深大基坑中冠梁的变形特征及一种新型冠梁_申正洋.pdf

书书书Journal of Engineering Geology工程地质学报10049665/2023/31(2)-0661-10申正洋，黄华，李新生，等 2023 深大基坑中冠梁的变形特征及一种新型冠梁J 工程地质学报，31(2):661670 doi:1013544/jcnkijeg2020619Shen Zhengyang，Huang Hua，Li Xinsheng，et al 2023 Deformation characteristics of conventional and new top beams in deep and large foundation pitwith numerical simulationsJ Journal of Engineering Geology，31(2):661670 doi:1013544/jcnkijeg2020619深大基坑中冠梁的变形特征及一种新型冠梁*申正洋黄华李新生孟宏特谢冬洲(长安大学地质工程与测绘学院，西安 710000，中国)(中国科学院武汉岩土力学研究所，武汉 430000，中国)摘要基坑尺寸影响其支护结构的变形特征，在大尺寸基坑中，长冠梁的作用并不十分明晰。为探究其受力、变形形式及对其他支护结构的影响，在前人研究基础上对大、小尺寸基坑的冠梁荷载条件及约束条件进行了研究，得出了长、短冠梁的基本变形特征;通过数值法验证了长冠梁的变形特性，并对冠梁完整性、锚杆预应力的设置效果等进行了评价;通过总结长冠梁支护效果的优劣点，提出了一种拼接式的新型冠梁，利用数值法对其支护效果、抗破坏扩展性进行了评价。研究表明:长冠梁比短冠梁有更完整的“波形特征”，该特征可能恶化局部排桩的稳定条件、阻碍预应力锚杆发挥作用，提出的新型冠梁通过先铰接、再刚接的方式，在减小变形、提高锚杆支护效力的基础上，保留了传统冠梁加强支护结构整体性的作用，是一种优化设计。关键词大型基坑;长冠梁;波形特征;新型冠梁中图分类号:TV551.4文献标识码:Adoi:1013544/jcnkijeg2020619*收稿日期:20201130;修回日期:20210121基金项目:国家自然科学基金(资助号:41920104010)This research is supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No 41920104010)第一作者简介:申正洋(1996)，男，硕士生，主要从事地质灾害及岩土工程方面的研究 E-mail:Szyoung038126com通讯作者简介:李新生(1971)，男，博士，副教授，主要从事工程地质力学方面的科研与教学工作 E-mail:l13609203865163comDEFOMATION CHAACTEISTICS OF CONVENTIONAL AND NEWTOP BEAMS IN DEEP AND LAGE FOUNDATION PIT WITH NUMEI-CAL SIMULATIONSSHEN ZhengyangHUANG HuaLI XinshengMENG HongteXIE Dongzhou(College of Geological Engineering and Geomatics，Chang an University，Xi an 710000，China)(Institute of ock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430000，China)AbstractThe size of the foundation pit affects the deformation characteristics of its supporting structure The effectof long top beams in a long foundation pit is not quite clear In order to clarify the force state，deformation form andthe influence on other supporting structures，we studied the load conditions and restraint conditions of long andshort top beams on the basis of previous studies，and obtained their main deformation characteristics With the helpof numerical simulation，we verified the long top beam s deformation form，and assessed effect of different level ofintegrity and the setting of prestress on the anchor rod Then we proposed a new spliced top beam，based on the ad-vantages and disadvantages of traditional top beam Then we assessed its supporting effect and restrict ability ondamage expansion by numerical methods Study shows that the long top beams have more complete“wave character-istics”than the short top beams，which may deteriorate the stability conditions of local piles and hinder the functionof prestressed anchors The proposed new top beams are hinged and then rigidly connected，which weakens the“wave characteristics”It retains the function of the traditional top beam to strengthen the support structure and re-duces the deformation and improves the effectiveness of bolt support It turns out to be an optimized design.Key wordsLarge foundation pit;Long top beams;Wave characteristics;New type of top beam0引言随着我国经济、科技的快速发展，人民文化需求的增长，城镇、乡村等对学校、医院等大型建筑产生了更多需求，基坑规模也随之扩大。以西安为例，“高新区国际会议中心项目”基坑尺寸长逾 250 m，宽逾 200 m，桩锚结构是这类大型基坑常用的支护方案。一般的桩锚结构包含 4 个部分:排桩、锚杆(索)与腰梁、砂浆网面和冠梁。冠梁是连接各桩桩顶的支护构件，具有控制基坑坡顶变形、增强支护结构整体性的作用。目前相关研究呈现以下特性:针对桩、锚的研究多，针对冠梁的研究少;小尺寸基坑相关成果较多，大尺寸基坑相关成果较少;对长冠梁的变形特征认识不够深入。另一方面，随“无冠梁桩锚支护技术”经验的累积，业内已出现“取消冠梁，加设预应力锚杆”的工程案例。基于以上情况，目前亟需对大尺寸基坑中超长冠梁的特征进行更深入的研究。早年基坑规模较小，且冠梁变形监测工作中，监测点的分布较稀疏(观测点间距为 1520 m)，一些局部区域的变形特征难以体现。经统计，冠梁的水平变形曲线呈正弦函数型(王建军等，2006;许锡昌等，2006a，2006b)，基于此变形模式衍生了一系列研究成果(许锡昌等，2006a，2006b;郭文爱等，2007)。随时代发展，大尺寸基坑涌现，出现了两侧为曲线、中间为直线的新冠梁变形模式(阮波等，2015)。关于冠梁变形特性的研究仍处于描述阶段。部分学者对冠梁的作用进行了评价，在基坑阴角附近的变形及其作用上有不同看法。李浩等(2017)认为，基坑阴角处与远离阴角处土体受力状态不同，为避免阴角处冠梁受力复杂化，应在阴角附近适当位置将冠梁断开;程雪松等(2015)对支护结构对基坑局部失效扩展的抑制效果进行了研究，利用有限差分法、离散元法结合模型试验，发现冠梁可有效抑制局部破坏的扩展，应保证冠梁的完整性。总之，超长冠梁的变形特征及相关处理原则仍有待探究。冠梁变形问题的主要研究方法有理论法(秦立科等，2009)、现场(监测)试验法(安关峰等，2007;温兆东，2009;熊智彪等，2009;黄钟晖等，2013;秦胜伍等，2020)、模型模拟法(程雪松等，2015)和数值法(阮波等，2015)。理论法一般基于理想模型或假设条件，如“假定基坑阴角处冠梁铰支”等，但由于支护结构构件较多，许多假设条件难以严格成立;现场(监测)试验法能大致反映冠梁变形的真实情况，但现有的监测方法使得数据点较为分散，小范围的数据变化趋势不易体现;模型试验受到尺寸效应的影响，非足尺模型对“大边长基坑”的模拟效果不佳，足尺模型成本较高;数值法是近年来兴起的新方法，利用数值法得到的结果可视化效果好，且可自定义监测数据密度，使用简便，效率高。因此，采用理论法进行定性判断，并利用数值法进行具体计算作为支撑依据是兼顾合理假设与计算效率的研究方法。本文对现有的冠梁变形曲线类型及其特征进行了简要总结;在讨论土桩冠梁的相互作用的基础上，对“冠梁扩大桩顶最大变形”这一现象的机制和影响因素进行了总结，基于更加合理的假设条件提出更贴合实际的冠梁变形特征;其次通过数值法对以上分析进行验证，对冠梁的支护效果进行分析，总结了设置冠梁的有利和不利作用;最后，通过提出新概念冠梁削弱了其控制变形及不利于预应力锚杆发挥作用等不利影响，减小了局部桩顶变形，减小了结构破坏风险，并通过数值法进行了说明。1冠梁的基本变形模式国内针对冠梁变形模式的研究成果主要分为 2类:基于实测数据或模拟结果的解释、总结和基于假设的理论推导。1.1冠梁变形特征相关成果早期国内基坑规模较小，冠梁的水平变形与基坑阴角联系紧密，前人根据对受弯弹性简支梁的认识，在总结现场数据的基础上，提出了如下冠梁水平266Journal of Engineering Geology工程地质学报2023变形经验式(1)，根据该式，基坑的变形曲线为正弦函数型(图 1a)。=0sinxl()(1)式中:x 为冠梁某点至阴角的距离;为该点的水平变形量;l 为基坑边长;即冠梁长度;0为冠梁最大水平变形。根据该公式，冠梁的最大变形量发生于冠梁中部。图 1冠梁变形曲线Fig 1Deformation curve of top beama 短冠梁变形曲线;b 长冠梁变形曲线阮波等(2015)对某“L”形基坑进行了数值模拟，结果显示:在基坑短边，冠梁的变形曲线如 图1a，在基坑边较长处，冠梁的变形曲线如图 1b，揭示了不同长短条件下的变形差异。孙海涛等(2001)分别求解了长、短冠梁的内力微分方程，探究了冠梁的力学特征。该方程的曲线图像如图 2。研究表明，短冠梁最大水平变形位置是其中点，而长冠梁的最大变形位置为基坑阴角附近某点。他在论文中指出，冠梁对最大桩顶变形有扩大作用，不利于边坡稳定。其研究成果基于以下假定:将冠梁简化为两端铰支的简支梁;将排桩视为悬臂梁;无冠梁条件下忽略基坑的空间变形特征，即认为阴角处与基坑中部的排桩所受土压力、变形相等，基坑全长为平面应变问题。然后求解了考虑冠梁、排桩协调变形作用的冠梁的受力微分方程。其研究一定程度上描述和解释了冠梁的变形特征及其机理，尤其是反映了桩梁作用力的“波形特征”(如图 2，长冠梁的荷载曲线呈明显的“波形特征”;短冠梁则由于长度短，“波形特征”的表达并不完整)。为方便求解，作者采用了较理想化的假定条件，使得成果有局限性。首先，阴角处冠梁是一体浇筑的，钢筋经过焊接，冠梁之间存在力及力矩的图 2冠梁的受力曲线Fig 2The force curve of the top beamsa 长冠梁的受力曲线;b 短冠梁的受力曲线作用，简支梁的力学约束条件并不能完全反映这些力学边界;其次，“土体荷载沿基坑边不发生变化”这一假定忽视了基坑的空间变形特征，与真实情况不符(豆红强等，2018)。因此，必须采用更符合真实情况的假定条件，系统地研究无支护结构条件下基坑的三维变形特征，基坑边坡变形与排桩等支护结构变形之间的关系及支护结构之间的相互作用。1.2冠梁的荷载条件桩锚支护为被动支护结构，其变形与边坡基坑空间变形特征密切相关。冠梁所受荷载实际为桩梁间作用力，由于各排桩为弹性材料，其长度、截面等性质均相同，可根据无冠梁状态排桩的变形量与有冠梁条件下的排桩变形量之差计算冠梁所受荷载。F=A(y1 y0)(2)式中:F 为冠梁受到来自排桩的横向荷载;y1为有冠梁条件下的桩顶变形;y0为无冠梁条件下的桩顶变形;A 为桩顶变形系数，与桩的长度、间距、尺寸等支护参数有关，还与基坑的空间特征有关。1.2.1基坑的空间变形特征土体为弹塑性体，基坑开挖前为均匀受压状态，无剪切变形。如图 3，基坑开挖使边坡水平约束模式改变，竖向土条单元出现剪切变形，宏观表现为边坡向坑内的移动;与竖向土条的剪切变形类似，土36631(2)申正洋等:深大基坑中冠梁的变形特征及一种新型冠梁图 3基坑开挖造成的土条变形Fig 3Soil strip deformation caused byexcavation of foundation pita 竖直土条的剪切变形;b 水平土条的剪切变形体的水平约束条件在阴角处改变，水平土条有剪切变形，宏观表现为基坑内(自由段)有较大水平变形，基坑外(嵌固段)也有少量变形。俯视基坑，不含支护结构的边坡坡顶水平变形简图如图 4。坡顶水平变形量随其位置变化:基坑阴角附近小，基坑中部大。阴角相邻两边坡的变形相互制约，其变形是三维问题;远离阴角，相邻边坡间作用强度随距离衰减，边坡变形退化为如图 3b所示的平面应变问题。当基坑边长较短时，坡顶变形曲线类似图 4a;当基坑边长足够长，则对应前述的平面应变问题，基坑中部出现坡顶水平变形量相同的“稳定段”，坡顶变形曲线类似图 4b。冠梁是将排桩连接为整体的结构，腰梁与冠梁作用类似，但腰梁采用的工字钢、槽钢等材料的截面尺寸小，抗弯刚度较小。若支护结构不含冠梁，同时忽略腰梁的连接作用，则排桩是分散的支护结构。桩体、预应力锚杆的设置可改变边坡内部应力状态及塑性区的分布，沿边坡倾向的剖面上，竖直方向上的水平变形量分布形式及大小均可能发生较大变化(赵梦怡等，2018;陈竑然等，2019)，沿坑方向上坡图 4无冠梁条件下的排桩变形Fig 4Deformation of row piles without top beama 短边基坑;b 长边基坑顶变形量大小会发生变化，但其两边小、中间大的分布特征不会改变。悬臂桩、锚拉桩的支护效果如图5 所示，无论采用哪种支护方式，桩顶的水平变形量都较大。图 5排桩的变形模式简图Fig 5Schematic diagram of the deformationmode of the row of pilesa 悬臂桩;b 锚拉桩由于保留了图 4所示的沿坑方向上的变形特征，排桩与冠梁的相互作用模式与“简支梁”假定不同。排桩悬臂梁式的约束模式决定了单侧受荷载(边坡水平土压力)条件下自由端挠度最大。根据“简支梁”假定，冠梁两端挠度为 0、转角最大，梁中间挠度最大、转角为 0(对称的荷载条件)。两端支点处，2 类构件变形模式是矛盾的。孙海涛等(2001)不考虑无冠梁条件下的基坑空间特征，在此基础上将加设的冠梁视为刚支点简支梁，根据式(2)，这两种假定将使得冠梁两端的作用力趋于无穷大(图 2)，与实际不符。若考虑阴角与基坑中部的差异，将冠梁两端视为弹性支点，以各构件的变466Journal of Engineering Geology工程地质学报2023形、强度参数为依据，考虑构件间的变形协调，则可得出更符合实际的冠梁变形曲线。1.3冠梁的变形特征本文 1.2 节所得出的荷载分布条件，将影响冠梁的“波形特征”的显著程度和范围。1.3.1波形特征“波形特征”的本质，是“挠度偏移”现象随冠梁长度的组合、变化。所谓“挠度偏移”现象，是指在约束模式的影响下，集中力的作用位置与最大挠度位置不同。简支梁受到单个集中荷载时，最大挠度位置在荷载点靠近梁中心一侧。如图 6，当荷载距离右支点近时，则最大挠度发生在荷载作用点左侧，距离左支点近时则相反。图 6挠度偏移现象Fig 6Deflection eccentricity根据材料力学(王社等，2014)，长度为 l 的简支梁受到集中荷载作用时(作用点与左支点的距离为 a，与右支点的距离为 b，ab)，简支梁的最大挠度 max与荷载点挠度 0不相等。该现象的本质为在集中荷载作用下，梁产生的转角不会突变，荷载作用位置附近梁沿该点转角逐渐过渡。荷载作用位置的挠度为:0=Fb2(l b)23lEI(3)可求得另一挠度等于 0的点，该点坐标为:x1=8al 7a2 a2(4)两点之间的距离为 C，描述挠度转移的影响范围的大小。C=a x1=32a 8al 7a22(5)挠度最大值为:max=Fb(l2 b2)3/29 3lEI(6)当且仅当 x=x0=(l2 b2)/3 时取得该最大值，该点与荷载作用位置 x=a 之间的距离 Le为:Le=a x0=l b(l2 b2)/3(7)挠度转移的距离取K=max/0(8)式中:K 可描述挠度偏移现象的剧烈程度。通过对以上各式求导，可知 0为 b 的增函数，K 为 b 的减函数;Le、c 均为 b 的减函数。总结而言，荷载作用位置越靠近支点，引起的挠度偏移现象越剧烈，影响的范围越广。梁的变形是多种简单力学作用引起的变形的线性叠加，材料力学中有叠加法求取梁变形曲线的计算方法。值得注意的是，在冠梁排桩结构中，每根排桩与冠梁的作用力不是相互独立的。假设 图 7中 x=a 处、x=d 处分别有两根排桩(adl/2)，当右侧排桩引起的 1大于左侧排桩的 2时，左侧排桩与冠梁间作用力方向发生改变，x=d 处排桩以 x=a处排桩为右支点发生反向的挠度偏移现象，从 x=a到 x=d，变形量先增加后减小。挠度偏移现象向中心不断正向、反向叠加，最终使得冠梁的变形出现波形特征。图 7挠度偏移现象的叠加Fig 7Superposition of wave characteristics梁两端的挠度偏移现象最明显，因此两端会出现较明显的波形特征。1.2 节所提出的无冠梁条件下的排桩变形会使得相对于孙海涛等(2001)的计算结果，冠梁的横波波形特征幅度更小。1.3.2短冠梁的变形特征短冠梁长度较短，变形保留了简支梁的主要特征，如图 8。短冠梁的波形特征表达并不完整，仅限于增大了冠梁中部排桩的变形，降低冠梁中部的支护结构和边坡稳定性。受到相邻边坡冠梁的影响，阴角处冠梁受到弯矩的作用，减小了阴角处小范围内的冠梁转角。1.3.3长冠梁的变形特征造成冠梁变形特征随其自身长度变化的原因有两个:简支梁自身变形特征随长度的变化和冠梁变长导致的约束模式改变。对 l 求偏导，可知 0、K、Le、C 均为 l 的增函数，即相同排桩间距条件下，冠梁越长，挠度偏移作用的范围、强度会增大。该特征会造成两个效果:长冠梁的波形特征表达地更完整;同荷载条件下，长冠梁56631(2)申正洋等:深大基坑中冠梁的变形特征及一种新型冠梁图 8短冠梁受力、变形简图Fig 8Short top beam stress and deformation diagram的变形量和波动幅度比短冠梁更大，但冠梁排桩结构中，变形量的改变也代表着荷载的变化。约束模式的改变是指边坡中部排桩的变形刚度远大于冠梁自身，导致冠梁的简支梁特性减弱。材料力学中给出了简支梁、悬臂梁受到荷载时的挠度计算公式:?1=Fx(l1 x)6E1I1l1 l21 x2(l1 x)2(9)?2=Fl326E2I2(10)产生单位挠度时，即 1=2=1，可根据以上两式计算对应的力 F，如下式:F=3E1I1k2l31(1-k)2(11)其中:k=xl1(12)根据该式，当 l1较大时，外力 F 引发的冠梁水平变形量较大。F=3E2I2l32(13)F 为桩、梁间的作用力与反作用力，因此两式中，F 数值上相等，冠梁、排桩选用的材料、截面积相差无几，有 E1I1E2I2。当基坑边长较长时，有 l1l2，k0 或 k1 时，即接近阴角处，单位外力引起的冠梁挠度较小，冠梁中部主要受排桩的控制。结合荷载的分布形式，以及冠梁与排桩的变形关系，大边长基坑中部将出现水平变形量相对恒定的“稳定段”。“稳定段”可视为冠梁上的约束条件，改变了冠梁“简支梁”式的变形模式。其变形可分为 3 部分:阴角段、过渡段和稳定段。冠梁中存在多种力学作用，如图 9。阴角处，相邻冠梁的变形对冠梁产生向右的压力 Fx1;基坑开挖后冠梁受排桩作用向坑内(图中向下)变形，与相邻冠梁产生相互作用力，即相邻冠梁图 9长冠梁受力、变形简图Fig 9Schematic diagram of force anddeformation of long top beam对其有支撑力 Fy1;阴角处冠梁一体浇筑，相邻冠梁发生的挠曲变形对冠梁产生顺时针弯矩 M1。稳定段相对稳定，可视为嵌固段，可向冠梁提供竖向作用力 Fy2，水平力 Fx2以及弯矩 M2。综上所述，长冠梁的变形曲线如图 9 中虚线。Fx1与 Fy1使得阴角处的变形量小，力学效果类似简支梁的支点;M1使得支点处初始转角减小，随距离的增长，该作用被桩梁作用力产生的挠度偏移现象覆盖，同时变形出现波形特征，该特征也随距离增长不断衰减，最终到达稳定段，冠梁水平变形量不再变化。从简支梁的特性来看，冠梁越长，波形特征表达越完整，但冠梁过长导致排桩对变形的控制作用增强，从而改变了约束模式，使得波动现象范围缩小且更不明显。1.3.4冠梁的其他功能特征一般认为，冠梁有控制水平变形量和增强整体性、抵抗局部排桩失效的作用。根据上文分析，阴角附近冠梁仍能有效减少桩顶变形，但远离阴角处效果减弱，某些部位甚至可能增大桩顶变形。所谓增强整体性，即单桩受到的异常于其他桩的荷载、变形可以分担到其他桩上，使得各个桩的变形量分布连续、均匀。在增强整体性上，超长冠梁仍发挥了有利作用，如波形特征的出现。抵抗局部冠梁失效功能，是指一根或几根排桩失效后，冠梁阻止其破坏范围继续扩大的功能。抵抗整体失效的最有效部位是阴角。阴角土体本身处于相对稳定状态，另外阴角两侧的支护结构相互支撑，增强了稳定性。基坑边长越大，阴角影响的范围占基坑边长的比例就越小。因此冠梁长度越大，抵抗基坑局部失效的能力越弱。2冠梁变形模拟为对以上冠梁受力、变形特征进行分析、验证，结合西安地区工程案例一般特征，利用 FLAC3D进行数值模拟，所建模型如图 10。666Journal of Engineering Geology工程地质学报2023图 10地质模型Fig 10Geological model为增加计算效率，考虑模型对称性，取完整模型的 1/4 部分。完整基坑长 60 m，宽 60 m，深 15 m，土体采用莫尔库仑本构模型，参数见表 1;支护结构采用锚拉桩，共三排预应力锚索，桩径 0.7 m，间距1.5 m，悬 臂 段 15 m，嵌 固 段 13 m，冠 梁 截 面 为0.7 m0.7 m，材料参数与排桩相同，支护结构及其与土体接触面参数见表 2。表 1模型物理力学参数Table 1Mechanical parameters of model深度d/m密度/g cm3黏聚力c/kPa内摩擦角/()泊松比弹性模量E/MPa0101753025027801030186322502780表 2支护结构及其与土间结构面参数Table 2Parameters of supporting structure and the surfacebetween structure and soil排桩弹性模量E/MPa泊松比剪切刚度Ks/MPa cm1法向刚度Kn/MPa cm1锚杆弹性模量E/MPa锚杆预应力F/kN30011313200050图11 为无冠梁、含完整冠梁和局部冠梁条件下边坡顶部的水平变形曲线。从图 11 可看出，无冠梁条件下，阴角侧(22.530.0 m)变形量更大，但远离阴角处(22.5 m 以左)，变形量比完整冠梁条件下更小。当仅保留阴角侧冠梁时(局部冠梁)，阴角侧变形量与完整冠梁条件下的变形量基本相同，远离阴角处的变形量小于完整冠梁。以上特征表明，长冠梁的变形模式与“简支梁”模型不同。挠度偏移导致变形量超过了无冠梁条件下的水平变形量，反而导致远离阴角处冠梁增大了图 11不同完整程度冠梁变形特征Fig 11Deformation characteristics of top beamswith different degrees of integrity水平变形，恶化了桩体受力状态。为探究有、无冠梁条件下预应力锚杆能否起到优化支护结构变形状态的作用，分别在加设预应力和不加设预应力条件下进行了模拟，结果如图 12所示。图 12冠梁与预应力耦合效果Fig 12Coupling effect of top beam and prestress根据图 12，观察有冠梁、无预应力条件下的冠梁变形曲线。阴角处转角较小，反映了冠梁间的弯矩作用;在水平位置 15 m 附近出现了波形特征，相比较于孙海涛等(2001)的研究成果，波形特征更不明显，与分析结论相符。无冠梁条件下加设预应力可明显减少远阴角处的水平变形量，阴角侧变形量则基本不受预应力的影响。有冠梁条件下，锚杆加设预应力不能显著改变坡顶的变形量，但在 5.012.5 m 范围内，加设预应力时变形量更大，12.518.0 m 范围内则相反。即通过加设预应力锚杆，可削弱波形特征，仅保留了冠梁两侧最明显的挠度偏移现象。与有冠梁条件相比，无冠梁条件下若不加设预应力，则远离阴角处变76631(2)申正洋等:深大基坑中冠梁的变形特征及一种新型冠梁形量大，加设预应力则变形量小。通过对比几组数值模拟结果，可见超长冠梁中，阴角侧偏大的转角恶化了远阴角处的土体受力条件，同时削弱了预应力锚杆减小变形量的作用，进而对支护结构的稳定性造成不利影响。另外，阴角侧曲线较陡，证明单位长度上土间存在较大的剪切变形，这也是不利于结构稳定的。冠梁的存在起到了减小最大曲线斜率的作用，增加了阴角处的稳定性。3一种新型可回收冠梁根据模拟，无冠梁、含预应力锚杆条件下能取得较好的支护效果。上文从变形角度得出，长冠梁在控制变形方面效果较差，但冠梁还有增强整体性、减小局部破坏扩展风险的作用，设置冠梁可作为支护结构的安全储备。为优化传统冠梁在控制变形方面的缺陷，提出一种新型的可回收冠梁。3.1新型冠梁概念新型冠梁主要由 3 部分组成(图 13)，阴角冠梁，过渡冠梁和直线冠梁。阴角冠梁采用钢筋混凝土材料，应用于基坑的 A-O-B 段，该部分冠梁主要功能为控制阴角处的坡顶变形，防止出现过大的水平变形差异。过渡冠梁和直线冠梁以刚度与传统冠梁相等或相近为原则，设计为钢桁架或其他结构，以便回收利用，降低成本。直线冠梁使用于远离阴角处(CD 段)，增加抗局部风险能力。过渡冠梁使用于阴角冠梁与直线冠梁之间(AC 段)。图 13新型冠梁示意图Fig 13Schematic diagram of the new type of top beam阴角冠梁施工方法与传统冠梁基本相同，但在A、B 点预留连接接口，以便与过渡冠梁连接。直线冠梁采用刚性拼接设计，每根直线冠梁单元可连接4 或 5 根排桩，通过拼接、组合以适应不同尺寸的基坑。过渡冠梁间采用铰接接口，基坑开挖前铰接，待基坑开挖完毕后，在断口附近通过加设角钢(图 14虚线)或其他方式将铰接转换为刚性连接。待过渡冠梁切换为刚性连接后，冠梁的受力条件较为均匀，可避免传统冠梁对阴角附近支护结构的不利作用。为明确这种新型设计是否会影响冠梁控制变形、抗局部风险作用，设计了数值模拟对其进行评价。3.2新型冠梁的控制变形、抗局部风险作用评价为评价新型冠梁是否优化了传统冠梁的变形状态，采用以上 FLAC3D模型，分别设置无冠梁、传统冠梁和新型冠梁，进行数值模拟，结果见图 14。图 14新型冠梁与传统冠梁Fig 14New type of top beam and traditional top beam根据模拟结果(图 14)，远离阴角处，新型冠梁的变形量与无冠梁条件下变形量水平相当，明显比传统冠梁更优;新型冠梁不会削弱预应力锚杆的作用，不会对支护结构稳定造成不利影响;在曲线斜率上未能进一步优化。总结来讲，在控制变形方面，新型冠梁起到了优化作用。通过删除部分排桩，可模拟局部支护结构失效后的基坑变形情况。以下对无冠梁、传统冠梁和新型冠梁条件下，基坑中部、阴角附近分别出现单桩、群桩(3 根)失效后的情况进行模拟。结果见图 15。由图可见，无论传统冠梁还是新型冠梁，均能减小局部破坏引发的危害。破坏点位于基坑中部时，新型冠梁的变形量均略小于传统冠梁;当破坏距离阴角较近时，这种变形量差异更明显，这可能是传统冠梁较强的挠度偏移现象造成的。另外，对比图 15a 与图 15b，可见当破坏点位于基坑中部时，造成的不利影响更显著，当破坏点位于阴角附近时，不利影响相对较小。以上破坏条件下，基坑阴角受到的影响均较小。总结模拟结果，冠梁提高了支护结构的整体性，866Journal of Engineering Geology工程地质学报2023图 15远、近阴角处排桩局部破坏后变形曲线Fig 15Deformation curve of piles at the far and nearinside corners after partial failurea 远阴角处;b 近阴角处提高了对局部破坏的抗风险能力。新型冠梁保留了传统冠梁的功能，并且效果有一定提升。阴角是较为稳定的结构，设置冠梁可扩大阴角的影响范围。采用新型冠梁与预应力锚杆的组合支护结构可显著减小变形，且保持结构的抗局部破坏风险能力。4结论通过总结已有论文成果，分析了长、短冠梁的变形模式的差异，对“波形特征”进行了研究，发现该特征可能对其他支护构件有不利作用，并通过数值法进行了验证，最终提出了一种三段拼接式冠梁对其进行改进。通过数值法对其变形控制、局部灾害控制功能进行了评价，发现新型冠梁是一种优化设计。所得主要结论有:(1)冠梁变形存在波形特征，波形特征的完整性及强烈程度受基坑长度的影响。(2)由简支梁的变形特征可知，冠梁越长，挠度偏移现象越强，波形特征的表达越完整，冠梁短则反之。冠梁越长则排桩对变形的控制作用越强，冠梁的简支梁特性越弱，其波形特征衰减更快。(3)冠梁较长时会增大局部排桩受力，不利于局部边坡稳定，且不利于预应力锚杆发挥其作用。(4)新型冠梁可消除传统冠梁的不利作用，优化直线段、过渡段的水平变形量及显著提高近阴角处的抗局部风险能力。(5)基坑边长较长时，设置冠梁可抑制局部破坏的扩展。参考文献An G F，Gao J Y 2007 Comprehensive analysis of deep foundation pitsfor undergroundspaceinGuangzhouJChineseJournalofGeotechnical Engineering，29(6):872879.Chen H，Qin S Q，Xue L，et al 2019 Modes of mechanical action be-tween locked segmentsJ Journal of Engineering Geology，27(1):113.Cheng X S，Zheng G，Deng C H，et al 2015 Mechanism of progressivecollapse induced by partial failure of cantilever contiguous retainingpilesJ Chinese Journal of Geotechnical Engineering，37(7):12491263.Dou H Q，Wang H，Wu 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