着桩径的增大，同一桩径下最大拉应力的值与最大压应力的值之间的差距拉大，由18.73%增大到115.23%。随着桩径的增大，最大拉应力和最大压应力都有所减小。可知：适当增大桩径可以减小桩的最大应力值，由理论力学知识可知最大应力值与最大弯矩相对应，由于支护桩按抗弯配筋，所以大桩径的设计，可以减小支护桩体的钢筋用量，在经济上有着有益的作用。

2.2.3 ANSYS计算的土压力与朗金理论土压力的比较

不同桩径下桩支护侧与开挖侧土压力的分布都基本上呈线性分布，且都是随着土的深度的增加而增加。桩径变化时，支护侧与开挖侧土压力基本无变化。不同桩径下有限元计算的临界深度都为4m，而用郎金理论计算的临界深度为1.43m，用朗金理论计算的土压力临界深度值比用ANSYS有限元计算的值要小。开挖侧土压力用有限元方法计算的值普遍要比静止土压力大，这表明开挖侧的土压力主要是被动土压力。由上分析可知：桩径的改变对于支护桩土压力的分布影响不大，用朗金理论所得的支护土压力的计算结果是偏于保守的，郎金理论值比有限元计算值最大相差23.4kPa。

3结论

计算分析表明：在分层开挖工况下，增大桩径可以减小支护桩桩身水平方向的位移，桩径0.6m时桩身最大水平位移为99mm，桩径1.0m时桩身最大水平位移84mm，由0.6m增加到1.0m，水平位移减小幅度大。同时，桩径0.6m时桩体的最大应力值为2262.00kPa，桩径1.0m时桩体的最大应力值为1002.10kPa，由0.6m增加到1.0m，桩体的最大应力值影响明显。因此桩径一般选在0.8m到1.2m之间是比较经济合理的。

参考文献

[1]  桂国庆. 深基坑工程的研究现状与发展趋势[J].工程力学，2000，3（增刊）：406–412.（GUI Guo-qing. Research actuality and development direction on deep foundation engineering[J]. Engineering Mechanics，2000，3（Supp）：406–412.）.

[2]  S. J. Boone and A.M.Crawford，Braced excavations：Temperature，elastic modulus，and sturt Loads，Journal of Geotechnical and Geo environmental Engineering，2000. 10：870-881.

[3]  王曙光.深基坑支护事件处理经验录[M].北京：机械工业出版社，2005.

作者简介：黄春花，女，广西桂林，1986年3月，硕士，助教，研究方向：建筑工程技术，工程造价。