復(fù)合式重力壩在軟土深基坑的應(yīng)用

柴吉元 劉航飛

（中國(guó)建筑第七工程局有限公司南方公司，廣東 深圳 518219）

0 引言

目前常用的基坑支護(hù)方式包括排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)、重力式水泥土墻等等，其中排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)控制形變的效果比較好，但是這種支護(hù)結(jié)構(gòu)的成本比較高，軟密支撐會(huì)影響挖土；使用重力式軟泥土墻的成本比較低，而且施工也很簡(jiǎn)單，但是位移難以控制，必須要使用大量的空間才能有良好的支護(hù)效果。復(fù)合重力壩支護(hù)結(jié)構(gòu)是在一定壩寬的重力式圍護(hù)結(jié)構(gòu)靠近坑內(nèi)的一側(cè)設(shè)置一定間距的型鋼或者混凝土孔樁，在坑的內(nèi)側(cè)設(shè)置一定的堆成或者拋斜撐，這種支護(hù)結(jié)構(gòu)在位移控制和造假上都具有一定的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)進(jìn)行有限元分析，能夠了解復(fù)合式重力壩的受力特點(diǎn)，更好地發(fā)揮出作用。

1 工程概述

1.1 工程概況

力波啤酒廠(chǎng)轉(zhuǎn)型項(xiàng)目，基坑深9.7 米，其中地下室二層與地下室一層交接處使用了復(fù)合式重力壩支護(hù)結(jié)構(gòu)，攪拌樁采用雙軸水泥土攪拌樁2?700@1000，樁間搭結(jié)200mm，水泥摻量13%,攪拌樁內(nèi)插1.5m 長(zhǎng)14@1000 鋼筋，頂部與壓頂板相連結(jié)；壓頂采用20cm 厚鋼筋混凝土壓頂板，內(nèi)配雙向?8@200×200 鋼筋，1-1 剖面：3.7 米寬，11 米深，1’-1’剖面：4.7 米寬，12 米深，D2-D2 剖面：3.2 米寬，9米深，E2-E2 剖面：4.2 米寬，12.5 米深。

1.2 模型建立

為了方便對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況要進(jìn)行了解，建立了有限元模型進(jìn)行分析。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的需求，以及開(kāi)挖條件先進(jìn)行一期地下室的開(kāi)挖，以及一期與二三期交接首層土開(kāi)挖至-6.55m 標(biāo)高,進(jìn)行放坡及混凝土壓頂施工，之后再開(kāi)挖到坑底。基坑的支撐、水泥墻、鋼管都使用彈性模型，水泥攪拌強(qiáng)的彈性模量為180MPa；灌注樁的彈性模量為210GPa。由于鋼管和水泥攪拌樁之間的粘結(jié)力非常強(qiáng)，可以接近水泥自身的康健強(qiáng)度，所以模型中使用了綁定約束的模型，水泥和土體之間采用摩擦約束，摩擦系數(shù)根據(jù)摩擦角和土層的厚度獲得。

2 有限元分析

通過(guò)對(duì)水泥土墻的形變來(lái)分析水泥土墻是否和復(fù)合式重力壩結(jié)構(gòu)中的鉆孔樁能夠協(xié)同工作，對(duì)復(fù)合式重力壩鉆孔樁內(nèi)側(cè)的斜管和遠(yuǎn)坑側(cè)水泥土墻內(nèi)測(cè)斜管的側(cè)向變形進(jìn)行了有限元分析，并且獲得了協(xié)同工作的分析結(jié)果。從有限元分析結(jié)果來(lái)看，在開(kāi)挖階段，水泥土墻和支護(hù)結(jié)構(gòu)中的鉆孔樁在形變上是比較一致的，所以?xún)烧叩膮f(xié)調(diào)性比較好；再拆撐階段，墻體和近坑側(cè)鉆孔樁的形變差異比較大，能夠說(shuō)明拆撐之后出現(xiàn)近坑側(cè)鉆孔樁和遠(yuǎn)坑測(cè)水泥土的墻體出現(xiàn)了脫離的情況，說(shuō)明兩者的工作協(xié)同性存在不足，而鉆孔樁和水泥墻的側(cè)向形變基本一致。

3 重力壩的變形特征

3.1 和重力支護(hù)對(duì)比的形變

對(duì)于形變對(duì)比中，重力支護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度為5.2 米，長(zhǎng)15 米，根據(jù)對(duì)水泥土重力式圍護(hù)墻和復(fù)合式重力壩的對(duì)比，兩者的形變風(fēng)格有極大的不同，水泥土重力壩結(jié)構(gòu)中，發(fā)生形變最大的位置實(shí)在圍護(hù)結(jié)構(gòu)的頂部，而復(fù)合式重力壩結(jié)構(gòu)發(fā)生形變最大的位置則在是坑底的位置，而且，使用常規(guī)水泥土重力壩的比形變更大，相比復(fù)合式重力壩結(jié)構(gòu)只有14 毫米的形變連，水泥土重力壩的結(jié)構(gòu)型變量有38毫米。因此，復(fù)合式重力壩支護(hù)結(jié)構(gòu)和水泥土重力式圍護(hù)墻有完全不同的受力，重力式水泥土墻的形變?yōu)閼冶凼?，近坑?cè)的水泥受壓，遠(yuǎn)坑側(cè)的水泥則受拉力作用，而復(fù)合式重力壩的機(jī)構(gòu)則相反，遠(yuǎn)坑側(cè)的水泥受壓，近坑側(cè)的水泥受拉。

3.2 和排樁支護(hù)對(duì)比的形變

通過(guò)將復(fù)合式重力壩和排樁支護(hù)的方式進(jìn)行對(duì)比，能夠了解復(fù)合式重力壩與排樁支護(hù)之間存在的差異，本文對(duì)各種不同工況下的結(jié)果展開(kāi)了分析。設(shè)定排樁的直徑為0.9 米，1.1 米的間距，21 米樁長(zhǎng)，排樁的抗彎強(qiáng)度為240000 千?！ち⒎矫?。加撐前的第一步開(kāi)挖的工況下，復(fù)合式重力壩的位移遠(yuǎn)小于排樁的位移，因此，可以說(shuō)明復(fù)合式重力壩對(duì)加撐前初始位移的控制能力要比排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)更加有效。對(duì)拆除工況下的位移增量進(jìn)行分析，復(fù)合式重力壩的位移增量只有排樁結(jié)構(gòu)的一半，證明復(fù)合式重力壩能夠有效控制支撐結(jié)構(gòu)的位移，并且復(fù)合式重力壩結(jié)構(gòu)中樁身的軸力也比較大，相對(duì)而言排樁結(jié)構(gòu)的軸力就比較小。因此，復(fù)合式重力壩結(jié)構(gòu)中樁身的彎矩其實(shí)要比排樁維護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩小很多。

4 不同參數(shù)對(duì)重力壩的支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響

4.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)高度

根據(jù)在樁徑、樁間距相同的情況下，對(duì)排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)和復(fù)合式重力壩結(jié)構(gòu)在不同高度時(shí)樁身彎矩發(fā)生變化的分析，支護(hù)結(jié)構(gòu)的高度變化基本上并不會(huì)對(duì)樁身的彎矩造成影響，因此可以證明，增加高度對(duì)復(fù)合式重力壩結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)并不會(huì)有太大的幫助，因此支護(hù)結(jié)構(gòu)的壩體高度可以由結(jié)構(gòu)的抗傾覆和整體穩(wěn)定性進(jìn)行控制。

4.2 進(jìn)坑側(cè)鉆孔間距

根據(jù)不同內(nèi)插鋼管間距進(jìn)行分析，在間距不同的情況下，內(nèi)插鋼管承擔(dān)的彎矩是有很大不同的。隨著樁間距的減小，內(nèi)插鋼管所承受的彎矩也在減小。另一方面，14 米的內(nèi)鋼管，在7 米左右承受的彎矩最大，也就是彎矩主要分布在內(nèi)插孔樁的中間。

4.3 土地和墻體摩擦系數(shù)

由于水泥土強(qiáng)和周?chē)馏w是摩擦接觸的，所以摩擦系數(shù)有變化就會(huì)導(dǎo)致對(duì)樁身的彎矩造成影響，根據(jù)分析結(jié)果，在摩擦系數(shù)越小的情況下，樁就會(huì)受到更大的彎矩，導(dǎo)致空間效應(yīng)并不能發(fā)揮出來(lái)。

4.4 壩體寬度

在壩體寬度不同的時(shí)候，樁身分擔(dān)的彎矩值也會(huì)有所不同。根據(jù)有限元分析的結(jié)果，在壩體寬度從4.7 米下降到3.2 米，樁身所承受的彎是在不斷增加的，并不能發(fā)揮出空間效應(yīng)。但是隨著壩體的寬度從3.2 米提高到4.2 米后，樁身的彎矩較小值并不大，說(shuō)明隨著壩體的寬度增加到3.2 米空間效應(yīng)就變得不再明顯，因此3.2米最合理的寬度。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)復(fù)合式重力壩支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，研究了復(fù)合式重力壩的受力機(jī)理和形變的規(guī)律。復(fù)合式重力壩支護(hù)結(jié)構(gòu)的形變是比較特殊的，和常規(guī)的排樁結(jié)構(gòu)有很大不同，同時(shí)也和常規(guī)重力式結(jié)構(gòu)不一樣。和排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)相比，復(fù)合式重力壩能夠?qū)?cè)向變形有很好的控制，尤其是在第一階段開(kāi)挖和支撐的增量變形，有很好的抑制作用。和重力式擋墻相比，復(fù)合式重力壩由于設(shè)有內(nèi)支撐，所以支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力會(huì)有很大不同，最大形變位置也有很大的區(qū)別。

根據(jù)有限元分析的結(jié)果，可以證明插入灌注樁的彎矩來(lái)自于灌注樁的間距，以及壩體寬度的影響，壩體的水泥參量、周?chē)馏w與壩體的接觸情況，也會(huì)影響插入灌注樁的彎矩。但是支撐的剛度和支護(hù)結(jié)構(gòu)的高度則對(duì)彎矩影響比較小。

復(fù)合式重力壩支護(hù)結(jié)構(gòu)中，承擔(dān)彎矩的結(jié)構(gòu)包括插入鉆孔樁，以及水泥自身的抗彎性能，同時(shí)，樁體受拉和壩體受壓也會(huì)形成空間效應(yīng)，從而承擔(dān)一部分的彎矩，提升了復(fù)合重力壩支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。