２０１０年１０月 水运工程 Ｐｏｒｔ＆Ｗａｔｅｒｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ０ｃｔ．２Ｏｌ０ Ｎｏ．１０ Ｓｅｒｉａｌ Ｎｏ．４４６ 第１０期总第４４６期 上部土钉与下部排桩组合支护结构的 力学性状分析 王盼，陈健 （中交四航工程研究院有限公司，广东广州５１０２３０） 摘要：土钉加排桩组合支护结构是一种高效且经济有效的深基坑围护形式。传统的规范设计是将土钉支护和下部排桩 分开计算，没有考虑二者之间的相互影响。借助Ｍｉｄａｓ ＧＴＳ有限元软件对该组合支护结构进行了整体稳定分析，通过调整土 钉的参数和排桩的刚度来分析两种支护结构之间的影响。计算表明，土钉的长度和倾角对组合支护结构的整体稳定安全系数 影响较大，下部排桩刚度对上部土钉支护的内力和位移影ｖ向不大。 关键词：土钉；排桩；组合支护结构；共同作用 中图分类号：Ｔｕ ４３１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００２—４９７２（２０１０）１Ｏ＿０１４１ ４ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ ｏｆ ｕｐｐｅｒ ｓｏｉｌ ｎａｉｌｉｎｇ ａｎｄ ｓｕｂｔｕｓ ｐｉｌｉｎｇ ＷＡＮＧ Ｐａｎ．ＣＨＥＮ Ｊｉａｎ （ＣＣＣＣ Ｆｏｕｒｔｈ Ｈａｒｂｏｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５ １ ０２３０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｄｅｅｐ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎｓ ｒｅｃｅｎｔｌｙ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ｓｏｉｌ ｎａｉｌｉｎｇ ａｎｄ ｐｉｌｉｎｇ．Ｓｏｉｌ ｎａｉｌｉｎｇ ａｎｄ ｐｉｌｉｎｇ ａｒｅ ｃａｌｃｕｈｅｄ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｌｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｗｏ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｉｓｎ’ｔ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ Ｍｉｄａｓ ＧＴＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｓａｆｅｔｙ ｃｏｅｆｉｃｉｆｅｎｔ ｏｆ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ．Ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｎａｉｌｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｐｉｌｉｎｇ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ａｒｅ ａｄｊｕｓｔｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ ｐａｒｔｓ．Ｉｔ ｉｓ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｌｅｎｇｔｈｓ ａｎｄ ｏｂｌｉｑｕｉｔｉｅｓ ｏｆ ｓｏｉｌ ｎａｉｌｉｎｇ ｗｉｌｌ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｓａｆｅｔｙ ｃｏｅｆｉｃｉｆｅｎｔ ｏｆ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ， ｂｕｔ ｔｈｅ ｐｉｌｉｎｇ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｈａｓ ｌｉｔｔｌｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｓｏｉｌ ｎａｉｌｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｏｉｌ ｎａｉｌｉｎｇ；ｐｉｌｉｎｇ；ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｅｎｃ］ｏｓｕｒｅ；ｃｏ—ａｃｔｉｏｎ 作为一种高效经济的深基坑围护形式，上部 结构内力、支护结构整体及局部稳定性和土体位 土钉支护结合下部排桩支护的复合式围护结构， 能充分发挥土钉支护和排桩支护的不同特点。传 移量等数值是否与实际相符，这在很大程度上决 定着支护结构设计的可行性 。 统的规范计算、设计方法是将土钉支护和下部排 桩支护分开单独计算【ｌｌ，按各自规范方法设计［２－３］，其 相互作用忽略不计。随着基坑的开挖，支护结构 常规设计方法的可行性严重制约着该支护结 构的适用性，文章建立了土钉与排桩组合支护的 整体三维模型来计算组合支护结构的整体稳定安 全系数，通过调整土钉的参数和排桩的刚度分析 体系发生变化，上、下部支护结构单元除了满足 按单一结构作用的条件外，还要考虑各支护结构 单元的相互作用。常规设计方法计算所得的支护 两种支护结构之问的影响，并得出一些可供今后 设计同类深基坑工程参考的结论。 收稿日期：２０１０—０９—０１ 作者简介：王盼（１９８４一），男，硕士，助理工程师，从事岩土工程与地基处理。 ・１４２・ 水运工程 １工程概况 表１ 各土层物理力学参数 场地地质资料来源于广州市丸顺汽车配件有 限公司第二工厂扩建工程场地详勘阶段岩土工程 勘察报告。根据勘察报告，场地内岩土层自上而 下划分为：①人工填土层，层厚０．５０—３．９０ ｍ； ②粉质黏土层（泥质粉砂岩风化土），层厚０．５０～ ５．１０ ＩＴＩ，③淤泥质土层，层厚０．５０—５．２０ １１１；④粉 质黏土层，层厚０．８５～４．２０ ＩＴＩ；⑤全风化泥质粉砂 岩，层厚１．２０一ｌ３．１５ ｍ。 算例假定基坑开挖深度１０．００ Ｉｌｌ，基坑围护结 构上部采用土钉墙支护，下部采用排桩围护，支 护结构计算剖面如图１所示。 坑顶排水沟 图１组合支护剖面 文章采用有限元计算方法将土钉支护和排桩 支护一同考虑，统一建模并划分网格。有限元计 算的本构模型采用的是工程中常用的莫尔一库仑理 想弹塑性模型，有限元计算模型如图２所示。 一－一一 ５ ｔ７ｌ 图２整体计算模型 ２有限元计算参数的确定 地质报告及室内土工实验结果表明，该基坑 所处场地条件复杂，上部土层物理力学性质相对 较好，中部夹杂有物理力学性质相对较差的淤泥 质土。各土层物理力学参数见表１。 该计算模型中其它材料的计算参数如下： 土钉：土钉材料按弹性材料考虑，钻孔直径 １３０ ｍｍ，钢筋直径２５ ｍｍ，按照式（Ｄ计算土钉的弹 性模量。土钉钢筋采用ＨＲＢ３３５级钢筋，弹性模 量Ｅ＝２．０ｘ ｌ０ ＭＰａ；注浆材料采用Ｍ２５的水泥浆， 弹性模量 ＝２．０ｘｌ０ ＭＰａ。经计算后土钉的弹性 模量 ＝２．６７ｘ１０ ｌＶｌＰａ。 Ｅ一 ± ！ ｊ ｆ１、 … … 式中：／４为杆体截面面积；Ａ 为锚固体截面面积。 面层：面层厚度为１００ ＦＩＩＩＴＩ，由于面层一般都 有配筋，而相对土体可以看成是弹性体。面层的 弹性模量Ｅ＝２．２ｘ１０ ＭＰａ，泊松比ｖ＝０．２８。 钻孔灌注桩：钻孔灌注桩桩芯采用Ｃ３０混凝 土浇筑，弹性模量Ｅ＝３．０ｘｌ０ ＭＰａ，泊松比ｖ＝０．２６。 支撑和腰梁：钢筋混凝土内支撑和腰梁均采 用Ｃ３０混凝土浇筑，弹性模量Ｅ：３．０ｘｌ０ ＭＰａ，泊 松比ｕ＝０．２６。 ３参数影响分析 按前述的参数建立土钉与排桩组合支护的整 体计算模型来研究２个部分支护结构的共同作用 问题。研究的重点是考察土钉参数变化对排桩支 护结构的影响、排桩支护中灌注桩直径变化对土 钉支护结构的影响，以求把握复合围护结构的特 殊性所在，可供今后同类工程设计参考。 ３．１土钉长度的影响 图３和图４分别是土钉长度在６．０～１４．０ ｍ变 化时，下部排桩桩身最大水平位移、截面最大弯 矩随土钉长度变化而变化的曲线。从图中曲线可 以看出，排桩最大水平位移和截面最大弯矩均随 着土钉长度的增加逐渐减小，但二者减小的幅度 并不大。可见，土钉长度对下部排桩支护结构的 位移和内力影响并不明显，但从图５可以看出， 随着土钉长度的增加，组合支护结构整体稳定安 第１０期 王盼，陈健：上部土钉与下部排桩组合支护结构的力学性状分析 ・１４３・ 皇 量 芎 五 ＊ 嘣 喜 钟 删釜 枯 型 图３排桩最大水平位移随土钉长度变化 图４排桩最大弯矩随土钉长度变化 图５安全系数随土钉长度变化 全系数逐渐增加，且增长较快，【大Ｊ此，增加土钉 钉倾角变化对组合支护结构整体稳定安全系数的 影响较大，其趋势是：随着土钉倾角的增大，组 合支护结构整体稳定安全系数不断增加；开始时 增加较快，随着土钉倾角加大，组合支护整体稳 定安全系数的增长逐渐变缓。由此可见，适当增 加土钉倾角（如采用为１５ｏ￣２５。倾角）对土钉结合 长度是保证支护结构整体稳定性的重要手段。 ３．２土钉倾角的影响 图６和图７分别是土钉倾角在５。～２５。变化 时，下部排桩桩身最大水平位移、截面最大弯矩随 土钉倾角变化的曲线。随着土钉倾角的变化，排 桩最大水平位移及截面最大弯矩的变化趋势并不 明显，二者基本保持不变。从图８可以看出，土 排桩支护结构的稳定性大有好处；但土钉倾角过 大，则其作用不明显，且施工困难，不宜采用。 土钉倾角／（。） 图６排桩最大水平位移随土钉倾角变化 图７排桩最大弯矩随土钉倾角变化 图８安全系数随土钉倾角变化 ３．３土钉间距的影响 加大排桩直径可以减小上部土钉墙的水平位移， 但是，从图１３和图１４可以看出，随着排桩直径 图９和图１０分别为下部排桩桩身最大水平位 移及截面最大弯矩随土钉间距变化的曲线。随着 土钉问距的加大，排桩最大水平位移逐渐增大， 而桩身截面最大弯矩逐渐减小，但二者的变化幅 增大，桩身截面弯矩及支撑轴力急剧增加，从而 导致排桩及支撑的配筋量加大。因此，为了控制 上部土钉墙的水平位移而采取加大排桩直径的方 法不经济。 度均较小。图１ １是组合支护结构整体稳定安全系 数随土钉问距变化的曲线，随着土钉间距的增大， 图１５是土钉最大拉力与排桩直径的关系曲 线，从图中曲线可以看出，随着排桩直径的增大， 各排土钉最大拉力略有增大，分析其原因：土钉 墙发生水平位移后，潜在破坏面内的土体是靠土 体自身结构及设置的土钉来维持其自身稳定的， 支护结构整体稳定安全系数逐渐减小，开始减小 缓慢，随着土钉问距增大，支护结构整体稳定安 全系数减小速率加大。可见，为保证组合支护结 构的安全性，上部土钉墙的土钉应设置得密一点。 ３．４排桩直径的影响 土体强度发挥得越充分，传递给面层的主动土压 力就越小，土钉所受的拉力就越小。下部排桩直 径越大，土钉墙水平位移越小，潜在破坏面上的 图１２是基坑开挖到坑底时，土钉墙最大水平 位移与排桩直径的关系曲线。随着下部排桩直径 的增大，土钉墙的最大水平位移逐渐减小。可见， 剪应力越小，土体传递给面层的土压力就越大， ・１４４・ ２０１０血 圈９排桩最大水平位移随土钉问距变化 图ｌ０排桩最大弯矩随土钉间距变化 图１ １ 安全系数随土钉间距变化 一 ： １７０ Ｉ６５ Ｚ １６０ １５５ 吕 蠢１５０ １４５ １４Ｏ 】Ｏ０ １３５ 图ｌ２土钉墙最大水平位移随排桩直径变化图１３排桩最大弯矩随排桩直径变化 图１４支撑轴力随排桩直径变化 合支护结构整体稳定安全系数的影响显著，为增 加整体围护结构的安全系数，土钉倾角应在常规 设计１０。倾角的基础上略有增加，选择１５。一２５。比 较合适。 ３）随着土钉间距的加大，排桩水平位移逐渐 增大，桩身截面最大弯矩逐渐减小，但二者的变 化幅度均较小。减小土钉间距可以增大组合支护 结构整体稳定安全系数，为保证组合支护结构的 排桩直径／ 安全性，上部土钉墙的土钉应设置得密一点。 图ｌ５土钉最大拉力随排桩直径变化 ４）下部排桩支护结构参数变化对土钉支护的 内力影响不大，其总体趋势也是随着排桩支护的 加强，土钉墙的位移和内力略有减小。 土钉所受的拉力就越大。 ４结论 １）改变土钉的长度对下部排桩支护结构的位 移和内力影响较小，其趋势是随着土钉长度的增 参考文献： ［１】刘建航，侯学渊．基坑工程手册【Ｍ】．北京：中国建筑工业 出版社，１９９７． 大，排桩的水平位移、截面最大弯矩及支撑轴力 略为减小。从稳定性的角度来看，增加土钉的长 【２］林颖孜．复杂条件下软土深坑支护的设计与实践【Ｊ】＿建 筑结构，２０００，３０（５）：４３—４５． ［３］Ｂｏｗｌｅｓ Ｊ Ｅ．Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ［Ｍ］．Ｌｏｎｄｏｎ： Ｍｃ Ｇｒａｗ Ｈｉｌｌ Ｂｏｏｋ Ｃｏｍｐａｎｙ，１９８２． 度可以大幅度提高组合支护结构的整体稳定安全 系数，因此，增加土钉长度是保证支护结构整体 稳定性的重要手段。 ２）改变土钉的倾角，下部排桩支护结构的位 ［４１沈恺伦．土钉加排桩复合围护结构的共同作用分析【Ｊ］． 岩石力学与工程学报，２００７，２６（１）：１６９—１７４． （本文编辑武亚庆） 移和内力基本保持不变。但是土钉倾角变化对组