排桩-斜撑基坑组合支护结构的受力变形特性_苏于水.pdf

：排桩 斜撑基坑组合支护结构的受力变形特性收稿日期：基金项目：山东省自然科学基金（）作者简介：苏于水（），男，高级工程师，从事公路工程施工技术管理工作苏于水，吴夫青，李庆洲，李小强，齐 睿（兰陵县交通运输局工程处，山东 兰陵；民航机场智能建造与工业化工程技术研究中心，天津；民航机场建设工程有限公司，天津；山东科技大学土木工程与建筑学院，山东 青岛）摘 要：在地震荷以珍珠泉大厦工程为例，首先，利用 建立数值模型，在“排桩 斜撑”基坑组合支护结构下对基坑进行分步开挖，并对组合支护结构的桩顶位移、桩身侧移、桩身弯矩及基坑周围土体变形进行了监测和数值结果分析。然后，为更深入地验证“排桩 斜撑”基坑组合支护结构的有效性，将“排桩 斜撑”基坑组合支护结构同悬臂桩支护结构进行了对比研究。研究表明，“排桩 斜撑”基坑组合支护结构作用下，基坑土体水平位移等值线基本呈圆弧形，土体位移最大处发生在基坑边缘，并且向远处不断减小，支护桩的桩顶水平位移、桩身侧移与基坑开挖深度呈正相关，且较传统的悬臂桩支护结构在受力方面更加合理，可有效减小基坑周围土体位移、支护桩的桩顶水平位移、桩身侧移及弯矩，可有效避免支护桩在桩身弯矩峰值处发生折断，使基坑支护稳定性得到进一步的提高。关键词：排桩 斜撑组合支护结构；受力特性；变形特性中图分类号：文献标识码：文章编号：（）引言目前，国家经济迅速发展，城镇化速度不断加快，土地资源需要被充分利用，深基坑工程在城市规划建设中的应用前景十分广泛。目前，我国深基坑工程支护形式的发展方向和研究热点由单一形式的支护转变为单一形式组成的多重复合支护结构。近年来，国内外专家学者致力于研究“排桩 斜撑”组合支护结构。刘楷研究了一种新型排桩与斜支撑支护的应用，监测基坑施工过程中该支护体系的受力变形规律。研究表明，桩顶梁与斜支撑能有效限制桩身变形，且一定程度上保证了基坑支护工程的安全经济。朱碧堂等利用数值分析研究了超前斜撑的力学特性，并基于弹性支点法对超前斜撑排桩支护进行设计计算，为该支护结构的工程应用完善理论基础。辜飘云考虑了排桩、斜撑、支撑桩三者间的协同作用，并通过理论计算研究表明单排桩与斜撑组合支护结构的优越性。邓祖保等 分析了实际施工过程中遇到的问题，并提出了具体的解决措施，通过研究表明，在基坑支护工程中，斜支撑结构具有安全、方便、经济等优点。作为一种新型组合支护结构形式，较其他支护方式，“排桩 斜撑”基坑组合支护结构的支护效果较好，对其在水平荷载作用下的受力变形特性进行深入研究具有重要意义。以珍珠泉大厦工程为例，利用 建立数值模型，在“排桩 斜撑”基坑组合支护结构下，对基坑进行分步开挖，并实时监测组合支护结构的桩顶位移、桩身侧移、桩身弯矩及基坑周围土体变形，进行数值结果分析。然后，为更深入地验证“排桩 斜撑”基坑组合支护结构的有效性，将其同悬臂桩支护结构进行了对比研究。数值计算模型的建立 工程概况珍珠泉大厦位于济南市珍珠泉南侧，由主楼和裙楼两部分组成，为框架结构，主楼共 层，建筑高度为，裙楼共 层，总建筑面积为 。主楼地下 层，裙楼地下 层，地基基础均为筏板基础。基坑开挖的最大深度为 ，该工程南侧 为泉城路，西侧邻近某 层住宅楼，基坑到建筑物外墙的最远距离为 ，且在该住宅楼北侧 处有一平房。基坑设计使用年限为 ，设计重要性安全等级为一级。由于基坑位于市中心地段，地质条件复杂，且为开挖面积较大的深基坑，受周围环境影响较大，而基坑的沉降与位移量要求比较严格，基坑支护难度较大。工程概况图如图 所示。图 1工程概况图院前街泉城路76 7001 157 80075 2002 2住宅楼单位：mm 土体模型的建立土体是一种非均质的复合体，力学行为相对复杂，在外力作用下，弹性变形和塑性变形往往同时产生，且塑性变形不可恢复。基于土体复杂的力学特性，将其视为 第 卷 第 期 年 月 山西建筑 弹塑性体。摩尔 库仑模型在岩土体本构模型中被广泛运用，且该模型的参数容易确定，故采用摩尔 库仑模型建立土体模型，各土层物理力学参数列于表。表 土层主要物理力学指标土层名称重度（）黏聚力 内摩擦角（）弹性模量 泊松比体积模量 切变模量 初始密度（）杂填土 冲洪砂质黏土 淤泥质黏土 黏土 残积砂质黏土 土体模型采用 节点六面体单元，模型尺寸为 。基于本基坑的对称性，取其 建立数值模型展开分析。坐标原点于模型左下角，为保证模拟效果，模型范围取至基坑开挖边线以外基坑开挖深度的 倍 倍处。采用有限差分法进行计算，对网格生成有如下要求：）生成网格以四边形为主，尽量避免采用三角形单元；）网格各边长度不宜相差较大，否则会影响收敛速度。为进一步提高模拟的精确性，利用 命令提高基坑开挖附近网格划分的密度。模型共生成单元（）个，节点（）个。土体网格模型如图 所示。杂填土冲洪砂质黏土淤泥质黏土黏土残积砂质黏土图 2土体网格模型图“排桩 斜撑”基坑组合支护结构模型的建立“排桩 斜撑”基坑组合支护结构有三部分，包含支护排桩、腰梁及斜撑，利用 内置的不同结构单元来分别建立，并将各部分进行连接来共同受力。中，对桩的模拟可以采用以下两种方法：）采用实体单元（）；）采用软件内部提供的二维线型结构单元 桩单元（）。本模型桩体数量较多时，故采用桩单元建模，更容易得到桩身内力。通过材料参数、耦合弹簧参数、集合参数定义桩单元（）模型。模型的参数取值：采用单排桩支护，开挖平均深度为 ，桩的嵌固深度，桩间距，桩径，桩长，共 根桩，支护桩的布置如图 所示。Z2Z1256293865图 3支护桩布置示意图单位：m 改变几何、材料参数定义梁结构单元用来模拟腰梁与斜撑。模型的梁构件材料设置为无屈服的线弹性材料，各向同性，在构件间引进塑性铰链模拟塑性变形。梁结构为对称截面。腰梁与斜撑采用相同的结构单元与同样的单元参数，如表 所示。表 腰梁及斜撑单元参数名称弹性模量 泊松比横截面积 极惯性矩 轴惯性矩 轴惯性矩腰梁、斜撑 梁的主要作用：将各个支护桩连接，使其成为一个整体，共同受力。当基坑开挖至第 时，在第 处加入腰梁。斜撑在基坑开挖至坑底第 时加入，间距 ，上端与腰梁相连，下端与筏板基础相连，具体布置方式如图 所示。图 4腰梁及斜撑模型图在 中，有两种类型，即：节点 实体单元、节点 节点。模型采用节点 节点连接的方式。节点连接如图 所示。4874270549457894670480850740图 5节点连接图 数值分析模型的计算过程模型的数值计算分为三步：）建立自由场地模型模拟开挖前，使地面在静力作用下完成固结沉降；）建立“排桩 斜撑”基坑组合支护结构模型，包括支护桩、腰梁、斜撑等结构，使模型在静力作用下达到平衡，进行开挖，模拟施工过程；）监测开挖过程的变量，获取相关数据。完成初始平衡后，归零位移值，并在基坑开挖的周边布置支护桩。当支护桩布置完成之后，再继续开挖基坑。采用盆式开挖的方式对基坑开挖，使模拟的开挖过程与工程的实际情况更加符合。基坑盆式开挖示意图如图 所示。开挖设计工况如下：工况：初始平衡，位移清零，布置支护桩；工况：开挖至 ；工况：开挖至 ；工况：开挖至 ；工况：开挖 中间部分土体，在基第 卷 第 期 年 月 山西建筑 5 0003 0006 0009 000斜撑预留土体30桩图 6基坑盆式开挖模型图 m单位：mm坑第 处施工腰梁、斜撑；工况：开挖预留部分土体。该过程应实时监测图 中 号测桩的桩身侧移、桩顶水平位移、土体位移及桩身弯矩。确定开挖方式及开挖步骤以后，利用 对基坑进行分步开挖，基坑分布开挖图如图 所示。FLAC3D3.00Step 1465 Model Perspective21:44:29 Mon Mar 26 2018Center:X:3.250e+001Y:2.800e+001Z:1.800e+001Dist 2.107e+002RotationX:10.000Y:0.000Z:36.000Mag:1Ang:22.500Block GroupttyntntcjthgyFLAC3D3.00Step 1465 Model Perspective09:58:28 Mon Mar 02 2018Center:X:3.250e+001Y:2.800e+001Z:1.800e+001Dist 2.194e+002RotationX:10.000Y:0.000Z:30.000Mag:1Ang:22.500Block Groupttyntntcjthgy图 7基坑分步开挖模拟图 数值计算结果分析 桩顶水平位移分析分步开挖基坑，实时监测开挖深度不同下桩顶的水平位移，研究随基坑开挖，支护桩桩顶水平位移的变化规律。模拟得到 桩顶水平位移在随基坑开挖的变化曲线如图 所示。181614121086420桩顶位移/mm 246810开挖深度/m图 8基坑不同开挖深度下 Z1 桩顶位移变化曲线如图 所示，支护桩桩顶水平位移随基坑开挖逐渐增大。起初，开挖较浅，支护桩桩顶水平位移不到 。随基坑开挖深度不断增加，桩顶水平位移量越来越大。原因在于，随着基坑开挖的不断深入，在被动区土体内部发生了塑性变形，桩后土体失去了基坑内部土体约束，变形得以释放，随基坑深度增加，作用于支护排桩上的主动土压力不断增大，支护桩的桩顶位移不断增大。基坑开挖前 ，支护桩桩顶水平位移变化曲线的斜率增大，表示支护桩桩顶水平移动速率随基坑开挖逐渐增加，由此可见，随基坑的不断开挖，土体的主动土压力值增速也在不断变大。但当基坑开挖至 以后，随着基坑的继续开挖，支护桩桩顶水平位移增量逐渐减少，而且增加速率也降低了。原因在于当基坑开挖至 以下时，在支护结构中增加了腰梁与斜撑，此时基坑的支护结构由单一的排桩支护变为了“排桩 斜撑”组合支护结构。在土压力的作用下，排桩与斜撑有相互作用关系，所以斜撑的作用限制了桩顶水平位移的增加。桩身侧向位移分析在支护桩上布置监测点，探讨支护桩桩身侧移在基坑开挖过程中的变化规律，每根桩设置 个监测节点。在基坑开挖过程中，监测桩体的各个节点。所得到的 的桩身侧移变化在基坑不同开挖深度下的曲线如图 所示。0-2-4-6-8-10-12-14-16-18-205101520深度/m桩身侧移/mm开挖 2 m开挖 4 m开挖 6 m开挖 9 m图 9不同开挖深度下 Z1 桩身侧移变化曲线从图 可以看出，支护桩的侧向变形随基坑开挖深度的增加而增大，且不同桩深位置处的桩身侧移增加量随着深度的增加也有所不同，桩上部的侧移明显大于桩下部。整体来看，基坑开挖深度小于 时，在不同深度处支护桩的侧移值差距不大，且变化规律基本一致。但当开挖至 时，随深度增加，支护桩上的土压力值有较大增加，因此支护桩的侧移整体出现较大的增加；随着深度的继续增加，桩身侧移量逐渐减小，当达到 时，侧移减小速率基本保持恒定。桩径为 ，桩体有较强的抗弯能力，刚度较大，使得支护桩桩身的弯矩变化曲线整体平缓。基坑开挖至 时，支护桩的悬臂长度进一步加大，支护桩应该有更大的侧移量，但由于斜撑对支护桩起到了较强的支护作用，支护桩侧移量并未增加很多。当开挖预留土体时，支护桩向基坑内部产生侧移，斜撑发挥作用，斜撑会对支护桩产生一个反向作用力来防止支护桩的变形，与支护桩共同作用，使得支护桩侧移增量不会随基坑开挖深度的增加而过大。桩身弯矩分析为了防止因桩身弯矩在基坑开挖过程中过大，支护桩发生折断，研究支护桩桩身弯矩在基坑开挖过程中的变化规律，所得到 的桩身弯矩在不同基坑开挖深度下的变化曲线如图 所示。从图 中可见，桩身弯矩在不同开挖深度下均从零开始，原因在于桩顶属于自由端，没有约束；当基坑开挖 第 卷 第 期 年 月 苏于水等：排桩 斜撑基坑组合支护结构的受力变形特性-2-4-6-8-10-12-14-16-18-20-800-4000400桩身弯矩/（kN m）深度/m开挖 2 m开挖 4 m开挖 6 m开挖 9 m图 10不同开挖深度下 Z1 桩身弯矩变化曲线深度未超过 时，开挖深度增加，基坑主动土压力也随之增加，引起支护桩弯矩值整体变大。基坑开挖深度增大，桩体悬臂长度也在不断增加，说明支