复合式重力坝基坑支护结构的机理与参量分析

姚　函　邵卫平　蔡伟铭　刘尊景　杨　敏

(1.西北综合勘察设计研究院,西安 710003; 2.浙江舜杰建筑集团股份有限公司,上海 200060;3.同济大学建筑

设计研究院有限公司,上海 200092;4.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室,上海 200092;

5.同济大学地下建筑与工程系,上海 200092)



复合式重力坝基坑支护结构的机理与参量分析

姚函1邵卫平2蔡伟铭3刘尊景4,5,*杨敏4,5,*

(1.西北综合勘察设计研究院,西安 710003; 2.浙江舜杰建筑集团股份有限公司,上海 200060;3.同济大学建筑

设计研究院有限公司,上海 200092;4.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室,上海 200092;

5.同济大学地下建筑与工程系,上海 200092)

摘要复合式重力坝基坑支护结构是介于重力式水泥土墙和排桩两种围护形式之间的一种复合支护形式。通过有限元模型,结合现场实测数据,分析了复合式重力坝支护结构的受力机理和变形特性,并进行了参数分析。研究表明复合式重力坝支护结构中除内插钻孔桩和水泥土自身抗弯性能承担一部分弯矩外,桩体受拉、坝体受压二者形成空间效应也能承担部分弯矩。相比排桩支护结构,复合式重力坝支护结构能更好地控制侧向变形。成果对复合式重力坝基坑支护结构的推广和应用具有较大的参考价值。

关键词复合式重力坝, 基坑支护, 有限元分析, 参量分析

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

对于5~8 m开挖深度的基坑,常用的支护方式有重力式挡墙、排桩、土钉墙等[1]。重力式水泥土墙是软土地区常用的基坑支护结构,它成本低且施工简单,但存在位移难以控制和所需支护空间较大的缺点;排桩结构控制变形较好,但存在成本高、较密支撑影响挖土和拆撑后附加变形大的缺点。为了克服以上支护形式的缺点,一些新型的支护结构被提出了,如蔡伟铭[2]提出的复合式重力坝支护结构、黄广龙等[3]提出的MC桩支护形式和蔡伟铭[4]提出的拱形水泥土-槽壁支护形式。其中复合式重力坝支护结构是在一定坝宽的深搅桩重力式围护结构靠近坑内一侧设置一定间距的型钢或混凝土钻孔桩,坑内侧设置稀疏的对撑或抛斜撑。复合式重力坝支护形式的示意图参见图1,由重力式水泥土墙、内插钻孔桩、内支撑三个主要部件组成。在上海浦东新亚汤臣大酒店、上海康宁大厦等工程中进行了实际应用表明这种结构在位移控制和造价方面具有一定优势。熊祚森等[5]采用有限元方法对其进行模拟并与实际工程进行了对比,认为该方法支撑拆除后各项变形指标均较小;冯又全等[6]将这种结构的变形分解为刚体旋转和弹性挠曲变形,通过刚性体受力分析计算刚体水平位移和旋转,通过将桩和挡墙的抗弯刚度直接叠加计算弹性挠曲变形。张慧等[7]利用三维有限元数值模拟分析了水泥土桩和内部芯桩在竖向荷载作用下的传力机理。上述研究对复合式重力坝支护结构的作用机理产生了一些认识,但由于该结构涉及桩和水泥土在水平抗弯和垂直受拉两个方面的协同作用,受力情况复杂,尚未形成广泛认可的变形计算方法,现有方法多是沿用重力式挡墙的抗倾覆算法进行验算,如李卫超等[8],因此需要对其各部位的受力情况进行详细的研究。

上述研究表明,复合式重力坝支护形式的变形兼有有刚性倾斜位移和弯曲变形,在文献[4]、文献[6]中对复合式重力坝分别计算刚体位移和弯曲变形,再将两种变形叠加得到整体变形。该支护结构的变形特征与排桩的弯曲变形、重力式基础的滑移倾斜变形均不同。

本文通过有限元软件,模拟了复合式重力坝支护结构的工作性状,并与现场试验结果进行了对比验证。随后将复合式重力坝与排桩、重力式挡墙两种支护形式就变形趋势和墙内应力分布等问题进行了对比,总结讨论了复合式重力坝支护结构的受力机理和变形规律。

2模型建立

上海市虹桥镇95号地块基坑工程C型试验段坑深6.4 m,采用复合式重力坝支护结构,围护剖面见图1,土层分布情况见表1。水泥土墙采用双轴水泥土搅拌桩,水泥掺量13%,墙高15 m,宽度3.2 m。墙体内插钻孔灌注桩,桩长12 m,直径0.7 m,桩间距2 m。支撑采用双拼Φ609×16钢管,支撑轴线位于地表下1.5 m,支撑间距9.9 m,长度52 m。

按照现场实际建立有限元模型以方便与现场试验结果进行对比。模型尺寸取67.2 m×35 m,如图2所示。基坑开挖分两步,第一步开挖至地表以下1.5 m,然后在开挖面处施加对撑,第二步开挖至坑底。

图1　C型试验段剖面图(单位:mm)Fig.1　Cross sectional view of theC-type test section(Unit:mm)

图2　有限元计算模型图Fig.2　Finite element model

模型中土体采用剑桥本构模型,参数[9]见下表1所示。支撑、桩和水泥土墙采用弹性模型,其中支撑轴向刚度EA=1.49×106kN,长度为26.3 m;水泥土搅拌墙弹性模量取180 MPa,泊松比取0.3[10];混凝土灌注桩弹性模量取30 GPa,泊松比取0.2。混凝土灌注桩和水泥土搅拌桩之间的粘结力很大,接近水泥土自身的抗剪强度,因此模型中灌注桩和水泥土桩之间采用绑定约束,水泥土和土体之间采用摩擦约束[5,9],摩擦系数根据式(1)由土层内摩擦角和土层厚度求出。

表1土层参数

Table 1　Soil parameters

(1)

式中,μ——土体与复合式重力坝的摩擦系数;

φ′——平均内摩擦角;

φi——第i层土的内摩擦角;

hi——第i层土的土层厚度。

3有限元模型合理性分析

本文通过有限元分析结果与现场试验数据的对比,以验证有限元模型的合理性和准确性。主要对比以下变量:桩身水平变形、桩身弯矩。

3.1　桩身水平变形对比

开挖到坑底时,通过有限元分析得到的桩身最大水平位移为13.95 mm,现场监测值为14.56 mm(开挖结束后2周),二者对比如图3所示。由此可知,有限元模型和参数取值能较好地模拟桩身水平位移。

图3　灌注桩水平位移对比图Fig.3　Horizontal displacement of the pilecompared with field data

3.2　桩身弯矩对比

现场通过在内插钢筋钻孔桩-4.5~8.5 m范围内安装钢筋计来监测开挖过程中钢筋轴力的变化,可换算计算桩身弯矩,见图4,弯矩分布在85~120 kN·m之间。通过有限元模拟得到内插钻孔桩的弯矩如图5所示,相应位置(-4.5~8.5 m)处得弯矩为85~135 kN·m。弯矩监测值和有限元模拟值的吻合证明了有限元模型的合理性。

图4　桩身弯矩监测结果钢筋计换算值(单位:kN·m)Fig.4　Pile moment monitoring results convertedfrom reinforced meter (Unit:kN·m)

4变形特征

4.1与排桩支护对比

为了更详细地展现复合式重力坝围护与常规排桩围护的差异,将复合式重力坝支护与排桩支护在各工况下的结果进行了对比。所对比的排桩支护,桩直径0.6 m,间距0.8 m,桩长16 m,每延米抗弯刚度2.4×105kN·m2。在加撑前的第一步开挖工况下,复合式重力坝的位移远小于常规排桩的位移,参见图6(a),说明复合式重力坝对控制加撑前的初始位移相对要有效得多。就拆撑工况下的位移增量而言,复合式重力坝的位移增量约为排桩结构的一半,参见图6(b),说明复合式重力坝对控制拆撑位移非常有效,拆撑工况下的位移变化不大。复合式重力坝结构中的桩身轴力较大,而常规排桩结构中桩身轴力非常小,可忽略不计,参见图6(c)。复合式重力坝结构中的桩身弯矩要比排桩围护结构的弯矩小得多,参见图6(d)。

图5　桩身弯矩模拟值(单位:kN·m)Fig.5　Pile moment calculated by FEM (Unit:kN·m)

图6　复合式重力坝与排桩围护对比图Fig.6　Comparison between compositegravity retaining wall and row piles

4.2　与重力式支护对比

复合式重力坝与水泥土重力式围护墙两种围护形式下的水平位移对比如图7所示。重力式支护结构厚5.2 m,长15 m。由图可见,二者的变形规律迥异,水泥土重力坝结构的最大变形在围护结构顶部,而复合式重力坝结构的最大变形发生在坑底附近,且常规水泥土重力坝的变形38 mm远大于复合式重力坝结构的变形量14 mm。复合式重力坝与水泥土重力式围护墙的竖向应力分布对比如图8所示。由对比可知,复合式重力坝支护结构与水泥土重力式围护墙的受力性状完全不同,重力式水泥土墙为悬臂式,近坑侧水泥土受压,远坑侧水泥土受拉,而复合式重力坝支护结构远坑侧水泥土受压,近坑侧水泥土受拉。

图7　水泥土重力式围护墙Fig.7　Horizontal displacement of composite gravity wall

图8　水泥土重力式围护墙Fig.8　Stress on z direction of composite gravity wall

5单变量参数分析

在验证以上基准模型正确性的基础上,通过改变复合式重力坝支护结构的内插桩体间距、坝体宽度、支护结构高度、水泥土强度、支撑刚度等因素,研究复合式重力坝支护结构桩与水泥土空间作用分担的弯矩比例。

5.1　近坑侧钻孔桩间距影响分析

当内插钻孔桩间距为2 m时候,单根桩承担的弯矩仅为139 kN·m;当间距为4 m时,单根桩承担的弯矩为573 kN·m;当间距为6 m时,单根桩承担的弯矩为883 kN·m,桩分担的弯矩值随距离的变化如图9所示。

图9　不同桩间距下桩身弯矩的变化Fig.9　Correlations between pile momentwith pile spacing

5.2　坝体宽度影响分析

坝体宽度的不同也将影响桩身分担的弯矩值,如图10所示。坝体宽度由3.2 m变成2.2 m时,桩身弯矩急剧增加,空间效应得不到较好的发挥;而当坝体从3.2 m变成4.2 m时,桩身弯矩减少值不大,说明坝体宽度的增加对空间效应承担弯矩帮助不大,故3.2 m是较为合理的坝体宽度。

图10　不同坝体宽度下桩身弯矩的变化Fig.10　Correlations between pile momentand the width of the wall

5.3　支护结构高度影响分析

图11对比了不同支护结构高度时复合式重力坝支护结构(图中“组合结构”)和排桩支护结构(与复合式重力坝支护结构中桩径、桩间距等相同,图示“只有桩”)时混凝土桩身弯矩的变化,支护结构高度的变化基本不会对桩身弯矩值产生影响,即增加坝体高度对复合式重力坝支护结构空间效应的发挥帮助不大。坝体高度可由支护结构的抗倾覆和整体稳定性控制。

图11　不同支护结构高度下桩身弯矩的变化Fig.11　Correlations between pile momentand the length of the structure

5.4　土体与墙体摩擦系数影响分析

水泥土墙和周围土体设置摩擦接触,摩擦系数的变化对桩身弯矩的影响如图12所示。摩擦系数越小,桩所承担的弯矩值越大,空间效应越不能得到有效发挥。

图12　不同摩擦系数下桩身弯矩的变化Fig.12　Correlations between pile moment and thefriction coefficient of the interface

5.5　水泥土墙强度影响分析

水泥掺量不同将影响水泥土墙的强度,从而影响空间效应分担的弯矩值,如图13所示。坝体弹性模量从720 MPa变化到30 MPa,灌注桩受拉水泥土墙受压所分担的弯矩值逐步减小。

5.6　支撑刚度影响分析

由图14可知,当支撑刚度达到某一值(5×105kN)后,增加支撑刚度对空间效应的发挥影响不大。这也说明了坝体自重有效减少了对支撑的依赖,实际工程中可仅布置少量支撑,从而有利于挖土操作。

图13　不同墙体刚度时空间效应弯矩分担量Fig.13　Spatial effects moment changingwith wall stiffness variation

6结论

本文通过有限元分析研究了复合式重力坝支护结构的受力机理和变形规律,得到如下结论:

(1)复合式重力坝支护结构的变形情况既不同于常规排桩结构,也不同于常规重力式结构。相比排桩支护结构,复合式重力坝支护结构能更好地控制侧向变形,特别是第一阶段开挖和拆撑的增量变形。相比重力式挡墙,因复合式重力坝常设有内支撑,支护结构受力不同,最大变形位置不同。

(2)通过有限元参数分析,表明内插灌注桩弯矩主要受灌注桩间距、坝体宽度、水泥参量和坝体与周围土体接触性质的影响;支撑刚度、支护结构高度对其影响较小。

(3)复合式重力坝支护结构中除内插钻孔桩和水泥土自身抗弯性能承担一部分弯矩外,桩体受拉、坝体受压二者形成空间效应也能承担部分弯矩。

参考文献

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收稿日期：2015-11-13

*联系作者Email:yangmin@tongji.edu.cn