复合式重力坝在软土深基坑的应用

柴吉元 刘航飞

（中国建筑第七工程局有限公司南方公司，广东 深圳 518219）

0 引言

目前常用的基坑支护方式包括排桩支护结构、重力式水泥土墙等等，其中排桩支护结构控制形变的效果比较好，但是这种支护结构的成本比较高，软密支撑会影响挖土；使用重力式软泥土墙的成本比较低，而且施工也很简单，但是位移难以控制，必须要使用大量的空间才能有良好的支护效果。复合重力坝支护结构是在一定坝宽的重力式围护结构靠近坑内的一侧设置一定间距的型钢或者混凝土孔桩，在坑的内侧设置一定的堆成或者抛斜撑，这种支护结构在位移控制和造假上都具有一定的优势。通过进行有限元分析，能够了解复合式重力坝的受力特点，更好地发挥出作用。

1 工程概述

1.1 工程概况

力波啤酒厂转型项目，基坑深9.7 米，其中地下室二层与地下室一层交接处使用了复合式重力坝支护结构，搅拌桩采用双轴水泥土搅拌桩2∅700@1000，桩间搭结200mm，水泥掺量13%,搅拌桩内插1.5m 长14@1000 钢筋，顶部与压顶板相连结；压顶采用20cm 厚钢筋混凝土压顶板，内配双向∅8@200×200 钢筋，1-1 剖面：3.7 米宽，11 米深，1’-1’剖面：4.7 米宽，12 米深，D2-D2 剖面：3.2 米宽，9米深，E2-E2 剖面：4.2 米宽，12.5 米深。

1.2 模型建立

为了方便对现场实际情况要进行了解，建立了有限元模型进行分析。根据现场实际的需求，以及开挖条件先进行一期地下室的开挖，以及一期与二三期交接首层土开挖至-6.55m 标高,进行放坡及混凝土压顶施工，之后再开挖到坑底。基坑的支撑、水泥墙、钢管都使用弹性模型，水泥搅拌强的弹性模量为180MPa；灌注桩的弹性模量为210GPa。由于钢管和水泥搅拌桩之间的粘结力非常强，可以接近水泥自身的康健强度，所以模型中使用了绑定约束的模型，水泥和土体之间采用摩擦约束，摩擦系数根据摩擦角和土层的厚度获得。

2 有限元分析

通过对水泥土墙的形变来分析水泥土墙是否和复合式重力坝结构中的钻孔桩能够协同工作，对复合式重力坝钻孔桩内侧的斜管和远坑侧水泥土墙内测斜管的侧向变形进行了有限元分析，并且获得了协同工作的分析结果。从有限元分析结果来看，在开挖阶段，水泥土墙和支护结构中的钻孔桩在形变上是比较一致的，所以两者的协调性比较好；再拆撑阶段，墙体和近坑侧钻孔桩的形变差异比较大，能够说明拆撑之后出现近坑侧钻孔桩和远坑测水泥土的墙体出现了脱离的情况，说明两者的工作协同性存在不足，而钻孔桩和水泥墙的侧向形变基本一致。

3 重力坝的变形特征

3.1 和重力支护对比的形变

对于形变对比中，重力支护结构的厚度为5.2 米，长15 米，根据对水泥土重力式围护墙和复合式重力坝的对比，两者的形变风格有极大的不同，水泥土重力坝结构中，发生形变最大的位置实在围护结构的顶部，而复合式重力坝结构发生形变最大的位置则在是坑底的位置，而且，使用常规水泥土重力坝的比形变更大，相比复合式重力坝结构只有14 毫米的形变连，水泥土重力坝的结构型变量有38毫米。因此，复合式重力坝支护结构和水泥土重力式围护墙有完全不同的受力，重力式水泥土墙的形变为悬臂式，近坑侧的水泥受压，远坑侧的水泥则受拉力作用，而复合式重力坝的机构则相反，远坑侧的水泥受压，近坑侧的水泥受拉。

3.2 和排桩支护对比的形变

通过将复合式重力坝和排桩支护的方式进行对比，能够了解复合式重力坝与排桩支护之间存在的差异，本文对各种不同工况下的结果展开了分析。设定排桩的直径为0.9 米，1.1 米的间距，21 米桩长，排桩的抗弯强度为240000 千牛·立方米。加撑前的第一步开挖的工况下，复合式重力坝的位移远小于排桩的位移，因此，可以说明复合式重力坝对加撑前初始位移的控制能力要比排桩支护结构更加有效。对拆除工况下的位移增量进行分析，复合式重力坝的位移增量只有排桩结构的一半，证明复合式重力坝能够有效控制支撑结构的位移，并且复合式重力坝结构中桩身的轴力也比较大，相对而言排桩结构的轴力就比较小。因此，复合式重力坝结构中桩身的弯矩其实要比排桩维护结构弯矩小很多。

4 不同参数对重力坝的支护结构的影响

4.1 支护结构高度

根据在桩径、桩间距相同的情况下，对排桩支护结构和复合式重力坝结构在不同高度时桩身弯矩发生变化的分析，支护结构的高度变化基本上并不会对桩身的弯矩造成影响，因此可以证明，增加高度对复合式重力坝结构的空间效应并不会有太大的帮助，因此支护结构的坝体高度可以由结构的抗倾覆和整体稳定性进行控制。

4.2 进坑侧钻孔间距

根据不同内插钢管间距进行分析，在间距不同的情况下，内插钢管承担的弯矩是有很大不同的。随着桩间距的减小，内插钢管所承受的弯矩也在减小。另一方面，14 米的内钢管，在7 米左右承受的弯矩最大，也就是弯矩主要分布在内插孔桩的中间。

4.3 土地和墙体摩擦系数

由于水泥土强和周围土体是摩擦接触的，所以摩擦系数有变化就会导致对桩身的弯矩造成影响，根据分析结果，在摩擦系数越小的情况下，桩就会受到更大的弯矩，导致空间效应并不能发挥出来。

4.4 坝体宽度

在坝体宽度不同的时候，桩身分担的弯矩值也会有所不同。根据有限元分析的结果，在坝体宽度从4.7 米下降到3.2 米，桩身所承受的弯是在不断增加的，并不能发挥出空间效应。但是随着坝体的宽度从3.2 米提高到4.2 米后，桩身的弯矩较小值并不大，说明随着坝体的宽度增加到3.2 米空间效应就变得不再明显，因此3.2米最合理的宽度。

5 结束语

通过对复合式重力坝支护结构进行有限元分析，研究了复合式重力坝的受力机理和形变的规律。复合式重力坝支护结构的形变是比较特殊的，和常规的排桩结构有很大不同，同时也和常规重力式结构不一样。和排桩支护结构相比，复合式重力坝能够对侧向变形有很好的控制，尤其是在第一阶段开挖和支撑的增量变形，有很好的抑制作用。和重力式挡墙相比，复合式重力坝由于设有内支撑，所以支护结构的受力会有很大不同，最大形变位置也有很大的区别。

根据有限元分析的结果，可以证明插入灌注桩的弯矩来自于灌注桩的间距，以及坝体宽度的影响，坝体的水泥参量、周围土体与坝体的接触情况，也会影响插入灌注桩的弯矩。但是支撑的刚度和支护结构的高度则对弯矩影响比较小。

复合式重力坝支护结构中，承担弯矩的结构包括插入钻孔桩，以及水泥自身的抗弯性能，同时，桩体受拉和坝体受压也会形成空间效应，从而承担一部分的弯矩，提升了复合重力坝支护结构的稳定性。