富水粉土基坑装配式可回收支护开挖响应分析_王锐松.pdf

第 44 卷第 3 期 岩 土 力 学 Vol.44 No.3 2023 年 3 月 Rock and Soil Mechanics Mar.2023 收稿日期：2022-04-17 录用日期：2022-08-01 基金项目：国家自然科学基金青年基金资助项目（No.52008408）；国家重点研发计划（No.2021YFC3100800，No.2021YFC3100803）。This work is supported by the National Natural Science Foundation for Young Scientists of China(52008408)and the National Key Research and Development Program of China(2021YFC3100800,2021YFC3100803).第一作者简介：王锐松，男，1993 年生，博士研究生，主要从事地下空间开发以及基础设施运维的科研工作。E-mail: 通讯作者：郭成超，男，1973 年生，博士，副教授，主要从事工程基础设施安全防护理论与技术研究。E-mail: DOI：10.16285/j.rsm.2022.0534 富水粉土富水粉土基坑基坑装配式可回收支护装配式可回收支护开挖响应分析开挖响应分析 王锐松1,2,3，郭成超1,2,3,4，林沛元1,2,3，王复明1,2,3,4（1.中山大学 土木工程学院，广东 广州 510275；2.南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海），广东 珠海 519080；3.广东省地下空间开发工程技术研究中心，广东 广州 510275；4.南方工程检测修复技术研究院，广东 惠州 516000）摘摘 要：要：装配式可回收支护结构为地下空间开发提供了一种经济安全、功能协同、可持续发展的新型绿色支护体系。以郑州市某顶管工作井基坑为背景，基于相似比理论开展了缩尺基坑模型试验，并采用 ABAQUS 建立能够区分支护系统中刚性构件与柔性构件变形差异的三维流固耦合模型，研究降水开挖过程中支护结构受力和变形特性，分析了降水和开挖对基坑变形发展的影响规律。研究表明：降水开挖过程中，支护结构受力及变形整体均小于设计值，但是钢面板在与支撑连接的位置易出现局部屈服现象；支护结构水平位移增量模式随降水施工和开挖施工的情况不同而差异较大，随着基坑降水开挖的进行，影响支护结构变形的主要因素由基坑降水逐渐向基坑开挖转变；基坑降水对地表沉降的影响较基坑开挖更大，第 1 级降水期间地表沉降快速增长，沉降增量占比最大达 44.6%。关关 键键 词：词：装配式可回收支护；基坑开挖；基坑降水；模型试验；有限元分析 中图分类号：中图分类号：TU476+.9 文献标识码：文献标识码：A 文章编号：文章编号：10007598(2023)03084311 Excavation response analysis of prefabricated recyclable support structure for water-rich silt foundation pit WANG Rui-song1,2,3,GUO Cheng-chao1,2,3,4,LIN Pei-yuan1,2,3,WANG Fu-ming1,2,3,4(1.School of Civil Engineering,Sun Yat-Sen University,Guangzhou,Guangdong 510275,China;2.Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory(Zhuhai),Zhuhai,Guangdong 510275,China;3.Guangdong research center for underground space exploitation technology,Guangzhou,Guangdong 510275,China;4.Southern Institute of Infrastructure Testing and Rehabilitation Technology,Huizhou,Guangdong 516000,China)Abstract:The prefabricated recyclable support structure provides a new green support system with economic security,functional coordination and sustainable development for the development of underground space.The physical model test of the foundation pit of a pipe-jacking working well in Zhengzhou city is carried out based on the similarity theory.A three-dimensional fluid-solid coupling model that can differentiate the deformation difference between rigid and flexible members in the support system is established by using the ABAQUS software.The stress and deformation characteristics of supporting structure in the process of dewatering and excavation are analyzed.The influences of dewatering and excavation on the deformation characteristics of foundation pit are also studied.Results show that in the processes of dewatering and excavation,both the stress and deformation of the main supporting structural members are all less than those of the design values,but the steel panels are prone to local yield at the position connected with the waist beams.The increment mode of horizontal displacement of retaining pile varies greatly with the processes of dewatering and excavation.With the progress of the dewatering and excavation of the foundation pit,the deformation of the supporting structure is less affected by dewatering,and the main factor affecting the deformation of the supporting structure is gradually changing from foundation pit dewatering to foundation pit excavation.The influence of foundation pit dewatering on the surface settlement is greater than that of foundation pit excavation.The surface settlement increases rapidly during the first level of dewatering,with the maximum settlement increment accounting for 44.6%.Keywords:prefabricated recyclable support structure;foundation pit excavation;foundation pit dewatering;physical model test;finite element analysis 844 岩 土 力 学 2023 年 1 引 言 基坑工程中，支护结构不仅需要保证稳定性和安全性，同时，还需要满足城乡地区空间需求少、工期短、环境污染少、回收率高的要求。因此，环保节能的设计和施工技术已成为未来基坑工程和地下工程发展的一个重要方向1。在综合考虑经济安全、功能协同、可持续发展等的基础上，王复明团队2研发了一种刚柔复合防渗装配式可回收支护体系，该支护系统的提出有效解决了传统支护结构体系存在的诸如：造价较高、回收保证率低、可重复利用率低、防水性能不强、施工控制要求较高等问题，为地下空间的开发提供了一种绿色的支护结构。该支护系统中主要结构组成及功能如下：钢骨架：主要承载构件，加工性能好，力学性能稳定。柔性面板：分散水土压力，协调钢骨架整体受力。高聚物注浆层：快速形成柔性封闭防渗体，封堵渗漏。目前，该支护系统已成功应用于华北地区多个案例工程3-6，并且证明其支护性能较好，但是，上述工程基坑开挖过程中并未涉及地下水的影响。据统计显示，华北地区多数地下水位均位于地表以下15 m 深度处，在该地区进行装配式可回收基坑施工，不可避免会涉及地下水处理的问题。工程实践表明，在基坑开挖过程中地下水处理不当不仅会引发工程事故、延长施工周期、增加施工成本，还会对社会造成巨大的经济损失和负面影响7。因此，开展富水粉土基坑装配式可回收支护开挖响应分析具有重要的工程意义。图 1 所示为装配式可回收支护系统在富水地区施工工艺。图图 1 装配式可回收支护结构施工流程装配式可回收支护结构施工流程 Fig.1 Construction procedures for the retaining system 针对基坑降水和开挖条件下支护结构和周边土体变形破坏机制，通过开展模型试验8-10，可以直观地了解地下岩土工程的破坏过程，揭示结构的物理力学行为和变形发展趋势；运用数值模拟方 法11-14可分析结构的稳定性问题、损伤问题、结构性能预测和多场耦合问题等。如基于 Biot 固结理论的有限元法（finite element method，简称 FEM）就可以很好地模拟复杂的边界条件以及基坑应力状态与地下水渗流特性之间的耦合效应。本文以郑州市某顶管工作井基坑为背景，基于相似比理论，开展了基坑降水开挖缩尺模型试验，并采用 ABAQUS有限元软件建立考虑基坑分级降水开挖全过程的三维流固耦合模型。特别地，考虑装配式可回收支护结构预制装配式的施作特点2，在降水开挖过程中进行了止水帷幕隔水设计，并建立能够准确反映支护结构中刚性构件与柔性构件的变形差异的装配式可回收支护三维仿真模型，研究降水开挖对基坑变形发展的影响规律和不利因素，将计算结果与实测数据进行对比，验证了仿真模型的准确性；并基于该三维有限元仿真模型，进一步分析了支护系统主要构件在不同降水开挖阶段的受力和变形特性，以及土体沉降和变形机制。本文研究结果为该类型装配式可回收支护系统在富水地区的使用、优化设计和维护提供了参考。(4)(5)(6)(3)(2)(1)(7)(8)(9)(12)(11)(10)高聚物注浆 腰梁 钢面板 降水井（1）水泥土搅拌墙止水帷幕及泥