姚　函　邵衛(wèi)平　蔡偉銘　劉尊景　楊　敏

(1.西北綜合勘察設計研究院,西安 710003; 2.浙江舜杰建筑集團股份有限公司,上海 200060;3.同濟大學建筑

設計研究院有限公司,上海 200092;4.同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室,上海 200092;

5.同濟大學地下建筑與工程系,上海 200092)

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復合式重力壩基坑支護結構的機理與參量分析

姚函1邵衛(wèi)平2蔡偉銘3劉尊景4,5,*楊敏4,5,*

(1.西北綜合勘察設計研究院,西安 710003; 2.浙江舜杰建筑集團股份有限公司,上海 200060;3.同濟大學建筑

設計研究院有限公司,上海 200092;4.同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室,上海 200092;

5.同濟大學地下建筑與工程系,上海 200092)

摘要復合式重力壩基坑支護結構是介于重力式水泥土墻和排樁兩種圍護形式之間的一種復合支護形式。通過有限元模型,結合現場實測數據,分析了復合式重力壩支護結構的受力機理和變形特性,并進行了參數分析。研究表明復合式重力壩支護結構中除內插鉆孔樁和水泥土自身抗彎性能承擔一部分彎矩外,樁體受拉、壩體受壓二者形成空間效應也能承擔部分彎矩。相比排樁支護結構,復合式重力壩支護結構能更好地控制側向變形。成果對復合式重力壩基坑支護結構的推廣和應用具有較大的參考價值。

關鍵詞復合式重力壩, 基坑支護, 有限元分析, 參量分析

FEM Analysis of a Composite Gravity Retaining Wall forFoundation Pit Supporting

YAO Han1SHAO Weiping2CAI Weiming3LIU Zunjing4,5YANG Min4,5,*

(1.Northwest Research Institute of Engineering Investigation and Design,Xi′an 710003,China; 2.Zhejiang Shunjie construction

Co.,Shanghai 200000,China;3.Tongji architectural design (group) Co.,Ltd.,Shanghai 200092;4.Key Laboratory of

Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education,Tongji University,Shanghai 200092,China;

5.Department of Geotechnical Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China)

AbstractComposite gravity retaining wall is a kind of excavation support structure between gravity retaining wall and piles retaining structure. In this paper, the mechanism and deformation characteristics of the composite gravity retaining wall are analyzed by a finite element model, with the comparison of field data. A parametric analysis was also carried out. Studies have shown that, the pile tension and soil cement compression form a space effect can also bear a part of the moment in a composite gravity wall, in addition to the flexural properties of interpolated bored piles and of soil cement. Compared with the retaining structure of row pile, composite gravity dam is better in the control of lateral deformation. The results of the paper have a reference value to the promotion and application of the composite gravity wall in an excavation project.

Keywordscomposite gravity retaining wall, foundation pit supporting, the finite element anlysis, spatial effects

1引言

對于5~8 m開挖深度的基坑,常用的支護方式有重力式擋墻、排樁、土釘墻等[1]。重力式水泥土墻是軟土地區(qū)常用的基坑支護結構,它成本低且施工簡單,但存在位移難以控制和所需支護空間較大的缺點;排樁結構控制變形較好,但存在成本高、較密支撐影響挖土和拆撐后附加變形大的缺點。為了克服以上支護形式的缺點,一些新型的支護結構被提出了,如蔡偉銘[2]提出的復合式重力壩支護結構、黃廣龍等[3]提出的MC樁支護形式和蔡偉銘[4]提出的拱形水泥土-槽壁支護形式。其中復合式重力壩支護結構是在一定壩寬的深攪樁重力式圍護結構靠近坑內一側設置一定間距的型鋼或混凝土鉆孔樁,坑內側設置稀疏的對撐或拋斜撐。復合式重力壩支護形式的示意圖參見圖1,由重力式水泥土墻、內插鉆孔樁、內支撐三個主要部件組成。在上海浦東新亞湯臣大酒店、上?？祵幋髲B等工程中進行了實際應用表明這種結構在位移控制和造價方面具有一定優(yōu)勢。熊祚森等[5]采用有限元方法對其進行模擬并與實際工程進行了對比,認為該方法支撐拆除后各項變形指標均較小;馮又全等[6]將這種結構的變形分解為剛體旋轉和彈性撓曲變形,通過剛性體受力分析計算剛體水平位移和旋轉,通過將樁和擋墻的抗彎剛度直接疊加計算彈性撓曲變形。張慧等[7]利用三維有限元數值模擬分析了水泥土樁和內部芯樁在豎向荷載作用下的傳力機理。上述研究對復合式重力壩支護結構的作用機理產生了一些認識,但由于該結構涉及樁和水泥土在水平抗彎和垂直受拉兩個方面的協同作用,受力情況復雜,尚未形成廣泛認可的變形計算方法,現有方法多是沿用重力式擋墻的抗傾覆算法進行驗算,如李衛(wèi)超等[8],因此需要對其各部位的受力情況進行詳細的研究。

上述研究表明,復合式重力壩支護形式的變形兼有有剛性傾斜位移和彎曲變形,在文獻[4]、文獻[6]中對復合式重力壩分別計算剛體位移和彎曲變形,再將兩種變形疊加得到整體變形。該支護結構的變形特征與排樁的彎曲變形、重力式基礎的滑移傾斜變形均不同。

本文通過有限元軟件,模擬了復合式重力壩支護結構的工作性狀,并與現場試驗結果進行了對比驗證。隨后將復合式重力壩與排樁、重力式擋墻兩種支護形式就變形趨勢和墻內應力分布等問題進行了對比,總結討論了復合式重力壩支護結構的受力機理和變形規(guī)律。

2模型建立

上海市虹橋鎮(zhèn)95號地塊基坑工程C型試驗段坑深6.4 m,采用復合式重力壩支護結構,圍護剖面見圖1,土層分布情況見表1。水泥土墻采用雙軸水泥土攪拌樁,水泥摻量13%,墻高15 m,寬度3.2 m。墻體內插鉆孔灌注樁,樁長12 m,直徑0.7 m,樁間距2 m。支撐采用雙拼Φ609×16鋼管,支撐軸線位于地表下1.5 m,支撐間距9.9 m,長度52 m。

按照現場實際建立有限元模型以方便與現場試驗結果進行對比。模型尺寸取67.2 m×35 m,如圖2所示?；娱_挖分兩步,第一步開挖至地表以下1.5 m,然后在開挖面處施加對撐,第二步開挖至坑底。

圖1　C型試驗段剖面圖(單位:mm)Fig.1　Cross sectional view of theC-type test section(Unit:mm)

圖2　有限元計算模型圖Fig.2　Finite element model

模型中土體采用劍橋本構模型,參數[9]見下表1所示。支撐、樁和水泥土墻采用彈性模型,其中支撐軸向剛度EA=1.49×106kN,長度為26.3 m;水泥土攪拌墻彈性模量取180 MPa,泊松比取0.3[10];混凝土灌注樁彈性模量取30 GPa,泊松比取0.2?；炷凉嘧逗退嗤翑嚢铇吨g的粘結力很大,接近水泥土自身的抗剪強度,因此模型中灌注樁和水泥土樁之間采用綁定約束,水泥土和土體之間采用摩擦約束[5,9],摩擦系數根據式(1)由土層內摩擦角和土層厚度求出。

表1土層參數

Table 1　Soil parameters

(1)

式中,μ——土體與復合式重力壩的摩擦系數;

φ′——平均內摩擦角;

φi——第i層土的內摩擦角;

hi——第i層土的土層厚度。

3有限元模型合理性分析

本文通過有限元分析結果與現場試驗數據的對比,以驗證有限元模型的合理性和準確性。主要對比以下變量:樁身水平變形、樁身彎矩。

3.1　樁身水平變形對比

開挖到坑底時,通過有限元分析得到的樁身最大水平位移為13.95 mm,現場監(jiān)測值為14.56 mm(開挖結束后2周),二者對比如圖3所示。由此可知,有限元模型和參數取值能較好地模擬樁身水平位移。

圖3　灌注樁水平位移對比圖Fig.3　Horizontal displacement of the pilecompared with field data

3.2　樁身彎矩對比

現場通過在內插鋼筋鉆孔樁-4.5~8.5 m范圍內安裝鋼筋計來監(jiān)測開挖過程中鋼筋軸力的變化,可換算計算樁身彎矩,見圖4,彎矩分布在85~120 kN·m之間。通過有限元模擬得到內插鉆孔樁的彎矩如圖5所示,相應位置(-4.5~8.5 m)處得彎矩為85~135 kN·m。彎矩監(jiān)測值和有限元模擬值的吻合證明了有限元模型的合理性。

圖4　樁身彎矩監(jiān)測結果鋼筋計換算值(單位:kN·m)Fig.4　Pile moment monitoring results convertedfrom reinforced meter (Unit:kN·m)

4變形特征

4.1與排樁支護對比

為了更詳細地展現復合式重力壩圍護與常規(guī)排樁圍護的差異,將復合式重力壩支護與排樁支護在各工況下的結果進行了對比。所對比的排樁支護,樁直徑0.6 m,間距0.8 m,樁長16 m,每延米抗彎剛度2.4×105kN·m2。在加撐前的第一步開挖工況下,復合式重力壩的位移遠小于常規(guī)排樁的位移,參見圖6(a),說明復合式重力壩對控制加撐前的初始位移相對要有效得多。就拆撐工況下的位移增量而言,復合式重力壩的位移增量約為排樁結構的一半,參見圖6(b),說明復合式重力壩對控制拆撐位移非常有效,拆撐工況下的位移變化不大。復合式重力壩結構中的樁身軸力較大,而常規(guī)排樁結構中樁身軸力非常小,可忽略不計,參見圖6(c)。復合式重力壩結構中的樁身彎矩要比排樁圍護結構的彎矩小得多,參見圖6(d)。

圖5　樁身彎矩模擬值(單位:kN·m)Fig.5　Pile moment calculated by FEM (Unit:kN·m)

圖6　復合式重力壩與排樁圍護對比圖Fig.6　Comparison between compositegravity retaining wall and row piles

4.2　與重力式支護對比

復合式重力壩與水泥土重力式圍護墻兩種圍護形式下的水平位移對比如圖7所示。重力式支護結構厚5.2 m,長15 m。由圖可見,二者的變形規(guī)律迥異,水泥土重力壩結構的最大變形在圍護結構頂部,而復合式重力壩結構的最大變形發(fā)生在坑底附近,且常規(guī)水泥土重力壩的變形38 mm遠大于復合式重力壩結構的變形量14 mm。復合式重力壩與水泥土重力式圍護墻的豎向應力分布對比如圖8所示。由對比可知,復合式重力壩支護結構與水泥土重力式圍護墻的受力性狀完全不同,重力式水泥土墻為懸臂式,近坑側水泥土受壓,遠坑側水泥土受拉,而復合式重力壩支護結構遠坑側水泥土受壓,近坑側水泥土受拉。

圖7　水泥土重力式圍護墻Fig.7　Horizontal displacement of composite gravity wall

圖8　水泥土重力式圍護墻Fig.8　Stress on z direction of composite gravity wall

5單變量參數分析

在驗證以上基準模型正確性的基礎上,通過改變復合式重力壩支護結構的內插樁體間距、壩體寬度、支護結構高度、水泥土強度、支撐剛度等因素,研究復合式重力壩支護結構樁與水泥土空間作用分擔的彎矩比例。

5.1　近坑側鉆孔樁間距影響分析

當內插鉆孔樁間距為2 m時候,單根樁承擔的彎矩僅為139 kN·m;當間距為4 m時,單根樁承擔的彎矩為573 kN·m;當間距為6 m時,單根樁承擔的彎矩為883 kN·m,樁分擔的彎矩值隨距離的變化如圖9所示。

圖9　不同樁間距下樁身彎矩的變化Fig.9　Correlations between pile momentwith pile spacing

5.2　壩體寬度影響分析

壩體寬度的不同也將影響樁身分擔的彎矩值,如圖10所示。壩體寬度由3.2 m變成2.2 m時,樁身彎矩急劇增加,空間效應得不到較好的發(fā)揮;而當壩體從3.2 m變成4.2 m時,樁身彎矩減少值不大,說明壩體寬度的增加對空間效應承擔彎矩幫助不大,故3.2 m是較為合理的壩體寬度。

圖10　不同壩體寬度下樁身彎矩的變化Fig.10　Correlations between pile momentand the width of the wall

5.3　支護結構高度影響分析

圖11對比了不同支護結構高度時復合式重力壩支護結構(圖中“組合結構”)和排樁支護結構(與復合式重力壩支護結構中樁徑、樁間距等相同,圖示“只有樁”)時混凝土樁身彎矩的變化,支護結構高度的變化基本不會對樁身彎矩值產生影響,即增加壩體高度對復合式重力壩支護結構空間效應的發(fā)揮幫助不大。壩體高度可由支護結構的抗傾覆和整體穩(wěn)定性控制。

圖11　不同支護結構高度下樁身彎矩的變化Fig.11　Correlations between pile momentand the length of the structure

5.4　土體與墻體摩擦系數影響分析

水泥土墻和周圍土體設置摩擦接觸,摩擦系數的變化對樁身彎矩的影響如圖12所示。摩擦系數越小,樁所承擔的彎矩值越大,空間效應越不能得到有效發(fā)揮。

圖12　不同摩擦系數下樁身彎矩的變化Fig.12　Correlations between pile moment and thefriction coefficient of the interface

5.5　水泥土墻強度影響分析

水泥摻量不同將影響水泥土墻的強度,從而影響空間效應分擔的彎矩值,如圖13所示。壩體彈性模量從720 MPa變化到30 MPa,灌注樁受拉水泥土墻受壓所分擔的彎矩值逐步減小。

5.6　支撐剛度影響分析

由圖14可知,當支撐剛度達到某一值(5×105kN)后,增加支撐剛度對空間效應的發(fā)揮影響不大。這也說明了壩體自重有效減少了對支撐的依賴,實際工程中可僅布置少量支撐,從而有利于挖土操作。

圖13　不同墻體剛度時空間效應彎矩分擔量Fig.13　Spatial effects moment changingwith wall stiffness variation

6結論

本文通過有限元分析研究了復合式重力壩支護結構的受力機理和變形規(guī)律,得到如下結論:

(1)復合式重力壩支護結構的變形情況既不同于常規(guī)排樁結構,也不同于常規(guī)重力式結構。相比排樁支護結構,復合式重力壩支護結構能更好地控制側向變形,特別是第一階段開挖和拆撐的增量變形。相比重力式擋墻,因復合式重力壩常設有內支撐,支護結構受力不同,最大變形位置不同。

(2)通過有限元參數分析,表明內插灌注樁彎矩主要受灌注樁間距、壩體寬度、水泥參量和壩體與周圍土體接觸性質的影響;支撐剛度、支護結構高度對其影響較小。

(3)復合式重力壩支護結構中除內插鉆孔樁和水泥土自身抗彎性能承擔一部分彎矩外,樁體受拉、壩體受壓二者形成空間效應也能承擔部分彎矩。

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收稿日期：2015-11-13

*聯系作者Email:yangmin@#edu.cn