双排桩支护基坑在位移和转动方面的数值模拟研究_周玲娜.pdf

四 川 水 利双排桩支护基坑在位移和转动方面的数值模拟研究周玲娜（杭州市萧山区浦阳江流域管理中心，杭州，）【摘 要】双排桩支护的基坑工程中，双排桩的位移、转动模量和基坑及其周围岩土体的位移是否控制在工程允许的范围内对工程的顺利施工和质量保障有很大影响。对此文章结合一实际基坑工程，利用数值模拟对支护的位移和转动量进行研究，研究结果表明：（）前排桩的总位移明显大于后排桩，最大的总位移为 ，此位移不会对工程造成不良影响；（）前排桩和后排桩 方向和 方向的转动最大值为 ，此转动量是控制在工程允许的范围内；（）基坑及其周围岩土体的总位移最大值为 ，此位移值不超过，说明基坑的开挖从位移角度满足工程要求。以上的研究方法可为类似的双排桩支护工程提供参考。【关键词】双排桩 总位移 转动 中图分类号：文献标志码：文章编号：（）前言基坑工程在我国发展较快，对此学者们也进行了大量的研究。马昆泉等通过数值模拟评估了基坑开挖对周围隧道变形的影响，评估结果表明：隧道的水平位移最大不超过，可认为基坑开挖不会对邻近隧道产生不良影响；张航飞对基坑开挖对地铁隧道的影响进行了研究，研究结果表明：基坑开挖后，隧道的水平位移较竖向位移大；苏妮等通过基坑支护对下穿隧道的影响进行了研究，研究结果表明：地连墙对隧道位移的影响较大；蔡成渝对基坑岩土体的 和 本构模型进行了研究，研究结果表明：模型更适合基坑的开挖；刘佩冬对深基坑开挖变形模式进行了研究，研究结果表明：开挖基坑导致周围岩土体第三主应力的释放；马强对隧道基坑的开挖对邻近建筑物的影响进行了研究，研究结果表明：基坑开挖后远离基坑的一侧沉降最大。然而以上的研究均没有从排桩的位移、转动、基坑及其周围岩土体的位移角度出去开展研究，对此本文结合一实际基坑开挖工程，利用 对其进行研究。工程概况该基坑位于浙江省杭州市，基坑区域岩土体由上至下主要由风化土、风化岩和软岩组成，物理力学参数如表 所示，选择的研究区域长宽高为，基坑区域长宽高为，基坑分 次开挖，每次开挖，地下水位于平面以下 处，风化土、风化岩和软岩厚度分别为、和。排桩假定符合弹性模型，重度为 ，体积模量和剪切模量分别为 和 ，双排桩中心间距为，桩长为，经试算继续增加桩长对于基坑周围岩土体的位移和受力影响不大，因此可认为此桩长满足工程要求；混凝土强度为，重度为 ，体积模量和剪切模量分别为 和 。表 岩土体物理力学参数重度（）体积模量（）剪切模量（）粘聚力（）内摩擦角（）风化土 风化岩 软岩 周玲娜：双排桩支护基坑在位移和转动方面的数值模拟研究 数值模拟数值模拟的计算主要采用的是 模型，在这些本构模型中，摩尔库伦模型是边坡工程研究中最常用的岩土本构模型。摩尔库伦模型适用那些屈服于剪应力，第二主应力对屈服无影响，且剪应力仅与最大和最小主应力相关联的材料，较常见材料代表类型如混凝土和岩石等松散或胶结材料。摩尔库伦模型服从摩尔库伦屈服准则，该准则在三维空间中的表达式如式（）所示：（）（），（）摩尔库伦准则在主应力空间上可以表示为一个不规则六棱锥体，子午线为直线，在平面上是一个不等角的六边形。若将式（）用不变量、和洛德角 表示，则有新表达式如式（）所示：（，）（）式中，为总应力张量的第一不变量，和 分别为偏应力张量的第二、第三不变量，为洛德角。（）（）（）（）（），（），（），（）（）（）式中，为偏应力，为平均应力。摩尔库伦本构模型所需的强度参数简单明确且易获取，其非线性分析结果准确度高，可以很好地表示岩土材料的拉压不等特性，是数值模拟中最常用的本构模型。基坑开挖后位移和排桩的受力前排桩和后排桩的位移如图 所示。（）前排桩总体位移（单位：）（）后排桩总位移（单位：）图 排桩位移如图（）所示，前排桩总体位移最大为，位于桩顶处，最小位移为 ，位移呈现从上至下逐渐减小的趋势。导致位移变化的原因是前排桩为刚性桩，位移呈现线性变化，所以桩底位移小，桩顶位移大。前排桩的位移呈现的趋势一致，最大位移也不超过，由此可知，前排桩的位移是控制在工程允许的范围内的。如图（）所示，后排桩总体位移最大为，位于桩顶处，最小位移为 ，位移呈现从上至下逐渐减小的趋势。导致位移变化的原因同样是后排桩为刚性桩，位移也呈现线性变化，所以桩底位移小，桩顶位移大。后排桩的位移呈现的趋势一致，最大位移也不超过，由此可知，后排桩的位移也是控制在工程允许的范围内的。由图 可知，前后排桩的位移均在桩顶处大，桩底处小，位移呈现线性变化，一定程度上也可以说明排桩处于弹性变形阶段。后排桩的位移明显小于前排桩，因为基坑的开挖首先对前排桩产生扰动，其次再对后排桩产生次级扰动，由此可知后排桩的位移要小于前排桩，所有的位移均控制在工程允许的范围内。四 川 水 利（）方向的转动（单位：）（）方向的转动（单位：）图 排桩的转动（单位：）由图（）后排桩和前排桩的 方向最大转动分别为 和 ，由此可知排桩的转动应当考虑的是前排桩的转动，而不是将重点防护设立在后排桩。前后排桩 方向的转动均不超过 ，说明前后排桩的转动控制在工程允许的范围内。由图（）后排桩和前排桩的 方向最大转动分别为 和 ，由此可知排桩的转动应当考虑的是前排桩的转动，而不是将重点防护设立在后排桩。前后排桩 方向的转动均不超过 ，说明前后排桩的转动控制在工程允许的范围内。由图 可知，前后排桩 方向的转动明显大于 方向的转动，此现象与基坑开挖的次序相关，由此可知此基坑支护时重点关注的是前后排桩 方向的转动，而非 方向的转动。以上 和 方向的转动远小于 ，说明了前后排桩的转动均控制在合理的范围内，不会对基坑造成隐患。（）基坑开挖后的竖向位移（单位：）（）基坑开挖后的总位移（单位：）（）基坑开挖后的竖向位移（单位：）图 基坑开挖后的位移由图（）可知，基坑开挖后的竖向位移主要集中在坑底处，最大的位移为 ，超过 的岩土体约占整个基坑岩土体的，绝大多数的竖向位移不超过，按照基坑开挖的要求，最大 的 位 移 不 超 过，以 上 位 移 远 小 于，说明了基坑的开挖从竖向位移方面分析是满足工程要求的。由图（）可知，基坑开挖后的竖向位移主要集中在坑底处，最大的位移为 ，超过 的岩土体约占整个基坑岩土体的，绝大多数的总位移不超过，按照基坑开挖的要求，最大的位移不超过，以上位移远小于，说明了基坑的开挖从总位移方面是满足工程要求的。基坑的竖向位移是工程关注的重点，为了进一步探究基坑的竖向位移，选择基坑中间截面进行截图如图（）所示，基坑的竖向位移最大，最周玲娜：双排桩支护基坑在位移和转动方面的数值模拟研究 大位移为 ，基坑开挖两侧会发生不超过 的竖向位移，以上位移同样不超过，说明基坑的开挖从竖向位移方面是满足工程要求的。由图 可知，基坑开挖后的竖向位移和总位移均不超过，说明基坑开挖在位移控制方面是满足工程要求的。由基坑开挖的竖向位移接近于总位移可知，基坑的位移主要是竖向位移，基坑位移防护的重点也是竖向位移。结论本文结合一实际基坑开挖工程，从基坑及其周围岩土体的位移，前排桩和后排桩的位移和转动模量进行研究，研究结果表明：（）前排桩的总位移明显大于后排桩，最大的总位移为 ，此位移远小于基坑支护的位移极限值，同时前后排桩的位移呈现从上至下逐渐减小的趋势，可知前后排桩属于刚性支撑，且处于弹性变形阶段。（）前排桩和后排桩 方向和 方向的转动最大值分别为 和 ，说明排桩转动方向应当重点关注的是 方向的转动，以上转动的数值均不超过排桩材料的极限状态，可知排桩的转动控制在合理的范围内。（）基坑及其周围岩土体的总位移最大值为，竖向位移最大值为 ，说明基坑主要的位移为竖向位移，以上的位移值均不超过，说明基坑的开挖从位移角度是满足工程要求的。参 考 文 献马昆泉，闫腾飞基坑开挖对既有地铁隧道影响数值研究廊坊师范学院学报（自然科学版），（）：张航飞基坑开挖与紧邻地铁隧道相互影响研究科技通报，（）：苏 妮，曹广勇深基坑开挖支护结构对下穿既有隧道的影响洛阳理工学院学报（自然科学版），（）：蔡成渝 与 模型在深基坑开挖数值模拟中的适用性分析铁道建筑技术，（）：，刘佩冬城市道路基坑开挖对临近地铁隧道影响研究粘接，（）：马 强隧道基坑开挖对邻近建筑物影响分析交通节能与环保，（）：作者简介：周玲娜（）女，汉，浙江诸暨人，大学本科，工程师，研究方向：水利水电工程。（上接第 页）时开启相应的泄水闸。突发事件点下游节制闸根据实际需要关闭。控制过程应尽量避免水位的降速过大，导致冰盖破裂或引起衬砌板滑坡。立即安排抢险队伍及物资装备到冰塞位置进行破冰除冰，及时消除冰塞险情。结语极端寒潮下的明渠冰期输水要密切关注天气、气温和冰期变化情况，研究冰期输水的特点和规律，制定周密详细的调度运行方案和应急预案，加强全线冰情监测，实行统一调度运行管理，严格执行调度运行指令。严格控制渠道水位的变幅、流速在一定的范围内，抓好关键部位和薄弱环节的管理措施，并根据渠段不同冰情情况，采取相应的除冰措施。强化教育培训，提升值班运行人员业务水平。通过胶东调水工程烟台段采取相应的措施和运行控制方法，充分发挥渠道的输水能力，避免冰害的形成，对提高冰期输水控制的科学性、合理性，保障冰期输水工程安全具有重要作用。总结冰期运行规律和工作经验，为以后的冰期运行提供一定的借鉴和参考。参 考 文 献吕明道胶东调水工程烟台段冰期输水探讨建筑工程技术与设计，（）：黄国兵，苏利军，段文刚，等中小型引调水工程简明技术指南北京：中国水利水电出版社，穆祥鹏，陈文学，崔 巍，等南水北调中线干渠冰期输水能力研究南水北调与水利科技，（）：周 梦，练继建，程 曦，等南水北调中线总干渠冰期运行调度措施研究人民长江，（）：作者简介：吕明道（），男，汉，山东龙口人，大学本科，工程师，从事水利工程管理工作。