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