復合式重力壩在軟土深基坑的應用

柴吉元 劉航飛

（中國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方式包括排樁支護結構、重力式水泥土墻等等，其中排樁支護結構控制形變的效果比較好，但是這種支護結構的成本比較高，軟密支撐會影響挖土；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效果。復合重力壩支護結構是在一定壩寬的重力式圍護結構靠近坑內的一側設置一定間距的型鋼或者混凝土孔樁，在坑的內側設置一定的堆成或者拋斜撐，這種支護結構在位移控制和造假上都具有一定的優(yōu)勢。通過進行有限元分析，能夠了解復合式重力壩的受力特點，更好地發(fā)揮出作用。

1 工程概述

1.1 工程概況

力波啤酒廠轉型項目，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合式重力壩支護結構，攪拌樁采用雙軸水泥土攪拌樁2?700@1000，樁間搭結200mm，水泥摻量13%,攪拌樁內插1.5m 長14@1000 鋼筋，頂部與壓頂板相連結；壓頂采用20cm 厚鋼筋混凝土壓頂板，內配雙向?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

為了方便對現場實際情況要進行了解，建立了有限元模型進行分析。根據現場實際的需求，以及開挖條件先進行一期地下室的開挖，以及一期與二三期交接首層土開挖至-6.55m 標高,進行放坡及混凝土壓頂施工，之后再開挖到坑底。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力非常強，可以接近水泥自身的康健強度，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，摩擦系數根據摩擦角和土層的厚度獲得。

2 有限元分析

通過對水泥土墻的形變來分析水泥土墻是否和復合式重力壩結構中的鉆孔樁能夠協(xié)同工作，對復合式重力壩鉆孔樁內側的斜管和遠坑側水泥土墻內測斜管的側向變形進行了有限元分析，并且獲得了協(xié)同工作的分析結果。從有限元分析結果來看，在開挖階段，水泥土墻和支護結構中的鉆孔樁在形變上是比較一致的，所以兩者的協(xié)調性比較好；再拆撐階段，墻體和近坑側鉆孔樁的形變差異比較大，能夠說明拆撐之后出現近坑側鉆孔樁和遠坑測水泥土的墻體出現了脫離的情況，說明兩者的工作協(xié)同性存在不足，而鉆孔樁和水泥墻的側向形變基本一致。

3 重力壩的變形特征

3.1 和重力支護對比的形變

對于形變對比中，重力支護結構的厚度為5.2 米，長15 米，根據對水泥土重力式圍護墻和復合式重力壩的對比，兩者的形變風格有極大的不同，水泥土重力壩結構中，發(fā)生形變最大的位置實在圍護結構的頂部，而復合式重力壩結構發(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，相比復合式重力壩結構只有14 毫米的形變連，水泥土重力壩的結構型變量有38毫米。因此，復合式重力壩支護結構和水泥土重力式圍護墻有完全不同的受力，重力式水泥土墻的形變?yōu)閼冶凼剑觽鹊乃嗍軌海h坑側的水泥則受拉力作用，而復合式重力壩的機構則相反，遠坑側的水泥受壓，近坑側的水泥受拉。

3.2 和排樁支護對比的形變

通過將復合式重力壩和排樁支護的方式進行對比，能夠了解復合式重力壩與排樁支護之間存在的差異，本文對各種不同工況下的結果展開了分析。設定排樁的直徑為0.9 米，1.1 米的間距，21 米樁長，排樁的抗彎強度為240000 千牛·立方米。加撐前的第一步開挖的工況下，復合式重力壩的位移遠小于排樁的位移，因此，可以說明復合式重力壩對加撐前初始位移的控制能力要比排樁支護結構更加有效。對拆除工況下的位移增量進行分析，復合式重力壩的位移增量只有排樁結構的一半，證明復合式重力壩能夠有效控制支撐結構的位移，并且復合式重力壩結構中樁身的軸力也比較大，相對而言排樁結構的軸力就比較小。因此，復合式重力壩結構中樁身的彎矩其實要比排樁維護結構彎矩小很多。

4 不同參數對重力壩的支護結構的影響

4.1 支護結構高度

根據在樁徑、樁間距相同的情況下，對排樁支護結構和復合式重力壩結構在不同高度時樁身彎矩發(fā)生變化的分析，支護結構的高度變化基本上并不會對樁身的彎矩造成影響，因此可以證明，增加高度對復合式重力壩結構的空間效應并不會有太大的幫助，因此支護結構的壩體高度可以由結構的抗傾覆和整體穩(wěn)定性進行控制。

4.2 進坑側鉆孔間距

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

4.3 土地和墻體摩擦系數

由于水泥土強和周圍土體是摩擦接觸的，所以摩擦系數有變化就會導致對樁身的彎矩造成影響，根據分析結果，在摩擦系數越小的情況下，樁就會受到更大的彎矩，導致空間效應并不能發(fā)揮出來。

4.4 壩體寬度

在壩體寬度不同的時候，樁身分擔的彎矩值也會有所不同。根據有限元分析的結果，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。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，說明隨著壩體的寬度增加到3.2 米空間效應就變得不再明顯，因此3.2米最合理的寬度。

5 結束語

通過對復合式重力壩支護結構進行有限元分析，研究了復合式重力壩的受力機理和形變的規(guī)律。復合式重力壩支護結構的形變是比較特殊的，和常規(guī)的排樁結構有很大不同，同時也和常規(guī)重力式結構不一樣。和排樁支護結構相比，復合式重力壩能夠對側向變形有很好的控制，尤其是在第一階段開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，復合式重力壩由于設有內支撐，所以支護結構的受力會有很大不同，最大形變位置也有很大的區(qū)別。

根據有限元分析的結果，可以證明插入灌注樁的彎矩來自于灌注樁的間距，以及壩體寬度的影響，壩體的水泥參量、周圍土體與壩體的接觸情況，也會影響插入灌注樁的彎矩。但是支撐的剛度和支護結構的高度則對彎矩影響比較小。

復合式重力壩支護結構中，承擔彎矩的結構包括插入鉆孔樁，以及水泥自身的抗彎性能，同時，樁體受拉和壩體受壓也會形成空間效應，從而承擔一部分的彎矩，提升了復合重力壩支護結構的穩(wěn)定性。