不同基坑围护结构与支撑结构组合的土体位移分析 [PDF全文]
(浙江科技大学 土木与建筑工程学院,杭州 310023)
【目的】为了解型钢支撑结构及混凝土支撑结构与不同类型围护墙体系的适配性,采用数值模拟方法对其进行研究。【方法】选择有限元软件来分析型钢支撑结构及混凝土支撑结构与不同围护桩体系组合情况下,基坑周边土体的变形情况及其变化规律。【结果】当3种实际工程常用围护结构均采用相同支撑材料时,钻孔灌注桩对基坑周边土体的竖向位移控制效果最佳,等厚度水泥土搅拌桩(trench cutting re-mixing deep wall,TRD)工法桩次之。采用不同支撑材料时,钻孔灌注桩组合型钢支撑对基坑周边土体的竖向位移控制效果最佳,其次分别是型钢水泥土搅拌桩(soil mixed wall,SMW)工法桩、TRD工法桩两种型钢内插式围护结构组合混凝土支撑。钻孔灌注桩更适合组合型钢支撑,SMW工法桩和TRD工法桩更适合组合混凝土支撑; 不同的组合支护形式下,整体的水平位移曲线与竖向位移曲线分布趋势都主要取决于围护结构的选用,而支撑则是在位移曲线走向的基础上对组合支护基坑的周边土体位移控制效果产生影响。【结论】本研究结果可为软土地基下基坑工程的组合支护选型提供理论参考。
Analysis of soil displacement of different foundation pit retaining structures combined with support structures
XIA Jianzhong, WU Yanwei
(School of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, Zhejiang, China)
[Objective] In order to understand the adaptability of steel internal support structures, concrete internal support structures, and different types of retaining wall systems, the numerical simulation method was employed to study them. [Method] The finite element software was selected to analyze the deformation and variation patterns of the surrounding soil of the foundation pit under different combinations of steel internal support structures and concrete internal support structures with different retaining pile systems. [Result] When the same support material is used for the three commonly used retaining structures in practical engineering, the vertical displacement control effect of the bored pile on the surrounding soil is the optimal, followed by the trench cutting re-mixing deep wall(TRD)construction method pile. When different supporting materials are used, the combinaed steel support of drilled cast-in-place pile and steel support has a better vertical displacement control effect on the surrounding soil of the foundation pit, followed by the combinaed steel support of retaining structures of steel reinforced cement soil mixed wall(SMW)construction method pile and TRD construction method pile. Drilled cast-in-place pile is more suitable for combined steel support, while SMW and TRD piles are more suitable for combined concrete support; under different combinations of support forms, the overall distribution trend of horizontal displacement curve and vertical displacement curve mainly depends on the selection of retaining structures, while the support affects the overall displacement control effect of the surrounding soil of foundation pit with combined support based on the trend of the displacement curve. [Conclusion] The results of this study can provide theoretical reference for the selection of combined support for the foundation pit under soft soil foundation in practical engineering.
引言

近年来,新的基坑支护结构形式和施工技术不断出现。伴随着新技术的普及,单一支护形式的缺点也逐渐显露,如抗侧向位移能力弱、止水效果较为一般等。对此,出现了两种解决思路:一种是开发新型支护结构,另一种则是从实际工程经验中发掘出可靠的支护优化方案,通过优化组合支护形式来解决问题。当前基坑实际工程中应用比较广泛的支护内支撑结构有型钢结构和混凝土结构等,而应用较广泛的围护桩体系则有钻孔灌注桩、型钢水泥土搅拌桩(soil mixed wall,SMW)工法桩、等厚度水泥土搅拌桩(trench cutting re-mixing deep wall,TRD)工法桩等。

现有基坑工程研究中,有研究者通过有限元软件实现了对基坑组合支护工程中的位移影响预测。梁发云等[1]通过Abaqus软件模拟得出基坑开挖过程中挡墙的最大水平位移出现在开挖面附近。房建伟[2]对SMW工法与TRD工法建立基于残余应力理论的基坑开挖支护有限元模型,提出了两种型钢内插围护结构有效厚度参数选取逻辑。师欢欢等[3]利用Abaqus软件对苏州地区某基坑工程建立了三维有限元模型,通过对比组合支护结构内力和位移的计算值与实测值,验证了软件算支护结构及围护结构计的可靠性。陈康[4]依托杭州某基坑工程,利用有限元软件模拟分析了基坑开挖对围护结构水平位移、周边地表沉降及邻近建筑物变形的影响,并验证了数值模拟位移结构的可靠性。许钟颖[5]以浙江大学校友总部基坑群、绍兴综合体基坑群两个软土地区基坑工程作为研究对象,通过现场实测、理论分析、数值模拟计算的方法,推导出了软土地区相邻基坑开挖的相互影响范围与相关规律。竹相[6]通过Abaqus软件建立TRD工法桩工程实例,发现了不同水泥浆液的配比和不同TRD施工距离下基坑周边土体沉降与水平位移的变化情况。Cui等[7]使用有限元软件推导出基坑地表沉降规律并通过基底隆起预测了型钢支护后基坑表面出现最大沉降的具体位置,证明了有限元软件能够预测型钢支撑组合支护的最大竖向位移点。

也有研究者对基坑组合支护中部分结构的参数选取及等效计算方法进行了探讨。Lei等[8]基于钢圈等效假设和平面截面假设,针对深基坑型钢支护情况下部分切除圆形桩正截面抗弯强度,采用平分法推导理论验证了等截面梁法估算截面整体刚度的可靠性。华小龙[9]分析了某深基坑施工中TRD工法和装配式预应力钢新型组合支撑结构,证明了组合支撑的可靠性。赏根荣等[10]从支撑架的选型、布置原则、设计计算、支撑架的节点形式设计和抵抗水平荷载措施这5个方面进行探讨,指出钢结构施工过程中支撑设计需考虑荷载、边界条件、刚度强度控制。李瑛等[11]通过对杭州、宁波等软土地区条件下钢管支撑和型钢支撑两种内支撑刚度的计算,并与实际场地监测值对比,得出实际的支撑刚度应远小于理论计算值。刘一凡[12]通过对软土地区的基坑抗隆起稳定性理论的验算推导,得出坑底隆起量是基坑整体稳定性的重要评判标准,并证明了基坑宽度与坑底的隆起量在一定范围内呈正相关。Xu[13]采用无线倾斜振动传感器对地下工程中基坑支护和深基坑支护的水平位移监测进行了探讨,得出基坑宽度和开挖方式是影响钢支撑内力和稳定性的主要因素,且随着基坑的分层开挖,支护结构的变形也具有明显的分段特征。

上述研究主要集中于组合支护结构的应用及其本身特性的分析,而对不同组合支护形式对基坑周边土体影响的研究较少。软土因自身含水量高、强度低、压缩性高、渗透系数低、变形稳定历时较长等特点而较适合采用有限元软件进行数值模拟分析[14]。随着长三角地区城市软土地基下深基坑工程的建设频率逐步加快,软土地区下基坑支护工程的选型种类越加丰富[15]。因此,本研究针对软土地区的基坑支护工程,运用Abaqus有限元软件来计算与分析几种常用组合支护形式基坑周边土体的变形情况,以综合比较并优选适用的组合支护形式。

1 模型介绍1.1 基坑模型尺寸

本研究采用有限元软件Abaqus模拟在软土地基条件下的理想基坑模型,其中基坑模型应用不同的围护桩体系和不同支护体系相互排列组合,控制在相同基坑尺寸、相同地层条件及接近造价情况下,对不同组合支护体系的周边土体位移进行比较分析。围护桩与支撑结构采用各向同性的线弹性模型,周边土体采用各向同性的莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)模型。

图1 基坑模型例图<br/>Fig.1 Sample diagram of foundation pit model

图1 基坑模型例图
Fig.1 Sample diagram of foundation pit model

将钻孔灌注桩、SMW工法桩、TRD工法桩3种围护结构与型钢支撑、混凝土支撑两种内支撑结构相互排列组合,并在Abaqus软件的网格处理模块中对基坑范围内受影响的周边土体和组合支护结构进行加密网格处理,以提高数值模拟的可视化精密度与处理结果的准确性。

有限元模型参数设计如下:基坑模型整体尺寸为50 m×50 m×10 m,根据圣维南(Saint Venant)原理,基坑模型的受影响土体范围长和宽取基坑长和宽的3倍,深取基坑深度的4倍,土体整体尺寸为150 m×150 m×40 m,围护墙深度取20 m,厚度取1 m。基坑模型例图见图1

1.2 有限元模型的基本假设

本基坑工程运用Abaqus软件进行模拟时做出以下假设:

1)土体基于Mohr-Coulomb模型模拟计算;

2)模拟过程中,地下连续墙及内支撑结构均视为理想线弹性体;

3)在基坑开挖过程中,忽略降水及地下水对基坑的影响;

4)对基坑开挖过程中的上部堆载进行简化,依照实际工程经验施加均布荷载;

5)忽略基坑施工过程中显著的时空效应。

1.3 土的性质和指标

土体单元采用Mohr-Coulomb本构模型模拟计算,土质设定为理想的软土地基。有限元模型中软土地基的物理力学参数见表1

表1 有限元模型中软土地基的物理力学参数
Table 1 Physical and mechanical parameters of soft soil foundation in finite element models

表1 有限元模型中软土地基的物理力学参数<br/>Table 1 Physical and mechanical parameters of soft soil foundation in finite element models

由于本模型土方在初始阶段不受水平因素影响,因此仅考虑重力加速度影响,采用垂直地应力计算公式进行地应力平衡:

σv=ρgz。 (1)

式(1)中:σv为垂直地应力; ρ为软土地基的密度; g为重力加速度,取9.8 N/kg; z为模型的土体深度,取40 m。根据式(1)可以计算得出垂直地应力为-666 400 N。

1.4 基坑模型开挖方案

使用有限元软件研究不同组合支护结构在软土地基下周边土体的受力及变形分析时,参考具有代表性的实际工程案例,本深基坑支护模型按照设计两道支撑的施工工况进行分析。分析步骤如下:

表2 工况汇总
Table 2 Summary of working conditions

表2 工况汇总<br/>Table 2 Summary of working conditions

1)对地应力进行平衡,这是为了给整块原始土体施加与重力平衡的应力场; 2)对表层土体的放坡开挖与成墙; 3)进行第一道支撑的开挖,架立支撑; 4)进行第二道支撑的开挖,架立支撑; 5)开挖至设计深度。

本模型有限元软件分析工况汇总见表2。由于基坑模型整体尺寸为50 m×50 m×10 m,基坑深度为10 m,根据实际工程经验,本深基坑模型分别于2.5、7.5 m深度处设立两道支撑,并效仿实际工程的工序分层开挖模拟。考虑到实际工程存在放坡堆载情况,且规范要求堆载不得超过20 kPa,因此在本基坑模型的工况2后对地表土体再施加20 kPa的竖向均布荷载以模拟放坡实际堆载状况。

1.5 基坑周边土体研究对象

在基坑开挖结束后,对6种不同组合支护形式基坑周边土体的位移进行分析时,需要明确选用哪些位置的位移作为研究对象,参考实际工程中常见的位移控制标准及位置,本研究选取基坑周边土体的竖向位移(地表沉降)、基坑底土体的竖向位移(坑底隆起)、基坑周边土体沿深度的水平位移作为分析比较对象。基坑周边土体的竖向位移观测路径如图2所示。

图2 基坑周边土体的竖向位移观测路径<br/>Fig.2 Observation path of vertical displacement of surrounding soil of foundation pit

图2 基坑周边土体的竖向位移观测路径
Fig.2 Observation path of vertical displacement of surrounding soil of foundation pit

研究土体竖向位移时,两条观测路径的跨度都较大,需要将Abaqus软件的数值模拟结果排列组合后重新建立坐标系,以更直观地反映竖向位移结果。基坑周边土体的竖向位移修正坐标轴如图3所示,其中根据剖面图3(a)中的坐标轴对沿基坑周边地表竖向位移进行坐标修正,根据剖面图3(b)中的坐标轴对基坑底部竖向位移进行坐标修正。

图3 基坑周边土体的竖向位移修正坐标轴<br/>Fig.3 Correction coordinate axis of vertical displacement of surrounding soil of foundation pit

图3 基坑周边土体的竖向位移修正坐标轴
Fig.3 Correction coordinate axis of vertical displacement of surrounding soil of foundation pit

研究基坑周边土体水平位移时,选取开挖至坑底时基坑挡墙附近土体水平位移沿深度分布曲线作为研究对象。基坑周边土体的水平位移观测路径如图4所示。

图4 基坑周边土体的水平位移观测路径<br/>Fig.4 Observation path of horizontal displacement of surrounding soil of foundation pit

图4 基坑周边土体的水平位移观测路径
Fig.4 Observation path of horizontal displacement of surrounding soil of foundation pit

2 围护结构参数选取

本研究使用3种围护桩体系,分别为钻孔灌注桩、SMW工法桩、TRD工法桩,设计厚度均取1 m。

2.1 钻孔灌注桩的参数选取

钻孔灌注桩厚度取1 m时,考虑其材料属性与截面属性皆为全面连续的,并使用混凝土材料灌注而成,最终效果为连续成墙,因此其有效厚度de1取1 m。钻孔灌注桩的材料性能参数取自混凝土,钻孔灌注桩的有效厚度选取如图5所示。

图5 钻孔灌注桩的有效厚度选取<br/>Fig.5 Selection of effective thickness for drilled cast-in-place pile

图5 钻孔灌注桩的有效厚度选取
Fig.5 Selection of effective thickness for drilled cast-in-place pile

2.2 SMW工法桩的参数选取

SMW工法桩围护结构的参数选取应基于施工工艺截面来进行分析(插二跳一型),若SMW工法桩实际厚度取1 m,则SMW工法桩中水泥土墙部分的型钢翼缘处墙体有效厚度de2取0.9 m,水泥土最薄弱截面处墙体有效厚度de3取0.65 m。为确保有限元软件模拟计算过程中能有效体现型钢和水泥土的接触状态,必须先假设支护过程中围护结构的内插型钢截面完全被水泥土覆盖,因此选择折合有效厚度de2取0.9 m。同时考虑到型钢的密度与弹性模量远大于混凝土,因此SMW工法的材料性能参数取自型钢。SMW工法桩的有效厚度选取如图6所示。

图6 SMW工法桩的有效厚度选取<br/>Fig.6 Selection of effective thickness for SMW construction method pile

图6 SMW工法桩的有效厚度选取
Fig.6 Selection of effective thickness for SMW construction method pile

2.3 TRD工法桩的参数选取

分析TRD工法桩围护整体水平剖面,考虑其施工工艺,在插入地基过程中使用链锯式刀具朝竖向垂直或横向水平移动对地下土体进行切削; 同时以水泥作为硬化剂加固,为均匀连续成墙,有效厚度de4取1 m。此外,考虑到型钢的密度与弹性模量远大于混凝土,TRD工法桩的材料性能参数取自型钢。对于TRD工法桩的弹性模量,通过综合考虑水泥土养护、抗渗等特性,参考配比为1的试验数据折减0.5系数,水泥土弹性模量E取170 GPa。TRD工法桩的有效厚度选取如图7所示。

图7 TRD工法桩的有效厚度选取<br/>Fig.7 Selection of effective thickness for TRD construction method pile

图7 TRD工法桩的有效厚度选取
Fig.7 Selection of effective thickness for TRD construction method pile

在Abaqus软件中使用线弹性体部件对3组不同围护桩体系进行建模并赋予不同的材料属性,有限元模型中围护结构的物理力学参数见表3

表3 有限元模型中围护结构的物理力学参数
Table 3 Physical and mechanical parameters of retaining structures in finite element models

表3 有限元模型中围护结构的物理力学参数<br/>Table 3 Physical and mechanical parameters of retaining structures in finite element models

3 内支撑结构的参数选取

内支撑体系选择混凝土支撑与型钢支撑结构,在Abaqus软件中选择梁单元来对支撑结构进行模拟,其中混凝土支撑材料属性,密度取2 500 kg/m3,弹性模量取30 GPa,泊松比取0.2。型钢支撑采用H型钢构件,钢材选取Q235钢材,H型钢密度取7 980 kg/m3,弹性模量取206 GPa,泊松比取0.3。为了保证控制变量的准确性,模拟方案采用相近造价下的支撑截面,混凝土支撑截面选用700 mm×700 mm,而型钢支撑截面选用高、宽、腹板厚度、翼缘厚度分别为400、400、13、21 mm的H型钢,并采用角撑方式连接支撑与围护桩。本模型的角撑布置示意图见图8,其中两道支撑分别布置于深度2.5、7.5 m处。

图8 角撑布置示意图<br/>Fig.8 Schematic diagram of angle brace arrangement

图8 角撑布置示意图
Fig.8 Schematic diagram of angle brace arrangement

4 结果分析4.1 基坑周边土体的竖向位移比较分析4.1.1 沿基坑周边地表竖向位移分析比较

通过有限元软件分析基坑周边土体的水平位移和竖向位移,从而对组合支护的效果进行评估。因研究基于矩形理想基坑建模,且支撑布置均匀对称,故观察数值模拟结果的位移云图时可采用切面视图。各围护结构与支撑组合支护时竖向位移云图见图9

图9 各围护结构与支撑组合时竖向位移云图<br/>Fig.9 Vertical displacement cloud map of each retaining structure combined with support

图9 各围护结构与支撑组合时竖向位移云图
Fig.9 Vertical displacement cloud map of each retaining structure combined with support

根据Abaqus软件的数值模拟结果,使用Origin绘图软件绘制不同围护桩组合两种支撑的沿基坑周边地表竖向位移。

4.1.1.1 混凝土支撑结构组合不同围护结构时沿基坑周边地表竖向位移 不同围护结构组合混凝土支撑时沿坑周地表竖向位移如图 10所示。观察整体曲线分布趋势可以看出,3种组合下的竖向位移都呈现沉降状态,但分布趋势不同,其中用SMW工法桩、TRD工法桩时位移“两边低、中部高”,用钻孔灌注桩时位移“两边高、中部低”。这符合实际工程中用钻孔灌注桩时中间区域沉降较小、两侧区域沉降较大的特点。

观察具体竖向位移得出:钻孔灌注桩对沿基坑周边地表土体的沉降控制效果明显更好,其最大沉降为4.221 43 cm,位于整个模型的土体边缘位置。而SMW工法桩和TRD工法桩的沿基坑周边最大沉降分别为9.793 48、8.366 26 cm,集中在模型的围护桩即基坑周边位置。因此3种组合在控制坑周土体的最大竖向位移方面,钻孔灌注桩表现最佳,TRD工法桩略好于SMW工法桩。而在远离基坑模型边缘,用SMW工法桩、TRD工法桩、钻孔灌注桩时土体竖向位移沉降分别为3.499 42、3.628 56、4.202 95 cm,因此在仅考虑限制模型边缘位置的沿基坑周边地表的土体竖向位移时,用SMW工法桩和TRD工法桩略有优势。

图 10 不同围护结构组合混凝土支撑时沿坑周地表竖向位移<br/>Fig.10 Vertical displacement of ground surface around pit when different retaining structures combined with concrete supports

图 10 不同围护结构组合混凝土支撑时沿坑周地表竖向位移
Fig.10 Vertical displacement of ground surface around pit when different retaining structures combined with concrete supports

4.1.1.2 型钢支撑结构组合不同围护结构时沿基坑周边地表竖向位移 不同围护结构组合型钢支撑时沿基坑周边地表竖向位移如图 11所示。观察整体曲线分布趋势看出,3种组合都呈沉降状态,但曲线分布趋势不同,其中用SMW工法桩、TRD工法桩呈“两边小、中部大”状态,用钻孔灌注桩呈“两边大、中部小”状态。这与3种围护桩组合混凝土支撑时的趋势分布相似。因此可以得出,沿基坑周边地表竖向位移分布曲线的整体趋势与所组合的围护桩有关。

观察具体竖向位移值可得,用钻孔灌注桩对沿基坑周边地表土体沉降控制的效果明显最好,其最大沉降为4.304 91 cm,位于整个模型的土体边缘位置。而用SMW工法桩和TRD工法桩时沿基坑周边最大沉降分别为10.647 30、9.258 58 cm,集中在模型的围护桩即基坑周边位置。关于远离基坑的模型边缘的土体沉降,用SMW工法桩、TRD工法桩、钻孔灌注桩时分别为3.499 42、3.628 56、4.304 24 cm,与混凝土支撑组合时规律相同。因此,3种围护结构中,钻孔灌注桩不管是组合混凝土支撑还是型钢支撑时对基坑周边土体的沉降控制效果都最好。

图 11 不同围护结构组合型钢支撑时沿基坑周边地表竖向位移<br/>Fig.11 Vertical displacement of ground surface around pit when different retaining structures combined with steel supports

图 11 不同围护结构组合型钢支撑时沿基坑周边地表竖向位移
Fig.11 Vertical displacement of ground surface around pit when different retaining structures combined with steel supports

4.1.1.3 不同围护结构组合两种支撑结构时沿基坑周边地表竖向位移钻孔灌注桩组合不同支撑时沿基坑周边地表竖向位移如图 12所示。其中钻孔灌注桩组合混凝土支撑时,基坑附近的沿基坑周边地表沉降值相比组合型钢时更大。这说明采用钻孔灌注桩时,组合型钢支撑能够更有效地控制基坑周边土体的沉降。

SMW工法桩组合不同支撑时沿基坑周边地表竖向位移如图 13所示。其中,用SMW工法桩组合混凝土支撑时沿基坑周边地表的土体沉降值相比组合型钢支撑更小,这说明用SMW工法桩组合混凝土支撑能够更有效地控制基坑周边土体的沉降。

TRD工法桩组合不同支撑时沿基坑周边地表竖向位移如图 14所示。其中,用TRD工法桩组合混凝土支撑时沿基坑周边地表土体沉降值相比组合型钢更小,与用SMW工法桩的结果一样,这说明用SMW工法桩、TRD工法桩两种型钢内插围护桩在组合混凝土支撑时能够更有效地控制土体的沉降,从而减小地表的沉降量。

图 12 钻孔灌注桩组合不同支撑时沿基坑周边地表竖向位移<br/>Fig.12 Vertical displacement of ground surface around pit when drilled cast-in-place piles combined with different supports

图 12 钻孔灌注桩组合不同支撑时沿基坑周边地表竖向位移
Fig.12 Vertical displacement of ground surface around pit when drilled cast-in-place piles combined with different supports

图 13 SMW工法桩组合不同支撑时沿基坑周边地表竖向位移<br/>Fig.13 Vertical displacement of ground surface around pit when SMW construction method piles combined with different supports

图 13 SMW工法桩组合不同支撑时沿基坑周边地表竖向位移
Fig.13 Vertical displacement of ground surface around pit when SMW construction method piles combined with different supports

图 14 TRD工法桩组合不同支撑时沿基坑周边地表竖向位移<br/>Fig.14 Vertical displacement of ground surface around pit when TRD construction method piles combined with different supports

图 14 TRD工法桩组合不同支撑时沿基坑周边地表竖向位移
Fig.14 Vertical displacement of ground surface around pit when TRD construction method piles combined with different supports

4.1.2 沿基坑底部中轴竖向位移分析比较

根据Abaqus软件的数值模拟结果,使用Origin绘图软件绘制不同围护桩组合两种支撑时沿基坑底部中轴路径的竖向位移。

4.1.2.1 不同支撑结构组合3种围护结构时沿基坑周边地表竖向位移本模型在特定软土地基条件下,不同围护结构组合混凝土支撑时沿基坑底部中轴竖向位移如图 15所示。模拟结果表明,本模型基坑底部的最大竖向位移集中在基坑中心位置,且均为隆起位移。用钻孔灌注桩的竖向位移曲线分布更平缓,最大值与最小值的相差最小; 三种围护结构组合混凝土支撑时基坑底部最大隆起值相差不大,从小到大依次为钻孔灌注桩、TRD工法桩、SMW工法桩,即用混凝土支撑组合钻孔灌注桩对基坑底部中心的隆起控制效果最佳。

不同围护结构组合型钢支撑时沿基坑底部中轴竖向位移如图 16所示。模拟结果表明,型钢支撑组合钻孔灌注桩对基坑底部中心的隆起控制效果最佳,整体竖向位移曲线的分布趋势也与组合混凝土支撑时的分布趋势较为相似,由此可知支撑的不同对基坑底部的土体隆起趋势影响较小。

图 15 不同围护结构组合混凝土支撑时沿基坑底部中轴竖向位移<br/>Fig.15 Vertical displacement along central axis of foundation pit bottom when different retaining structures combined with concrete supports

图 15 不同围护结构组合混凝土支撑时沿基坑底部中轴竖向位移
Fig.15 Vertical displacement along central axis of foundation pit bottom when different retaining structures combined with concrete supports

图 16 不同围护结构组合型钢支撑时沿基坑底部中轴竖向位移<br/>Fig.16 Vertical displacement along central axis of foundation pit bottom when different retaining structures combined with steel supports

图 16 不同围护结构组合型钢支撑时沿基坑底部中轴竖向位移
Fig.16 Vertical displacement along central axis of foundation pit bottom when different retaining structures combined with steel supports

4.1.2.2 不同围护结构组合两种支撑结构时沿基坑周边地表竖向位移 钻孔灌注桩组合不同支撑时沿基坑底部中轴竖向位移如图 17所示,从图中可以看出,两种组合的底部位移相差不大,其中钻孔灌注桩组合型钢支撑时位移更小一些,表明用钻孔灌注桩组合型钢支撑时对基坑底部的竖向位移控制能力更强一些。

SMW工法桩、TRD工法桩分别组合不同支撑时沿基坑底部中轴竖向位移如图 18 所示,从图中可以看出,两种型钢内插围护桩组合混凝土支撑时基坑底部中心的最大竖向位移更低,且整体位移曲线更平滑,由此表明,SMW工法桩、TRD工法桩组合混凝土支撑时对基坑底部隆起的控制能力更强。

图 17 钻孔灌注桩组合不同支撑时沿基坑底部中轴竖向位移<br/>Fig.17 Vertical displacement along central axis of foundation pit bottom when drilled cast-in-place piles combined with different supports

图 17 钻孔灌注桩组合不同支撑时沿基坑底部中轴竖向位移
Fig.17 Vertical displacement along central axis of foundation pit bottom when drilled cast-in-place piles combined with different supports

图 18 SMW工法桩、TRD工法桩分别组合不同支撑时沿基坑底部中轴竖向位移<br/>Fig.18 Vertical displacement along central axis of foundation pit bottom when SMW and TRD construction method piles combined with different supports

图 18 SMW工法桩、TRD工法桩分别组合不同支撑时沿基坑底部中轴竖向位移
Fig.18 Vertical displacement along central axis of foundation pit bottom when SMW and TRD construction method piles combined with different supports

4.1.3 不同组合支护形式时基坑周边土体位移控制效果

综上所述,在实际工程常用的3种基坑围护桩中,钻孔灌注桩对坑底隆起的控制效果优于TRD工法桩和SMW工法桩; 而在6种组合支护形式中,钻孔灌注桩组合型钢支撑的控制效果最好。

4.2 周边土体的水平位移比较分析

各围护桩结构与混凝土支撑组合时水平位移云图见图 19

图 19 各围护桩结构与混凝土支撑组合时水平位移云图<br/>Fig.19 Horizontal displacement cloud map of each retaining pile structure combined with concrete supports

图 19 各围护桩结构与混凝土支撑组合时水平位移云图
Fig.19 Horizontal displacement cloud map of each retaining pile structure combined with concrete supports

将3种围护桩分别与两种支撑排列组合,根据本模型使用不同组合支护形式开挖至坑底时的挡墙周边土体沿深度的水平位移见表4

表4 挡墙周边土体沿深度的水平位移
Table 4 Horizontal displacement of soil around retaining walls along depth

表4 挡墙周边土体沿深度的水平位移<br/>Table 4 Horizontal displacement of soil around retaining walls along depth

4.2.1 不同围护结构组合两种支撑时挡墙周边土体沿深度水平位移控制效果

不同围护结构组合混凝土支撑时挡墙周边土体的水平位移沿深度分布曲线如图 20所示。模拟结果表明,3种组合支护形式下位于地表的挡墙周边土体的水平位移相近,差值较小。随深度增加,钻孔灌注桩在深度20 m以上(即围护桩底以上)部分的水平位移都明显比两种型钢内插围护桩更大; 在深度20 m处(即围护桩底位置),3种组合支护形式的水平位移差值最大,此位置用SMW工法桩的水平位移控制效果略优于TRD工法桩,且两者明显优于钻孔灌注桩。因此得出,基于本模型的40 m深度范围内,两种型钢内插围护桩组合混凝土支撑时对周边土体的整体水平位移控制效果比钻孔灌注桩更好。

图 20 不同围护结构组合混凝土支撑时挡墙周边土体的水平位移沿深度分布曲线<br/>Fig.20 Horizontal displacement distribution curve of soil around retaining walls when different retaining structures combined with concrete supports along depth

图 20 不同围护结构组合混凝土支撑时挡墙周边土体的水平位移沿深度分布曲线
Fig.20 Horizontal displacement distribution curve of soil around retaining walls when different retaining structures combined with concrete supports along depth

不同围护结构分别组合型钢支撑时挡墙周边土体的水平位移沿深度分布曲线如图 21所示。3种水平位移曲线的分布趋势与组合混凝土支撑时的分布趋势非常相似,因此认为支撑的不同对挡墙周边土体沿深度水平位移曲线分布的影响较小,而围护桩的选用才是决定水平位移曲线分布趋势的关键。

图 21 不同围护结构组合型钢支撑时挡墙周边土体的水平位移沿深度分布曲线<br/>Fig.21 Horizontal displacement distribution curve of soil around retaining walls when different retaining structures combined with steel supports along depth

图 21 不同围护结构组合型钢支撑时挡墙周边土体的水平位移沿深度分布曲线
Fig.21 Horizontal displacement distribution curve of soil around retaining walls when different retaining structures combined with steel supports along depth

4.2.2 不同支撑组合3种围护结构时挡墙周边土体沿深度水平位移控制效果

3种围护结构组合不同支撑时挡墙周边土体的水平位移沿深度分布曲线如图 22所示。比较分析不同围护桩组合两种支撑时的位移情况,得出3种围护桩组合混凝土支撑时挡墙周边土体的水平位移值整体最小。这主要是由于混凝土支撑比型钢具有更高的强度和刚度,能够提供更强的抗水平荷载能力。

图 22 3种围护结构组合不同支撑时挡墙周边土体的水平位移沿深度分布曲线<br/>Fig.22 Horizontal displacement distribution curve of soil around retaining walls when three types of retaining structures combined with different supports along depth

图 22 3种围护结构组合不同支撑时挡墙周边土体的水平位移沿深度分布曲线
Fig.22 Horizontal displacement distribution curve of soil around retaining walls when three types of retaining structures combined with different supports along depth

4.2.3 不同组合支护形式时挡墙周边土体沿深度水平位移控制效果

综上所述,不同组合支护形式下,基坑周边土体沿深度的水平位移曲线分布主要取决于围护桩的选用,在实际工程常用的3种围护结构中,用SMW工法桩对周边土体水平位移的控制效果优于TRD工法桩,更优于钻孔灌注桩; 而对支撑形式的选用,则混凝土支撑更适合控制水平位移。

5 结 论

通过对6种组合支护形式下的基坑周边土体水平位移和竖向位移进行分析,可得以下结论:

1)在实际工程常用的3种围护结构中,钻孔灌注桩对基坑周边土体竖向位移的控制效果优于TRD工法桩和SMW工法桩; 而在6种组合支护形式中,钻孔灌注桩组合型钢支撑对竖向位移控制效果最好,SMW工法桩、TRD工法桩两种型钢内插式围护桩则在组合混凝土支撑时比组合型钢支撑时对竖向位移的控制效果更好。

2)在实际工程常用的3种围护结构中,SMW工法桩对挡墙周边土体在水平位移的控制效果上优于TRD工法桩,更优于钻孔灌注桩; 而对支撑形式的选用,则混凝土支撑更适合控制水平位移。

3)在实际工程常用的3种围护桩中,钻孔灌注桩对坑底隆起的控制效果优于TRD工法桩和SMW工法桩; 而在6种组合支护形式中,钻孔灌注桩组合型钢支撑的控制效果更好。

4)不同的组合支护形式下,围护桩形式是决定整体的水平位移与竖向位移分布趋势的主要因素。

以上比较只局限于本研究设定的特定前置条件,即基于本基坑模型参数与软土地基条件,在实际工程中受工程规模、地质条件、工期要求、造价差别等条件影响,不同组合结构的适用性会有一定的变化,但本研究揭示的基本规律,对软土地基中基坑设计仍可提供一定的参考价值。

参考文献