土与复合桩支护结构变形破坏分析

第22卷第4期 北京科技大学学报 Vol.22 No.4 2000年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2000 土与复合桩支护结构变形破坏分析 李治平 蔡美峰 北京科技大学资源工程学院，北京100083 摘要对深基坑在7种不同复合桩支护结构条件下开挖分别进行了弹塑性有限元模拟，根 据计算结果分析了土与复合桩支护结构在不同条件下的变形特点和破坏模式 关键词支护结构：弹塑性有限元：变形：破坏模式：复合桩；地下连续墙 分类号TU476.3 复合桩（工程中也称组合桩）是深基坑开挖 型.由于复合桩成桩时的搅拌和水泥受压挤入 中常用的一种支护结构，通常由搭接的水泥土 土体的作用，复合桩与土体间没有明显的接触 搅拌桩和钢筋混凝土灌注桩组成，前者主要起 面，而呈现出一定厚度的过渡层，因而将土桩界 防渗止水作用，后者承受土压支挡土体.当前， 面作节理元处理，其材料模型用弹塑性层状（非 工程中亟需认识在不同条件下深基坑开挖过程 线性等向强化)模型来处理，界面参数按有关资 中，土与复合桩支护结构相互作用和变形破坏 料选取，桩材料参数由几个工程实例数据取其 特点.本文从设定土体及土与复合桩界面受力 平均值.各种材料的参数见表1.支撑按边界位 性状为非线性出发，用弹塑性有限元模拟了采 移单元处理，支撑刚度30MPa 用复合桩支护结构的深基坑开挖，根据计算结 表1材料参数 果并结合工程实际分析了土与复合桩在不同条 Table 1 Parameters of materials 件下变形特点和破坏模式. 材料 p/kN.m'E/MPa v E /GPa E,/TPa 淤泥 16.05.00.333 1不同复合桩条件下深基坑开挖弹 粘土 19.0 20.00.300 塑性有限元模拟 水泥灌注桩 23.03.0×10°0.167 水泥土桩 20.0 1.8×10°0.200 1.1计算基本假定 淤泥一桩接触面18.0 4.0 1.0 按平面应变问题考虑，对复合桩形状引起 粘土一柱接触面 19.0 5.5 1.5 的计算偏差采用乘系数法修正"，成桩引起土体 注：E,E,分别为单位宽节理切向、法向弹性刚度 应力和性状改变不考虑：坑外地下水位不变：桩 利用对称性，选基坑长方向截面的1/2来计 体和支撑为线弹性体， 算.坑外边界取在1倍桩长处，下边界取在桩底 1.2计算条件 以下0.5倍桩长处，边界选取经试算满足要求. 不失一般性，考虑一基坑开挖工程，基坑长 计算断面见图1.地表自由，其他3个方向有约 40m,宽20m,开挖深度10m,地下水位-20m. 束，初应力按自重应力场考虑.计算区域划分为 地表以下10m为淤泥，其下为粘土.土层参数 589节点，540个土体、桩体等参元及土桩界面 按典型土类取值.按悬臂桩和多层支点混合式 节理元 支护桩计算确定桩长为20m,灌注桩径800mm,1.3模型划分 水泥土桩径600mm).有限元模拟选用北京大 考虑工程中常用的复合桩支护结构及其开 学GEOMAN程序系统中的二维弹塑性静力分 挖条件，按支撑、开挖步数、地面超载、桩长与桩 析程序NOLM.根据土体材料非线性特性，选取 径的不同组合共进行了7个模型的数值模拟， 土体模型为弹塑性Drucker(非线性等向强化)模 其特性参数见表2.除模型6外，基坑分3步开 挖，计算分15个时步，1~3时步为初应力场形 199-05-24收稿李治平男，28岁，硕士

第 卷 第 期 以用 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 一 土 与复合桩支护结构变形破坏分析 李治 平 蔡美峰 北京科技大学资源工程学院 , 北京 摘 要 对 深基坑在 种 不 同复合 桩支护结构条件下 开挖分 别进行 了弹塑 性有 限元 模拟 , 根 据计算结果分析 了土 与 复合桩 支护 结构在 不 同条件 下 的变 形特 点和 破坏模式 关键词 支护 结 构 弹 塑 性 有 限元 变形 破坏 模式 复合 桩 地 下连续墙 分 类号 复合 桩 工 程 中也 称 组 合 桩 是 深 基 坑 开挖 中常用 的一 种支护 结构 , 通 常 由搭 接 的水 泥 土 搅 拌桩和 钢 筋混 凝 土 灌注 桩 组 成 , 前 者 主 要起 防渗 止 水作用 , 后 者 承 受 土 压 支 挡 土 体 当前 , 工程 中巫 需认 识 在不 同条件下深 基坑 开 挖过程 中 , 土 与复合 桩支 护 结 构 相 互 作用 和 变 形 破 坏 特 点 本文 从 设 定土 体 及 土 与 复 合 桩 界 面 受力 性状 为非 线 性 出发 , 用 弹 塑 性 有 限元 模 拟 了采 用 复合 桩支护结 构 的深 基 坑 开 挖 , 根据 计 算 结 果并结合工程 实际 分 析 了土 与复合桩在 不 同条 件下 变形特 点和 破 坏模式 , 不 同复合桩条件下 深基坑开挖弹 塑性有限元模拟 计算基本假定 按平 面应 变 问题 考 虑 , 对 复 合 桩 形 状 引起 的计算偏差采用 乘 系数 法 修正 〔, 〕 成桩 引起土 体 应力和性状 改变不 考虑 坑 外 地 下 水位 不 变 桩 体和 支撑 为线 弹 性 体 计算条件 不 失一般性 , 考虑 一 基 坑 开 挖 工 程 , 基 坑 长 , 宽 , 开 挖深 度 , 地 下 水位 一 地 表 以下 为淤 泥 , 其 下 为粘 土 土 层 参 数 按 典型土 类 取 值 按 悬 臂 桩和 多层 支 点混 合 式 支护桩计算确定桩长 为 , 灌注桩径 , 水泥 土桩径 〔, , 有 限元 模 拟 选 用 北 京大 学 程 序系统 中的二 维 弹 塑 性 静力分 析程序 根据 土 体材 料 非线性特性 , 选取 土体模型 为弹塑性 非 线性 等 向强化 模 一 收稿 李治平 男 , 岁 , 硕 士 型 由于 复合桩成桩 时 的搅拌和 水 泥 受压 挤入 土 体 的作用 , 复合 桩与 土 体 间没 有 明显 的接触 面 , 而 呈现 出一 定厚度 的过渡层 , 因而 将土 桩界 面 作节 理元 处 理 , 其材料 模型 用 弹 塑 性 层 状 非 线性等 向强化 模型来处 理 界 面 参 数按有关资 料 选取 〔 , 桩材料 参 数 由几个工 程 实例 数 据取其 平 均 值 各 种 材 料 的参 数 见表 支 撑 按 边 界位 移单 元 处 理 , 支撑 刚度 表 材料参数 知 皿 材 料 , 石 汀 淤 泥 一 一 粘 土 一 一 水泥灌注 桩 一 一 水泥土桩 、 , 一 一 淤泥一桩接触面 一 一 粘土一桩接触面 一 一 注 瓦 , 氏 分别 为单位 宽节 理切 向 、 法 向弹 性刚 度 利用 对 称性 , 选基 坑 长 方 向截面 的 来计 算 坑 外边 界取在 倍桩长 处 , 下 边 界取 在 桩底 以下 倍桩长 处 , 边 界 选 取 经 试 算满 足要求 计 算 断面 见 图 地表 自由 , 其 他 个 方 向有 约 束 , 初应 力按 自重 应 力场考虑 计 算区域划 分为 节 点 , 个 土 体 、 桩 体 等 参 元 及 土 桩界 面 节 理 元 模型划分 考虑 工 程 中常用 的 复 合桩 支 护 结构及 其 开 挖条件 , 按支撑 、 开 挖步数 、 地面超载 、 桩长与桩 径 的不 同组 合 共进 行 了 个 模型 的数值模拟 , 其 特 性参 数见 表 除模 型 外 , 基 坑分 步开 挖 , 计 算分 个 时步 , 一 时步 为初应 力场形

·290· 北京科技大学学报 2000年第4期 成，4时步开挖至-2.9m,5-7时步开挖至-7.1 要原因将是桩在支撑部位损伤、折断或水泥土 m,8~10时步开挖至-10m,11~15时步为开挖稳 桩被先拉断而渗漏水， 定期.模型6一次开挖到底，分5个时步模拟， 1~2时步为初应力场形成，第3时步开挖到底， 塑性区 第4时步安装支撑，第5时步为稳定期. 支携， 支撑 水泥土搅拌桩 1.开挖线. 淤泥 粘土 钢筋砼灌注柱 沙沙》沙 图2塑性区域（模型1第10计算时步） 图1计算断面 Fig.2 Distribution of plastic region Fig.1 Sketch of calculation cross section 2.2模型2 表2模型特性参数 应力分布规律性强.图3是稳定期后主应 Table 2 Characteristic parameters of models 模型号地面超开 支撑数桩长/灌注桩 力矢量图（局部）.复合桩水平位移量比模型1 大，桩顶最大水平位移16mm,且稳定后仍有增 载/kPa步数 m径/mm 支撑位置m 模型1203 220 800 -2.9,-7.1 长趋势.地面沉降、基坑反弹、塑性区域分布均 模型22030 20 800 比模型1有较大增长.土体变形、复合桩位移过 模型3203024 800 大引起土体大面积屈服失效将是此模型主要破 模型420 30 201000 坏模式 模型540 3 2 20 800 -2.9.-7.1 模型620 1 2 20 800 -2.9、-7.1 模型720 3 3 20 800 -2.8,-5.7,-8.6 2变形破坏分析 4 4 计算机后处理生成了各步增量位移、节点 W:r1tt·÷年： 年 增量位移矢量、塑性区域、桩身位移等图，由于 娜r11F:: 篇幅有限，仅对各模型作简要分析， ÷f‘g1n 好：；t； 2.1模型1 基坑反弹增长平稳，开挖完最大反弹12 mm;地面沉降、复合桩水平位移及塑性区域，在 施加支撑后分布范围减小或变形增加趋势减 图3主应力矢量（模型2第15计算时步） 缓，最大沉降19mm.土体局部塑性破坏主要是 Fig.3 Principal stress vector 桩身位移产生的压屈或剪屈.图2是第10计算 2.3模型3 时步塑性区域分布图（图中阴影部分为塑性区 桩长增加使基坑内土体变形受地面超载影 域).近桩土体单元变形比较大，受支撑和土压 响减小，基坑反弹比模型2减小.开挖面以上桩 作用，复合桩在支撑部位产生高度应力集中，在 所受土压没什么变化，开挖面以下桩所受主动 桩中下部产生了竖直方向拉应力，灌注桩中的 土压增大，使桩水平位移有所减小，而地面沉 主应力是水泥土桩中的3~14倍.由计算结果可 降、塑性区分布变化不大，故其破坏模式大致同 以判断此模型复合桩支护结构失效或失稳的主 模型2

· 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 成 , 时步 开 挖 至 一 , 一 时 步 开挖 至 一 , 一 时步 开挖至 一 , 一 巧 时步 为开 挖稳 定 期 模型 一 次开 挖 到 底 , 分 个 时 步模拟 , 一 时步 为初 应 力场 形 成 , 第 时步 开挖 到 底 , 第 时步安装 支撑 , 第 时 步 为 稳 定 期 要 原 因将 是 桩 在 支撑 部位 损 伤 、 折 断或水泥土 桩 被先 拉 断而 渗 漏 水 妻煌, 臼卜 到皇卜 开挖线 妻煌, 臼卜 水泥土搅拌桩 到皇卜 淤泥 开挖线 目 · , 润 一上 习 「一 , ‘ ’ 闷 ‘ , , ‘ , ’ 阳 · , ’ 二 , , 腮 阅 讯 一 厕渊 , 呼 甲 一仁闻与 一 ‘ 一 一 州门删卜 一 门们幽 奋 ,翻 ’ ‘ ’ ’ 比片翻丽 川 厂翩「日 , 训姗「山 一 出 川借 ‘ , , , 。 厕 · 一 州呱 ‘ ‘ , · 图 计算断面 图 塑性区域 模型 第 计算时步 · 表 模型特性参数 模型号 地面超 开挖 载瓜 步数 支撑数 桩长 灌注桩 径 支撑位置 一 模型 ‘乙‘, , ,, 甘︸ ‘,,︸, ︸ 八八︸ 模型 模型 模型 模型 模型 模型 一 , 一 模型 应 力分 布规律性 强 图 是稳定期后主应 力 矢 量 图 局 部 复合桩 水 平位 移量 比模型 大 , 桩 顶 最 大水 平位 移 , 且稳定后 仍有增 长 趋 势 地面 沉 降 、 基坑 反 弹 、 塑 性 区域 分布均 比模型 有较大增 长 土 体变形 、 复合桩位移过 大 引起土 体 大面积 屈服 失效将 是此模型主要破 坏 模式 一 , 一 一 , 一 一 , 一 , 一 · ︸ 一︼ ︸ ︸ ︸ 变形破坏分析 计 算机后 处 理 生 成 了各 步 增 量 位 移 、 节 点 增量位移 矢量 、 塑性 区域 、 桩 身位 移等 图 ”, 由于 篇 幅有 限 , 仅 对 各模 型 作简 要 分 析 模型 基 坑 反 弹 增 长 平 稳 , 开 挖 完 最 大 反 弹 地面沉 降 、 复 合桩水 平位 移 及 塑 性 区 域 , 在 施 加 支 撑 后 分 布 范 围减 小 或 变 形 增 加 趋 势 减 缓 , 最 大 沉 降 土 体局 部 塑 性 破 坏 主 要 是 桩 身位 移产 生 的压 屈 或 剪屈 图 是 第 计 算 时步 塑 性 区 域 分布 图 图 中阴影 部 分 为塑 性 区 域 近桩 土 体 单元 变形 比较 大 受支 撑和 土 压 作用 , 复合 桩在支撑部位产 生 高度应 力集 中 , 在 桩 中下 部 产 生 了竖 直 方 向拉 应 力 , 灌注 桩 中的 主 应 力 是 水 泥 土 桩 中的 一 倍 由计 算 结 果 可 以判 断此 模型 复合桩 支护 结构 失效或 失稳 的主 图 主应 力矢量 模型 第 计算时步 模型 桩长 增加使基坑 内土 体变形 受地面超载影 响减 小 , 基坑 反 弹 比模 型 减 小 开挖面 以上桩 所 受土 压 没什么 变化 , 开挖面 以下桩所受主动 土 压 增 大 , 使桩 水平 位 移 有 所 减 小 , 而地面沉 降 、 塑性 区分布变化 不大 , 故其破坏模式大致同 模 型

Vol.22 No.4 李治平等：士与复合桩支护结构变形破坏分析 ·291* 2.4模型4 挖完后仍有增长.施加支撑后，土体中塑性区分 灌注桩径增大，即抗弯刚度增大，桩抵抗土 布减小不明显.土体变形未充分就施加支撑，使 压能力增强.虽然破坏模式也同模型2，但在开 土体对复合桩的挤压作用增强，支撑部位应力 挖期内地面沉降、桩水平位移及塑区分布比模 集中更趋强烈，这容易造成桩体在支撑部位压 型3均有明显减小，基坑反弹则相差很小.可见 损或折断. 基坑反弹对桩径的变化反应不灵敏，而当其他 2.7模型7 条件相同增大桩径比增大桩长能取得更好的稳 增加1道支撑后，与模型1相比土体变形和 定效果 桩位移均有减小，塑性区变化甚微，应力集中现 2.5模型5 象趋于缓和，基坑整体稳定性增强 当地面超载增加，则未开挖侧桩体所受被 动土压增大，复合桩（特别是桩下部）位移增大趋 3 结束语 势明显，基坑开挖面以下近桩土体单元随之受 利用弹塑性有限元数值模拟结果，结合工 到更大的桩挤压作用，土体变形增加，进而引起 程实际分析土与复合桩支护结构在不同条件下 土体对桩更大的主动土压作用，土与桩的相互 变形特点，并对其破坏模式作出预测，这是研究 作用使塑性屈服区增大，基坑反弹量也比模型 复合桩支护结构在基坑开挖过程中力学行为的 1更大.施加支撑后土体变形和桩位移得到控 有效方法.在今后的研究中，有待进一步考虑地 制，而支撑部位应力集中则更为明显.除模型1 下水位变化、渗压作用、应力路径变化、成桩扰 所述破坏形式，坑外地面沉降、基坑反弹过大及 动等因素的影响，使分析结果更趋实际， 大面积土体屈服失效，这也是工程中不允许的 2.6模型6 参考文献 当基坑开挖速度增大，与其他模型相比士1李治平.土与复合桩支护结构整体非线性分析：[硕士 体变形和复合桩内力发生较大变化，短时间内 论文].赣州：南方冶金学院，1998 土体因开挖卸载引起应力突然释放，基坑反弹 2徐僦，郑榕明.Finite Element Simulation of Deep Base- ment Construction.见：高层建筑与桥梁基础工程学术会 增长迅速，然后相对稳定.地面沉降不大，但开 议论文集.广东省岩石力学与工程学会，1988.131 Deformation and Failure Analysis for Soil and Multiple Piles Retaining Structure LI Zhiping,CAI Meifeng Resources Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT Elastic-plastic FEM is used to respectively simulate the pit excavation under 7 different con- ditions of multiple piles retaining structure based on the engineering practice.The deformation features and failure mechanism of multiple piles retaining structure under different conditions are analyzed on the basis of numerical simulation results. KEY WORDS retaining structure;elastic-plastic finite element;deformation;failure mechanism;multiple piles

李 治 平 等 土 与复 合 桩支护 结构变 形破 坏 分析 模型 灌注 桩 径 增 大 , 即抗 弯 刚度 增 大 , 桩抵 抗土 压 能 力 增 强 虽 然破坏 模式 也 同模 型 , 但在 开 挖 期 内地面沉 降 、 桩 水平 位 移及 塑 区分 布 比模 型 均有 明显 减 小 , 基 坑 反 弹则 相 差 很 小 可 见 基 坑 反弹对 桩径 的变化反 应 不 灵 敏 , 而 当其他 条件 相 同增 大桩径 比增大 桩长 能取 得更 好 的稳 定效果 模型 当地 面 超 载增 加 , 则 未开 挖侧桩 体所 受被 动 土 压 增大 , 复合桩 特别 是桩下 部 位移增大趋 势 明显 , 基 坑 开 挖 面 以下 近 桩 土 体 单 元 随之 受 到更 大 的桩挤压 作用 , 土 体变形 增加 , 进 而 引起 土 体对 桩更 大 的主 动 土 压 作用 土 与桩 的相 互 作用 使塑 性 屈 服 区 增大 , 基 坑 反 弹量 也 比模型 更 大 施 加支撑 后土 体变形 和 桩位 移 得 到控 制 , 而 支撑 部 位 应 力集 中则更 为 明显 除模型 所述破坏 形 式 , 坑 外地面 沉 降 、 基 坑 反 弹 过 大及 大面 积土体屈 服 失效 , 这 也 是 工 程 中不 允许 的 模型 当基 坑 开挖速度增大 , 与其他 模型 相 比土 体 变形 和 复合 桩 内力 发 生 较 大 变 化 短 时 间 内 土 体 因开挖卸载 引起 应 力突然释 放 , 基 坑 反弹 增 长 迅速 , 然 后 相 对稳 定 地面 沉 降不 大 , 但 开 挖 完后 仍有增长 施 加支撑后 , 土 体 中塑性 区分 布 减 小不 明显 土 体变形 未 充 分 就施 加支撑 , 使 土 体对 复合桩 的挤压 作用 增 强 , 支撑 部 位 应 力 集 中更 趋 强 烈 , 这 容 易造 成 桩 体 在 支撑 部位 压 损 或折 断 模型 增 加 道 支撑后 , 与模型 相 比土 体变形 和 桩位 移均有减 小 , 塑性 区变化 甚微 , 应 力集 中现 象 趋 于 缓 和 , 基坑整 体稳 定性 增 强 结束语 利用 弹 塑 性有 限元 数 值模拟 结 果 , 结合 工 程 实际分析土 与 复合桩支护 结构在 不 同条件下 变形特 点 , 并对其破坏 模式作 出预 测 , 这 是研 究 复合桩支护 结构在 基坑 开挖过 程 中力学行 为 的 有效方法 在 今后 的研 究 中 , 有 待进 一 步考虑地 下 水位 变 化 、 渗压 作用 、 应 力路径 变化 、 成 桩 扰 动 等 因素 的影 响 , 使分 析 结果 更 趋 实 际 参 考 文 献 李治平 土 与复合桩支护结构整 体非线性分析 硕士 论文 赣 州 南 方 冶金学 院 , 徐城 , 郑榕 明 而 见 高层建筑与桥梁基础工 程学术会 议论文 集 广 东省岩石 力学与工 程 学会 , 如 人企诉 , , , 一 而 耐 一 耐