復(fù)合式重力壩基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的機(jī)理與參量分析

姚　函　邵衛(wèi)平　蔡偉銘　劉尊景　楊　敏

(1.西北綜合勘察設(shè)計(jì)研究院,西安 710003; 2.浙江舜杰建筑集團(tuán)股份有限公司,上海 200060;3.同濟(jì)大學(xué)建筑

設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200092;4.同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092;

5.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系,上海 200092)

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復(fù)合式重力壩基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的機(jī)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(shè)計(jì)研究院,西安 710003; 2.浙江舜杰建筑集團(tuán)股份有限公司,上海 200060;3.同濟(jì)大學(xué)建筑

設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200092;4.同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092;

5.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系,上海 200092)

摘要復(fù)合式重力壩基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)是介于重力式水泥土墻和排樁兩種圍護(hù)形式之間的一種復(fù)合支護(hù)形式。通過有限元模型,結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù),分析了復(fù)合式重力壩支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理和變形特性,并進(jìn)行了參數(shù)分析。研究表明復(fù)合式重力壩支護(hù)結(jié)構(gòu)中除內(nèi)插鉆孔樁和水泥土自身抗彎性能承擔(dān)一部分彎矩外,樁體受拉、壩體受壓二者形成空間效應(yīng)也能承擔(dān)部分彎矩。相比排樁支護(hù)結(jié)構(gòu),復(fù)合式重力壩支護(hù)結(jié)構(gòu)能更好地控制側(cè)向變形。成果對復(fù)合式重力壩基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的推廣和應(yīng)用具有較大的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞復(fù)合式重力壩, 基坑支護(hù), 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(hù)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(hù)結(jié)構(gòu),它成本低且施工簡單,但存在位移難以控制和所需支護(hù)空間較大的缺點(diǎn);排樁結(jié)構(gòu)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(diǎn)。為了克服以上支護(hù)形式的缺點(diǎn),一些新型的支護(hù)結(jié)構(gòu)被提出了,如蔡偉銘[2]提出的復(fù)合式重力壩支護(hù)結(jié)構(gòu)、黃廣龍等[3]提出的MC樁支護(hù)形式和蔡偉銘[4]提出的拱形水泥土-槽壁支護(hù)形式。其中復(fù)合式重力壩支護(hù)結(jié)構(gòu)是在一定壩寬的深攪樁重力式圍護(hù)結(jié)構(gòu)靠近坑內(nèi)一側(cè)設(shè)置一定間距的型鋼或混凝土鉆孔樁,坑內(nèi)側(cè)設(shè)置稀疏的對撐或拋斜撐。復(fù)合式重力壩支護(hù)形式的示意圖參見圖1,由重力式水泥土墻、內(nèi)插鉆孔樁、內(nèi)支撐三個(gè)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(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用表明這種結(jié)構(gòu)在位移控制和造價(jià)方面具有一定優(yōu)勢。熊祚森等[5]采用有限元方法對其進(jìn)行模擬并與實(shí)際工程進(jìn)行了對比,認(rèn)為該方法支撐拆除后各項(xiàng)變形指標(biāo)均較小;馮又全等[6]將這種結(jié)構(gòu)的變形分解為剛體旋轉(zhuǎn)和彈性撓曲變形,通過剛性體受力分析計(jì)算剛體水平位移和旋轉(zhuǎn),通過將樁和擋墻的抗彎剛度直接疊加計(jì)算彈性撓曲變形。張慧等[7]利用三維有限元數(shù)值模擬分析了水泥土樁和內(nèi)部芯樁在豎向荷載作用下的傳力機(jī)理。上述研究對復(fù)合式重力壩支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理產(chǎn)生了一些認(rèn)識,但由于該結(jié)構(gòu)涉及樁和水泥土在水平抗彎和垂直受拉兩個(gè)方面的協(xié)同作用,受力情況復(fù)雜,尚未形成廣泛認(rèn)可的變形計(jì)算方法,現(xiàn)有方法多是沿用重力式擋墻的抗傾覆算法進(jìn)行驗(yàn)算,如李衛(wèi)超等[8],因此需要對其各部位的受力情況進(jìn)行詳細(xì)的研究。

上述研究表明,復(fù)合式重力壩支護(hù)形式的變形兼有有剛性傾斜位移和彎曲變形,在文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[6]中對復(fù)合式重力壩分別計(jì)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(hù)結(jié)構(gòu)的變形特征與排樁的彎曲變形、重力式基礎(chǔ)的滑移傾斜變形均不同。

本文通過有限元軟件,模擬了復(fù)合式重力壩支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作性狀,并與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比驗(yàn)證。隨后將復(fù)合式重力壩與排樁、重力式擋墻兩種支護(hù)形式就變形趨勢和墻內(nèi)應(yīng)力分布等問題進(jìn)行了對比,總結(jié)討論了復(fù)合式重力壩支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力機(jī)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(yàn)段坑深6.4 m,采用復(fù)合式重力壩支護(hù)結(jié)構(gòu),圍護(hù)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(nèi)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(xiàn)場實(shí)際建立有限元模型以方便與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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(yàn)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(jì)算模型圖Fig.2　Finite element model

模型中土體采用劍橋本構(gòu)模型,參數(shù)[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(jié)力很大,接近水泥土自身的抗剪強(qiáng)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(shù)根據(jù)式(1)由土層內(nèi)摩擦角和土層厚度求出。

表1土層參數(shù)

Table 1　Soil parameters

(1)

式中,μ——土體與復(fù)合式重力壩的摩擦系數(shù);

φ′——平均內(nèi)摩擦角;

φi——第i層土的內(nèi)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(jié)果與現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比,以驗(yàn)證有限元模型的合理性和準(zhǔn)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(shí),通過有限元分析得到的樁身最大水平位移為13.95 mm,現(xiàn)場監(jiān)測值為14.56 mm(開挖結(jié)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(shù)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(xiàn)場通過在內(nèi)插鋼筋鉆孔樁-4.5~8.5 m范圍內(nèi)安裝鋼筋計(jì)來監(jiān)測開挖過程中鋼筋軸力的變化,可換算計(jì)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(nèi)插鉆孔樁的彎矩如圖5所示,相應(yīng)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(jié)果鋼筋計(jì)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(hù)對比

為了更詳細(xì)地展現(xiàn)復(fù)合式重力壩圍護(hù)與常規(guī)排樁圍護(hù)的差異,將復(fù)合式重力壩支護(hù)與排樁支護(hù)在各工況下的結(jié)果進(jìn)行了對比。所對比的排樁支護(hù),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(fù)合式重力壩的位移遠(yuǎn)小于常規(guī)排樁的位移,參見圖6(a),說明復(fù)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(fù)合式重力壩的位移增量約為排樁結(jié)構(gòu)的一半,參見圖6(b),說明復(fù)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(fù)合式重力壩結(jié)構(gòu)中的樁身軸力較大,而常規(guī)排樁結(jié)構(gòu)中樁身軸力非常小,可忽略不計(jì),參見圖6(c)。復(fù)合式重力壩結(jié)構(gòu)中的樁身彎矩要比排樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(fù)合式重力壩與排樁圍護(hù)對比圖Fig.6　Comparison between compositegravity retaining wall and row piles

4.2　與重力式支護(hù)對比

復(fù)合式重力壩與水泥土重力式圍護(hù)墻兩種圍護(hù)形式下的水平位移對比如圖7所示。重力式支護(hù)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的最大變形在圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部,而復(fù)合式重力壩結(jié)構(gòu)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(yuǎn)大于復(fù)合式重力壩結(jié)構(gòu)的變形量14 mm。復(fù)合式重力壩與水泥土重力式圍護(hù)墻的豎向應(yīng)力分布對比如圖8所示。由對比可知,復(fù)合式重力壩支護(hù)結(jié)構(gòu)與水泥土重力式圍護(hù)墻的受力性狀完全不同,重力式水泥土墻為懸臂式,近坑側(cè)水泥土受壓,遠(yuǎn)坑側(cè)水泥土受拉,而復(fù)合式重力壩支護(hù)結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)坑側(cè)水泥土受壓,近坑側(cè)水泥土受拉。

圖7　水泥土重力式圍護(hù)墻Fig.7　Horizontal displacement of composite gravity wall

圖8　水泥土重力式圍護(hù)墻Fig.8　Stress on z direction of composite gravity wall

5單變量參數(shù)分析

在驗(yàn)證以上基準(zhǔn)模型正確性的基礎(chǔ)上,通過改變復(fù)合式重力壩支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)插樁體間距、壩體寬度、支護(hù)結(jié)構(gòu)高度、水泥土強(qiáng)度、支撐剛度等因素,研究復(fù)合式重力壩支護(hù)結(jié)構(gòu)樁與水泥土空間作用分擔(dān)的彎矩比例。

5.1　近坑側(cè)鉆孔樁間距影響分析

當(dāng)內(nèi)插鉆孔樁間距為2 m時(shí)候,單根樁承擔(dān)的彎矩僅為139 kN·m;當(dāng)間距為4 m時(shí),單根樁承擔(dān)的彎矩為573 kN·m;當(dāng)間距為6 m時(shí),單根樁承擔(dān)的彎矩為883 kN·m,樁分擔(dān)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(dān)的彎矩值,如圖10所示。壩體寬度由3.2 m變成2.2 m時(shí),樁身彎矩急劇增加,空間效應(yīng)得不到較好的發(fā)揮;而當(dāng)壩體從3.2 m變成4.2 m時(shí),樁身彎矩減少值不大,說明壩體寬度的增加對空間效應(yīng)承擔(dān)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(hù)結(jié)構(gòu)高度影響分析

圖11對比了不同支護(hù)結(jié)構(gòu)高度時(shí)復(fù)合式重力壩支護(hù)結(jié)構(gòu)(圖中“組合結(jié)構(gòu)”)和排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)(與復(fù)合式重力壩支護(hù)結(jié)構(gòu)中樁徑、樁間距等相同,圖示“只有樁”)時(shí)混凝土樁身彎矩的變化,支護(hù)結(jié)構(gòu)高度的變化基本不會(huì)對樁身彎矩值產(chǎn)生影響,即增加壩體高度對復(fù)合式重力壩支護(hù)結(jié)構(gòu)空間效應(yīng)的發(fā)揮幫助不大。壩體高度可由支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗傾覆和整體穩(wěn)定性控制。

圖11　不同支護(hù)結(jié)構(gòu)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(shù)影響分析

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

圖12　不同摩擦系數(shù)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(qiáng)度影響分析

水泥摻量不同將影響水泥土墻的強(qiáng)度,從而影響空間效應(yīng)分擔(dān)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(dān)的彎矩值逐步減小。

5.6　支撐剛度影響分析

由圖14可知,當(dāng)支撐剛度達(dá)到某一值(5×105kN)后,增加支撐剛度對空間效應(yīng)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(shí)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(shí)空間效應(yīng)彎矩分擔(dān)量Fig.13　Spatial effects moment changingwith wall stiffness variation

6結(jié)論

本文通過有限元分析研究了復(fù)合式重力壩支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理和變形規(guī)律,得到如下結(jié)論:

(1)復(fù)合式重力壩支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況既不同于常規(guī)排樁結(jié)構(gòu),也不同于常規(guī)重力式結(jié)構(gòu)。相比排樁支護(hù)結(jié)構(gòu),復(fù)合式重力壩支護(hù)結(jié)構(gòu)能更好地控制側(cè)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(fù)合式重力壩常設(shè)有內(nèi)支撐,支護(hù)結(jié)構(gòu)受力不同,最大變形位置不同。

(2)通過有限元參數(shù)分析,表明內(nèi)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(zhì)的影響;支撐剛度、支護(hù)結(jié)構(gòu)高度對其影響較小。

(3)復(fù)合式重力壩支護(hù)結(jié)構(gòu)中除內(nèi)插鉆孔樁和水泥土自身抗彎性能承擔(dān)一部分彎矩外,樁體受拉、壩體受壓二者形成空間效應(yīng)也能承擔(dān)部分彎矩。

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收稿日期：2015-11-13

*聯(lián)系作者Email:yangmin@#edu.cn