（岩土工程专业论文）深基坑支护桩侧土压力的极限分析.pdf

西南交通大学研究生学位论文 第1 页 摘要y 、3 1 8 8 7 6 h 力是土力学中最基本的研究内容之。，它能促进_ ：力学中许多 领域的发展。对于目前国内各地采用较多的种深基坑支护形式一一桩 排式支护结构，其主要受力构件一一护坡桩的受力特点尚不十分明确， 护坡桩桩侧土压力的分布和耿值是工程中急需解决的问题。 f 本文首先综述了不同长高比情况下挡土墙后士体的乏维破坏模式的 现有研究成果，在此基础上提出了桩排式支护在桩间二l 存在十| 拱作用的 情况f 桩后土体的破坏模式，然后根据摩尔库仑屈服准则和相关联流动 法则，推导出了作用在护坡桩上的主动土压力的统一表达式。 本文还结合工程实j 9 1 | l 资料，对无锚撑桩排式支护结构中护坡桩的工 作性能进行了分析。在考虑桩项受到约束力的情况下，把从钢筋应力求 得的弯矩作为其实测值，由本文理论分析所得的土压力产生的弯矩作为 其埋论值，通过实测值与理论值之间的比较，验证了本文分析方法的可 靠性。 最后，还将本文理论分析所得的土压力与经典土压力进行了比较， 其结果表明，坑底以上桩侧的土压力，无论从大小与分布都与经典土压 力理论有显著差别。天、一 j 【关键词】士压力：桩排式支护；护坡桩；深基坑；桩f 日j 距：土拱 西南交通大学研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t s 0 i 1 p r e s s u r e i so n eo ft h em o s tf o u n d a t i o n a lr e s e a r c ht o p i c si ns o i l m e c h a n i c s ，i tc a nb o o s ta d v a n c e si nm a n yo t h e rr e s e a r c hf i e l d s p i l er o w s t r u c t u r ei so n eo ft h em o s tc o m m o n r e t a i n i n g s t r u c t u r e sf o r d e e p e x c a v a t i o ni no u r c o u n t r y h o w e v e r 。t h ew o r k i n gc h a r a c t e f j s t i c s o ft h e r e t a i n i n gp i l e s ，w h i c ha r et h em o s ti m p o r t a n tp a r t so ft h es t r u c t u r e ，a r es t i l l q u i t e n o tc l e a r t h e p r o b l e m o fd i s t r i b u t i o na n dt a k e nv a l u e so fe a r t h p r e s s u r ea g a i n s tt h er e t a i n i n gp i l e sh a v et ob es o l v e du r g e n t l y i nt h i st h e s i s ，t h r e e - d i m e n s i o n a lf a i l u r em o d e so fs o i lm a s sr e l y i n go n t h er a t i oo ft h el e n g t ha n dt h eh e i g h to f r e t a i n i n gw a l la r ef i r s t l yd i s c u s s e d ， t h e nt h r e e d i m e n s i o n a lf a i l u r em o d e so fs o l lm a s sb e h i n dr e t a i n i n gp i l e so f p i l er o ws t r u c t u r ea r es e tf o r t hi nc i r c u m s t a n c e so fe x i s t i n gs o i l a r c h i n g e f f e c t b a s e do nm o h r c o u l o m by i e l d i n gc r i t e r i o na n da s s o c i a t e df l o w i n g r u l e ，t h eu n i f i e df o r m u l ao fp o s i t i v ee a r t hp r e s s u r ea g a i n s tr e t a i n i n gp i l e s h a sb e e ne d u c e d a c c o r d i n g t ot h ef i e l dm e a s u r e m e n t s ，t h e w o r k i n g b e h a v i o r so f r e t a i n i n gp i l e s w i t h o u ta n c h o r a g ea r e a n a l y z e d b yc o n s i d e r i n g t h e t o p r e s t r a i n tf o r c e s ，t h er e l i a b i l i t y0 ft h e t h e s i s a n a l y s i sm e t h o d h a sb e e n v e r i f i e db yt h ec o n t r a s to ft h ec a l c u l a t i n gv a l u e so fm o m e n t sw h i c hf o u n d f r o mt h er e i n f o r e e m e n ts t r e s sa n dt h et h e o r e t i cv a l u e so fm o m e n t sw h i c h r e s u l tf i o mt h ee a r t hp r e s s u r eo ft h e o r e t i ca n a l y s i so ft h i st h e s i s b y t h ec o n t r a s to ft h ee a r t hp r e s s u r eo ft h e o r e t i ca n a l y s i so ft h i st h e s i s a n dt h ec l a s s i ce a r t hp r e s s u r e ，i th a sb e e nf o u n dt h a tt h ee a r t hp r e s s u r eo f t h i st h e s isa r e q u i t ed i f f e r e n tf r o mt h ec l a s s i c a lc o u l o m b so rr a n k i n e s e a r t hp r e s s u r et h e o r y 【k e y w o r d s 1 e a r t hp r e s s u r e ；p i l er o w s t r u c t u r e ；r e t a i n i n gp i l e ； d e e pe x c a v a t i o n ；r e t a i n i n gp i l ei n t e r v a l ；s o i la r c h i n g c h 0 0 1 9 6 0 0 49 9 5 西南交通大学研究生学位论文 第1 页 第一章绪论 1 1深基坑支护技术的应用与发展 随着城市建设的发展，越来越要求丌发三维城市空问。目前各类用 途的地下空问已在世界各大中城市中得到开发利用，诸如高层建筑多层 地下室、地下铁道、地下停车库、地下街道、地下商场等。我国近些年 兴建了大量的高层建筑，由此而产生了大量的深基坑工程。此外，国内 还兴建了许多大型市政地下设施如北京、上海、广州等市的地铁。由此 r 叮见，量多面广的基坑工程已成为城市岩土工程的主要内容之一。另外， 其它如工业、采矿、军事、航天等都会出现一些大中型的基坑工程，基 坑工程学应运而生是必然的趋势。 从地表面开挖基坑的最简单的方法是放坡开挖，而由于受到邻近已 有建筑物、道路交通或地下管线等设施的限制，要进行放坡丌挖几乎是 不可能的。因此，设置挡土结构进行支护开挖是目前基坑工程开挖的常 见形式。 基坑支护技术是一个综合性的岩土工程难题，既涉及土力学中典型 的强度、稳定和变形问题，同时还涉及到土与支护结构的共同作用问题。 同其他岩士工程相同，基坑工程支护技术也具有很强的实践性。人们对 基坑支护的认识也是从实践中逐步深化的，基坑工程支护设计理论也随 着基坑支护工程实践的进展而提高。对上面这些问题的认识及其对策的 研究是随着土力学理论、分柝技术、测试仪器以及施工机械、施工技术 的进步而逐步完善的。我们简单的回顾一下便不难看出，无论是从理论 还是从实践的角度看，基坑开挖技术都有了很大的进步。 最早提出分析方法的是t e r z a g h i 和p e c k 等人，他们早在4 0 年代就 提出了预估挖方稳定程度的和支撑荷载大小的总应力法。这一原理一直 沿用至今，只不过有了许多改进与修正。5 0 年代，b j e r r u m 和e i d e 给出 了分析深基坑底板隆起的方法。6 0 年代开始在奥斯陆和墨西哥城软粘土 西南交通大学研究生学位论文 第2 页 深基坑中使用了仪器进行监测，此后的大量实测资料提高了预测的准确 性，并从7 0 年代起，产生了相应的指导j i ：挖的法规。从8 0 年代初丌始 我国逐步涉入深基坑设计与施工领域，在深圳地区的第一个深基坑支护 t 程率先应用了信息施工法，大大节省了工程造价。进入9 0 年代后为了 总结我国深基坑支护设计与施工经验，丌始着手编制深基坑支护设计与 施工的有关法规。 随着旧城改造工程的进行，对基坑丌挖技术提出了更高、更严的要 求，即不仅要确保边坡的稳定，而且要满足变形控制的要求，以确保基 坑周围的建筑物、地下管线、道路的安全。为了正确估计由于开挖引起 的体和支护系统的变形，一方面依赖于成功应用有限元等现代分析工 具，另一方面依赖于土的计算参数的准确性。常规的室内试验方法已不 足以确定预估位移的关键参数一一土的刚度，只有把室内试验与原位测 试技术结合起来爿+ 能解决这个问题。到目前为止，基坑工程已发展成为 综合考虑结构的强度和稳定、基坑及被支挡土体的变形和稳定、基坑丌 挖对周围环境的影响，集勘察、设计、施工和监测于一体的系统工程。 目前，我国的基本建设f 处于稳步发展的阶段，基坑工程f 向人深 度、大面积方向发展，而我国对基坑丌挖支护设计理论的研究还远远落 后于工程实践。可以预料，基坑开挖和支护技术的各个方面均将得到全 面而深入的应用与推广，各种支护形式和设计计算方法会更加成熟和完 善。 1 2 深基坑支护结构的分类 基坑支护结构主要承受基坑开挖卸荷所产生的土压力和水压力，是 稳定基坑以便于顺利施工并保护周围已有的建筑物和其他工程设施的一 种挡土结构。目前，我国工程中常用的基坑支护形式h ”1 如下： 一、墙板式支护结构 墙板式支护结构有地下连续墙、板桩和桩板式支护三种。 ( 1 ) 地下连续墙 西南交通大学研究生学位论文 第3 页 地下连续墙是为了深基坑支护丌挖、截水或兼作地下承重结构而通 过特殊手段在地下构筑的连续的钢筋混凝土墙体。 使用地下连续墙进行基坑支护的优点是对周围环境的影响小，对地 层的适用性强，可适用于各种复杂的施工环境。此外，地下连续墙作为 支护结构还具有防渗性能和整体性好、丌挖深度大等优点。但是，使用 地下连续墙时对施工工艺要求较高且存在造价高的缺点。 ( 2 ) 板桩支护”3 2 1 板桩支护是将具有一定截面形式的钢板桩或钢筋混凝土板桩依次连 接而形成的具有挡土防渗双重功能的种支护结构，它是一种较老的基 坑支护形式。该方法应用广泛，设计理论比较成熟。 采用钢板桩具有施工方便、工期短、可重复使用等优点。但是也存 在着不足之处：钢板桩刚度比排桩和地下连续墙小，开挖后挠曲变形较 大；打拔桩时振动躁声大，容易引起土体移动；如接头质量不好，也容 易造成桩缝水土流失引起地层塌陷以及失稳问题。使用该方法时开挖深 度一般不大于7 m 。 ( 3 ) 桩板式支护【：” 桩板式支护是由主桩、衬板以及支撑体系共同组成的支护结构，衬 板直接承受坑壁土、水压力并将其传至桩身。 桩板式支护是一种常用的支护方法，过去广泛应用于基槽开挖中， 现在也用于深度不大的基坑丌挖工程，桩板式支护适用于土质较好、地 下水位较低的基坑，当配合降水施工时也可用于地下水位较高的情况。 二、桩排式支护 1 引 又称为柱列式支护，它是将钢筋混凝土挖孔灌注桩或钻孔灌注桩问 隔排列而形成的一种挡土结构。 桩排式支护是目前各地普遍采用的一种挡土结构，这是因为该支护 结构与地下连续墙相比，具有施工工艺简单、成本低、平面布置灵活等 诸多优点。间隔排列的桩排式支护适用于无地下水或允许坑外降水的情 况，当设置止水帏幕或与其他混合式桩组成并排连续墙体时，也可用于 西南交通大学研究生学位论文 簟4 更 软弱含水地层。目前对该支护体系的工作机理尚缺乏足够的认识，设计 计算方法也不统。 = i 、熏力式水泥土挡墙。纠 重力式水泥土挡墙是在基坑玎挖前，在基坑四周用深层搅拌法、高 压喷射注浆等方法将水泥或水泥浆与地基土沿钻孔深度强行拌和而形成 加固土桩体，然后将这些桩体排列成壁式、格栅式就形成重力式水泥土 挡墙。 重力式水泥土挡墙具有挡土和截水的双重功能，其自身刚度大，变 形小，施工较为简便，其设计理论比较成熟，可靠性也比较高。 采用重力式水泥土挡墙作为支护体系，基坑开挖深度通常不宜大于 7 m ，而且墙体较厚，需占用基坑红线内一部分面积。 以上各种支护形式均可根据需要设置支撑或拉锚。 四、土钉支护与喷锚支护n ，圳 土钉支护是由置于基坑边坡中的土钉、混凝土面层、钢筋网与原位 岩土体共同作用而形成的支护体系。 土钉支护是一种新兴的挡土支护技术，最先用于隧道和治理滑坡。9 0 年代开始在深基坑支护中应用。与其他支护结构类型相比，土钉支护具 有施工设备简单、操作方法简便、施工速度快、工期短、造价经济等突 出优点。同时，土钉支护也存在局限性：对场地的排水条件有较高的要 求，其只适用于水位低的地区或者能保证降水到基坑底面以下的情况： 在砂土、粉土、粘性土中效果较好，在软土中，由于土钉抗拔力低，使 用受到限制。 喷锚支护是由预应力土层锚杆和钢筋网喷射混凝土护面对边坡进行 加固，保持施工期间边坡稳定的支妒结构。该支护结构目前已在各地基 坑工程中广泛使用，是一种很有发展前途的护坡方法。喷锚支护具有混 凝土与坑壁土体结合紧密、经济效果好等优点，适用于基坑周围地下空 间可以允许锚杆占用的基坑支护。但在可能产生流砂的土层及淤泥和淤 泥质土层中不宜采用。 西南交通大学研究生学位论文第5 页 前面我们介绍了各种不同的支护结构形式，从各种支护结构形式的 发展上来看，重力式水泥土挡墙、地下连续墙、板桩支护等支护形式由 于出现较早，因而其设计理论比较成熟；土钉墙及喷锚支护等支护形式 虽然在基坑工程中应用较晚，但由于其先鲋己广泛应用于隧道支护及滑 坡治理上，因此也具有较好的理论基础。然而，对目前被各地广泛采用 的桩排式支护形式及一些新型支护结构，其在工程应用中发展较快，但 设计理论的研究明显滞后，其工作机理尚待进一步弄清。 s 1 。3 桩排式支护设计中存在的主要问题 当设计上的考虑不周或施工上不慎，往往会造成基坑的失稳。致使 基坑失稳的原因很多，主要可以归纳为两个方面：一是因为结构的强度 或剐度不足而造成基坑失稳“；一是因为地基土的强度不足而造成基坑 失稳】。 对桩排式支护结构，基坑的破坏主要表现为如下一些形式： 1 护坡桩的强度不够，而对土压力又作了不正确的估计，在土压力 作用下导致护坡桩折断而使基坑失稳； 2 由于护坡桩入土深度不够或基坑底部超挖，导致基坑失稳： 3 桩问距过大，导致桩阳j 土拱效应减弱，使土从桩阃滑出而造成基 坑失稳： 4 护坡桩刚度较小，会导致桩后地面产生较大变形，危及周围环境。 总的来看，基坑失稳破坏的形式主要是桩破坏或桩周土破坏。因此， 对桩排式支护结构，应该对以下几个方面的问题展开研究。 一、桩侧土压力的计算 土压力是基坑支护结构上作用的主要荷载，合理的确定支护结构上 土压力的分布和取值一直是岩土工程界广泛关注的热点问题之一。对目 前国内广泛采用的桩排式支护结构，其桩侧土压力的计算还存在以下几 个急需解决的问题：经典的朗肯或库仑土压力理论对桩排式支护的适 用性还值得深入研究，在许多情况下，这两种理论的计算结果与实测结 西南交通大学研究生学位论文第6 页 果具有很大的差距，这主要是因为这两种土压力理论所采用的基本假定 ，j 桩排式支护的实际情况有一定的差别。支护结构上土压力的分布和 墩值戍该随不同地区的地质情况区别对待，这一点在我国还做的不够。 _ f l i ：汴重史测的州州，还廊政对土压力进行深入的理论研究。本文的第 二和第四章在这些方面作了初步的探讨。 二、桩项圈梁的约束作用( 当桩顶圈梁剐度较大时) 对桩排式支护结构，为了加强支护桩的整体刚度，通常在桩顶设置 一道圈梁。实践表明，桩顶圈梁起到将各个桩连接成整体的作用，在基 坑丌挖时能调节各桩的受力。通过对实测资料的分析表明，圈梁对护 坡桩桩顶会产生一定的约束力，从而改变护坡桩的受力和变形状态，对 减小桩身位移起到明显的作用，文献 7 ，8 中的分析结果也证实了这一 点。在实际基坑支护设计中，一般将圈梁作为一种安全储备而不加以考 虑，往往造成设计的不合理和浪费。如何合理的确定圈梁产生的约束力 并在桩排式支护结构设计中加以考虑具有重要的实用价值，文献 2 2 对 此作了有益的探讨。 三、相邻护坡桩的中心距 在深基坑桩排式支护中存在桩间土体的局部破坏( 在第二章中详细讨 论) ，其主要发生于相邻护坡桩间局部裸露的坑壁士体中 。在桩排式基 坑支护丌挖过程中，相邻护坡桩之间的土体有顺桩缝滑出的趋势，因而 引起桩问土体在水平面内的土拱效应。护坡桩中心距越小，桩间土成拱 效应越强，越有利于坑壁稳定；相反，中心距越大，桩间土成拱效应减 弱甚至消失，越不利于坑壁稳定。在桩排式支护结构设计中，护坡桩中 心距一般凭经验确定而难免带有盲目性，这就显得不尽合理。因此在存 在土拱效应时，如何确定合适的护坡桩中心距也有待深入研究。 四、基坑工程的空间效应 深基坑本身是一个三维的空问结构，因而其支护系统的设计是一个 复杂的三维空间受力与变形的问题，特别是在基坑转角处具有显著的端 部效应阳2 “2 6 ，这已被大量的工程实践所证实。深基坑工程在转角处 西南交通大学研究生学位论文 第7 更 的空间效应减小了其邻近部位坑壁土体的土压力和位移，因而有利于坑 壁土体的稳定。因此考虑空间效应下坑壁土压力计算的研究也具有很大 的实用价值。 血、基坑工程的变形控制 基坑丌挖时变形常起着非常重要的作用。一般来说，支护结构及柏 邻地面变形量的大小取决于下列因素：( 1 ) 土的类型和工程特性；( 2 ) 丌 挖深度；( 3 ) 支护结构类型；( 4 ) 施工质量。目前，在城市基坑工程中， 对基坑工程的变形控制要求越来越严格，此前以强度控制设计为主的方 式f 逐步被以变形控制设计为主的方式所取代，因而基坑的变形分析成 为基坑工程设计中的一个极重要的组成部分。 综上所述，深基坑桩排式支护中未知的因素太多，似乎都有深入研 究的必要。所以基坑工程对岩土工程工作者提出了挑战。 1 4 本文的主要工作 前面我们介绍了国内外深基坑支护技术的应用与发展情况，并对目 前采用较为广泛的桩排式支护结构设计研究中存在的一些问题作了分 析。在成都地区，以建设国际大都会为目标，丁f 逐步进行着城市改造， 其中房屋建设占有重要的位置。目前成都市的高层建筑发展很快，深基 坑工程几乎随处可见，扩建地下商场和兴建地下铁道的计划也f 在酝酿 之中，这无疑将产生大量的深丌挖工程，因而对深基坑支护的研究提出 了更多和更高的要求。成都地区的深基坑丌挖较普遍地采用了桩排式支 护结构，多年的实践表明，这种支护结构在成都地区的实用性较好并且 积累了一定的实际应用经验。但是，对桩排式支护结构的工作机理和设 计计算方法还缺乏必要的研究h ” 。 目前在桩排式支护结构的设计中，将用朗肯或库仑理论计算的土压 力作为作用在护坡桩上的荷载；计算桩身内力时，不考虑桩项圈梁对护 坡桩受力的影响。工程实测和模型试验的结果表明5 - 2 4 ” ，设计护坡桩 所采用的土压力的大小与分布同实际情况有很大的差别；对间隔布桩的 西南交通大学研究生学位论文第8 页 桩排式支护结构( 在成都地区常见) ，桩例土在水平方向的土拱效应使护 坡桩的受力与连续墙完全不同；丽且，在计算中不考虑桩顶圈梁对护坡 桩受力的影响并不符合实际情况。对此，本文丌展了如下的研究工作： 第章酋先综述了，f i 冈长离比情况f 挡t ：墙后体的i 维破坏模式 的现有研究成果，在此基础上提出了桩排式支护在桩白j 土存在_ 十拱作用 的情况下桩后体的破坏模式，然后根据摩尔库仑屈服准则和相关联流 动法则，利用塑性理论的上界分析方法，推导出了作用在护坡桩上的主动 ：爪力的统一表达式。 第三章根据成都地区一实际基坑工程的实测资料，分析了护坡桩的 受力性能。 第四章前部分利用第二章的分析结果，推导出了桩排式支护桩侧土 压力的分布；后半部分结合第三章介绍的基坑工程的实测资料验证了本 文分析方法的可靠性。最后，还将本文理论分析所得桩侧土压力的结果 与经典土压力理论作了比较。 第五章是全文的总结及研究前景的展望。 应该指出的是，本文的研究工作以成都地区实际工程的测试数据为 依据，故文中的分析方法和计算公式都是紧密结合成都地区的地质情况 和实际采用的支护结构形式而建立的。由于施工中普遍将地下水位降至 坑底以下，坑壁无地下水渗流，本文亦未考虑地下水渗流的影响。 西南交通大学研究生学位论文 第9 页 第二章桩后土体主动土压力极限值的理论分析 2 1引言 在深基坑工程中，桩排式支护结构是广为采用的支护体系之，目 前计算护坡桩所受的土压力时大多采用经典的朗肯或库仑土压力理论。 但由于这两种理论研究的是刚性挡士墙上的土压力，而桩排式支护结构 显然不同于刚性挡土墙。在桩排式支护结构中，护坡桩非连续问隔柿置， 此时护坡桩的受力是一个复杂的空间问题，如仍依照平面问题计算土压 力就会产生较大的计算误差，导致不合理的支护结构设计。 本章的目的是针对间隔布桩的桩排式支护结构，研究无粘性土中地 基中护坡桩侧土压力的计算方法。 2 2 各种挡土墙土压力的研究方法 目前深基坑支护设计中对土压力的计算都不同程度地借用了刚性挡 土墙土压力理论。下面将结合现有文献资料，归纳挡土墙土压力的各种 研究方法。此外，还将指出各种方法对桩排式支护的适用性。 一、古典土压力理论 1 库仑土压力理论 墙后土体中形成一滑动楔体，根据楔体的静力平衡条件在主动状态 求出的最大土压力和在被动状态求出的最小土压力分别被称作为在挡土 墙上的主、被动土压力，其计算的基本假定如下： 墙后土体为均质各向同性的无粘性土； 挡土墙很长，属平面应变问题； 墙后破裂面为一平面，且墙后的填土面为一平萄； 滑楔土体可以视为刚体： 在滑裂面上满足极限平衡关系t = n t g 西 ( 2 一1 ) 西南交通大学研究生学位论文第1 0 页 在墙背上满足极限平衡关系t = n t g j ( 2 - 2 ) 其中7 1 、n 分别为滑动面上的切向力和法向力( k n ) ； 矽为墙后填土的内摩擦角( 。) ； 7 、| r 分别为墙土接触面 i 的切向力和法向力( 刖) ； 占为墙与土之叫的摩擦角( 。) 。 在以上假定条件下，根据滑楔的静力平衡关系，即可求得主、被动 七压力o “。 2 朗肯土压力理论 朗肯土压力理论假定墙背与填土问没有摩擦力( 占：o ) ，然后根据墙 身的移动情况，由填土内任一点处于主动或被动极限平衡状态时最大和 最小主应力间的关系，求得主动或被动土压力强度以及主动或被动土压 力。由于没有考虑摩擦力，这与大多数工程的实际情况是不符合的。因 此，用朗肯土压力理论计算挡土墙上的土压力不可避免的存在定的误 差。 库仑、朗肯的理论和公式是为挡土墙而建立的。尽管经典的土压力 理论在以后的发展中得到了很大的改进与提高，但深基坑桩排式支护结 构与挡土墙是有区别的，具体表现在： 1 库仑、朗肯理论的挡土墙是一个平面问题，但深基坑丌挖是一个 空间问题，对护坡桩桩顶的位移测试结果表明m ，在基坑四角的桩顶位 移最小或没有位移，而中部位移最大，证明其不是平面问题。 2 朗肯理论假定墙与土之间无摩擦力，实际上护坡桩与土之间会有 摩擦力”3 “。 3 朗肯、库仑土压力理论假定土压力强度呈线性分布，这与实测情 况并不相符“”】。 由此可见将经典的土压力理论直接用于间隔布桩的桩排式支护结 构，并不符合实际情况。 二、室内模型试验 由于现场原型测试的结果只反映了该挡土墙与填土、地基在特定条 西南交通大学研究生学位论文 第1 1 页 件下的土压力并受到人力、物力和财力等因素的制约，而室内模型试验 可克服上述缺陷且能进行多种方案的对比试验，所以室内模型试验一直 是研究挡土墙土压力分布规律的有效手段之一。 对深基坑支护结构，室内模型试验仍是研究其土压力分布规律的一 种重要手段。在国内，有许多科研工作者展开了这方面的工作。天津市 建筑科学研究院通过室内模型实验和工程实测提出了不同情况下侧土压 力的分布模式c 】，中国建筑科学研究院也通过室内模型试验对护坡桩侧 土压力的分布规律作了有益的探索“，3 ”。 在深基坑支护工程中，土自重引起的应力通常占支配地位，而常规 小比例尺模型试验由于其自重产生的应力远低于原型，为导致模型的失 稳破坏常需在坡顶旅加较大的超载。而自重与超载是两个不同的概念， 不同的受力情况将导致不同的应力及变形特征，所以室内模型试验结果 中的部分将失去其工程应用价值，这是模型试验尺寸效应带来的重要 影响之一。 三、土拱理论法 b ( a ) a 呻1 。 r 4 1 f 1 4 f n i y , , ( l 、 ( | 。) 图2 - i土拱理论示意图 如图卜1 ( a ) 所示，该理论把墙背a b 与滑动面b c 之间的土楔分成 无数厚为出的条带状，当这些条带处于极限平衡时求得a b 面上的应力 西南交通大学研究生学位论文第l2 页 为作用在挡土墙上的土压力。很明显该理论是从图2 1 ( b ) 所示的平行墙 拱体土压力理论移植过来的，只不过挡土墙后拱体区域中条带土体的尺 寸是随着深度z 变化而已。图2 一l ( a ) 中的破裂角b 可以通过试算求出。 浚理论的应用见文献 1 2 13 ，从浚理论计算出来的墙背土压力的分白为 曲线，与许多实测的土压力分布类似。周应英教授认为该理论较适用于 挡1 ：墙平移的情况n ，因平移情况使滑动面处的土体发挥了同等、较大 的剪切强度。目前，国内也将此理论用于分析桩排式支护结构护坡桩侧 土压力的分御规律”】。 四、数值计算理论 随着计算机技术的发展，有限元法( f e m ) 可用来研究深基坑支护结构 及挡墙结构土压力的变化规律和结构位移的大小等”“。3 “。出于土体本构 模型难以准确描述及相应计算参数不易准确测定等原因，应用该方法分 析土压力仍面临一定的困难。但可以预测，有限元法在土压力研究等领 域具有良好的发展前景。 五、土的塑性上限理论 该理论是陈惠发教授等在塑性平衡理论的基础上用极限分析的方法 发展起来的。设定挡土墙后土体的主、被动破坏模式，通过使外力功率 与内部损耗功率相等来求取作用于挡土墙上的主、被动土压力的上限值。 咳理论直观且便于应用，因此自7 0 年代以来陔理论在求取挡土墙土压 力、地基极限承载力及土坡稳定分析等中获得了越来越广泛的应用。文 献 1 4 1 6 详述了该理论的基本原理和应用。 塑性极限分析的方法有许多优点。首先，它为人们提供了一个破坏 模式的清晰的物理图示；同时，极限分析定理在概念上比较简单，很容 易于被人们所接受：并且，极限分析法中的计算，相对来说是简便易行 的，可以不必经过很多滑移面的计算，即可求出极限荷载。因此，可以 用该理论分析桩排式支护结构上的土压力。 对桩排式支护结构采用塑性极限分析的方法研究桩支护桩侧土压 力，决定分析结果可靠性的关键因素，是合理确定桩排式支护情况下桩 西南交通大学研究生学位论文 第13 页 后士体的破坏模式。故下面将先探讨挡土墙后土体破坏模式，在此基础 上，提出桩排式支护桩后土体的破坏模式，并由此推导出桩后主动土压 力上限值的理论解。 2 3 墙后土体破坏模式 2 3 1 墙后土体破坏模式的现有研究成果 目前挡土墙的主动、被动土压力多采用朗肯或库仑理论计算，实质上 这两种理论仅适用于平面问题，即长高比值大于等于5 的长挡土墙的情 况，此时滑裂土体的形状是一个三角形楔体。对短的挡土墙，墙后土体 的破裂形状明显地呈三维的空问状态，墙后土体的破坏模式与挡土墙的 长高比有着密切的关系。对这一问题，国外学者索柯洛夫斯基( b b c oko月obckh n ) 、克列恩( r k kn en h ) 和卡斯底特 ( j k a r s t e d t ) 等较早地注意到了并进行了初期的研究川，我国学者马建 林、刘成宇也指出了这问题并提出了各自的分析方法17 , ” 。特别指出 的是顾慰慈、张办昭、武全社、陈卫平等自8 0 年代以来通过大量的实验 验证了这一现象，并作出了一系列深入的探讨，发展了墙后土体的三维 破裂模式的计算理论2 0 。自9 0 年代以来，我国又有学者在前人工作的 基础上，对这一问题作了深入的探讨- 8 2 。 当挡土墙向前转动或平移使得挡墙产生的位移达到一定值后，墙后 填土中明显地形成两个应力区域，即随同墙体移动的滑动破裂体和未产 生移动的稳定土体。破裂体与稳定体的接触面称为滑动破裂面。 对于长条形挡土墙，其滑动破裂面是通过墙踵并延伸至地面的一斜 平面。 但对短的挡土墙其长高比8 h 的值较小( b 、h 分别为挡土墙的 长度和高度) 。在土压力的作用下，随着挡土墙的向前位移，结果在墙后 的土体中产生了土拱效应。这时土体中的破裂面不再保持为平面，而是 一个空间曲面。 西南交通大学研究生学位论文第1 4 页 ) 助 1 0 0 f c j 手= 2 图2 - 2 墙后填土水平、墙背垂直时的破裂体形状( 引自文献 2 0 j ) 图2 - 3 破裂体的形状 顾慰慈教授等通过对墙后滑动破裂体的形状所进行的大量试验，以 及对试验资料的分析研究，得出了不同墙长时滑动破裂体的形状及其变 c h 0 0 i ，9 6 0 0 49 95 西南交通大学研究生学位论文第1 5 页 化的规律。其结果表明 ，当纠h 1 0 时，破 裂体的顶部出现一条平行于墙面的平直段，其长度随着b h 的增大而增 大，此时平衡拱对破裂体的影响逐渐减小，仅在破裂体的两侧尚留有局 部的平衡拱曲线，如图2 2 ( c ) 所示。当彤h 1 0 时，破裂体中平直段 占墙长的比例远大子局部保留的平衡拱曲线段的长度，此时局部平衡拱 对整个破裂体形状的影响己不明显，破裂体的形状和无限长墙时破裂体 的形状已无多大差别。 实质上破裂体是由平衡拱所包围的土柱被滑动面截去底部一段以后 所剩下的部分。故当挡土墙长高比较小时，破裂体的形状如图2 3 ( a ) 所示；而当挡土墙长高比较大时，破裂体的形状如图2 - 3 ( b ) 所示。 关于平衡拱的形状和尺寸，国外一些研究者曾提出过下列计算图 形： ( q )( b ) ( ) 图2 - 4平衡拱的计算图形 1 9 7 6 年索柯洛夫斯基通过试验提出了图2 - 4 ( a ) 所示的计算模式。 他假定滑动面为一平面，破裂体为棱柱形的截柱体，破裂体的顶面为 一等腰梯形，两侧边与下底边成4 5 0 角。 1 9 7 7 年克列恩提出，破裂体的顶部为一半圆形，滑动面为一平面， 西南交通大学研究生学位论文簟1 6 页 破裂体为一半圆柱形的截柱体，如图2 4 ( b ) 所示。 1 9 7 8 年卡斯底特提出破裂体顶面的形状为一抛物线，滑动面假定 为平面，整个破裂体为一抛物线形的截柱体，如图2 - 4 ( c ) 所示。 、y 、 b 己b 己 y 图2 - 5国内学者提出的平衡拱 1 9 8 2 年张亦昭圳根据填土为砂土的挡墙试验提出如图2 - 5 ( a ) 所示 的平衡拱轴线的计算公式为 丽y 2 j ( 彘“2 9 2 _ 3 0 6 7 9 ( 泰) 2 - 7 2 9 t g ( 2 - 3 ) 式中破裂体顶面矢高s 的表达式为 s = 尝 ，0 6 ，9 ( x ( 2 3 7 6 t g ) 2 + 1 一：，s t g 妒) ( z a ) 1 9 8 4 年顾慰慈等强们根据填土为砂土的挡墙模型试验提出如图2 5 ( b ) 所示的平衡拱轴线的计算公式为 y = 等 ( 2 - s ) 式中五的表达式为 五= i 2 2 + 0 0 0 8 9 6 - 艿 ( 2 - 6 ) 式中j 为墙与土之间的摩擦角。 张亦昭和顾慰慈等提出墙后的破裂体为形如图2 - 4 ( c ) 所示的平衡 拱曲线为抛物线的截柱体。 西南交通大学研究生学位论文 簟17 页 2 3 2挡墙后土体的纯剪切破坏模型及折线破坏模型 笔者认为上述各学者提出的模式各有其优点，将破坏面假设为曲 面，虽可能较为符合实际，但会使土压力的计算复杂化，不便于应用。 为此对刚性挡土墙后土体的破坏，本文假定有纯剪切型和折线型两种破 坏模式。下面介绍二者的形状及其产生的条件。 一、纯剪切破坏模式 、名，八 ， | ， ，、j ， j e l旦 i ( q ( | 。) g c e f 7 6 l 曼j ( c ) b 图2 - 6纯剪切破坏型 纯剪切破坏模式如图2 - 6 ( a ) 所示，墙后滑动破裂体为一刚性多面 体，边界面e c d f 及a c e 和b d f 均假定为平面，其中破裂面e c d f 与水平面的夹角为破裂角声( 图2 - 6 ( b ) ) 。该破坏模式是墙后土体沿 破裂角产生的沿整个墙高的整体剪切破坏，图中的角度，随着破裂角 而变，二者间的关系式见下一节。 由图2 - 6 ( c ) 中的几何关系可得线段g e 的长度为 = 日潞 ( 2 7 ) 从图2 - 6 ( c ) 可知，g e 最大可为b 2 。当g e ，_ b 2 时，有： = 日潞= 拿 ( 2 删 ，r _ 一l j旷r _ 刮j 西南交通大学研究生学位论文第1 8 页 为了便于研究，在这里定义 皿，= 享百s i n , b ( 2 - 9 ) 从上式得 生：鬈(2-lo)b 一2 t g ， 由此可见墙后土体发生纯剪切型破坏的条件是：等夏s i n 万p 或。a 二、折线型破坏模式 当鲁 2 s i t n g f l ，或h h 。时，墙后土体呈现如图2 7 所示的折线型破 坏模式此时，墙后破裂土体沿墙全高以以为界分为两部分，其下段 的破坏机制是剪切破坏；其上段破裂部分是竖直的三棱柱段，是因下部 分破裂土体的剪切滑移对上部分土体的搬运作用而产生的上段三棱柱体 在竖直界面的受拉破坏。此种破坏模式已被填土为砂土的挡墙试验 2 0 3 和抗滑桩模型试验m 1 所证实。 c j ，i 拳i 、 、 严 ，7 ；7 、 i 、 1 、 i i - 、 ( q ) k b d 图2 - 7折线破坏型 ( 。) f 西南交通大学研究生学位论文 纂1 9 页 2 3 3对前述各模式的评述 在前人研究的基础上，本文建立了较为简单的纯剪切破坏模式和折 线型破坏模式，并指出了两种破坏模式的转化条件。 综上所述，实质上克列恩、卡斯底特、张亦昭、顾慰慈等模式与本 文提出的墙后土体的折线型破坏模式是一致的，即对应于长高比比较小 的情况。其中我国学者张亦昭、顾慰慈提出的模式与实验结果吻合较好， 顾慰慈据此还提出了墙后砂土主动土压力的计算方法【2 。 库仑、朗肯理论和索柯洛夫斯基模式与本文提出的墙后土体的纯剪 切型破坏模式是一致的，即对应于长高比比较大的情况，其中库仑、朗 肯主动土压力理论至今仍被工程界所采用。据文献 2 介绍，索柯洛夫 斯基提出的模式的计算结果也较符合实际情况。 将上面的破坏模式运用到间隔布桩的桩排式支护结构，忽略桩身挠 曲变形的影响，即可得出桩后土体的破坏模式。 2 4 桩排式支护桩后主动土压力上限值的理论解 2 4 1概述 为便于说明，这里以无粘性土为例进行研究，对粘性土基坑边坡可 相应类推。一个直观的解决办法就是把粘性土等效为无粘性土来研究。 图2 - 8桩间土成拱示意图 西南交通大学研究生学位论文 纂2 0 更 对间隔布桩的桩排式支护结构，相邻护坡桩之间的土体有顺桩逢滑 出的趋势，从而引起桩间土体在水平面内的土拱效应，随着土的抗剪强 度的发挥，桩间土体产生的侧土压力将传递到两侧的护坡桩上，如图2 - 8 所示，从而保证桩问土体的稳定。而在平衡拱曲线a b c 内侧的土体则处 于失稳状态。 2 4 2护坡桩后破坏土体的范围 一、桩间土体发生纯剪切破坏时 设为基坑挖深，s 为相邻护坡桩的中心距。d 为护坡桩的直径，则 相邻护坡桩的净距为s d 。对桩间土体的破坏模式，可以按墙长 b = s d ，墙高为的挡土墙来考虑。根据上一节的讨论结果，当日 量笋型t g 等，即相邻护坡桩净距与基坑开挖深度的比值掣- 兰s i 器l l 时 zyp 相邻护坡桩间土体将发生纯剪切破坏，此时单根护坡桩将承受棱体 b c d d c 留范围内土体引起的土压力，如图2 - 9 所示。 dan ， 图2 - 9桩间土纯剪切破坏模式下护坡桩后破坏土体的范围 二、桩间土体发生折线型破坏时 1 1 1 西南交通大学研究生学位论文 繁2 l 更 随着开挖深度的增大，当日 孚警时即等 t 0 时，x 0 ，所以平面d b c 的方程应为 石c o s2 ( 一庐) 一s i n2 庐+ ys i n = 0 ( 2 一1 5 ) 考虑平面d b c 上点上的坐标( x t , ，y l ，o ) ，由图2 1 1 ( a ) 可得 几= c m = h c t g f l ，代入式( 2 一1 5 ) 得 西南交通大学研究生学位论文第2 4 页 x ，= 旦塑生! 堡星 j c o s 2 ( 卢一庐 一s i n2 矿 山图2 11 ( a ) 知：d a l m 工f ， 由此司得 够2 筹= 裂。丽h s 丽i n 痧c t g 面f l 由式( 2 1 7 ) 可得，的表达式为 ( 2 一l6 ) ( 2l7 ) 同心再丽c o s 丽f l s i n b ( 2 - 1 8 ) 与破坏模式相对应的速度矢量三角形如图2 1 1 ( c ) 所示。 下面，我们用塑性极限分析方法求护坡桩侧主动土压力的上限解。 如图2 1 l ( a ) 所示，由相应的几何关系得 a b = h c t g f l ，b c = h ，b b d ，d a ：h 撼 ( 2 1 9 ) s 1 n 口 发三棱柱a b c a b c 范围内土体的重量为彬；由对称性可知，三棱 锥c b a d 、c 一b a d 7 范围内土体的重量相等，均为彬，则整个破裂体 的自重矿为 w = + 2 ( 2 - 2 0 ) 式中 矿= l p a b ，b c ，b b = p d h 2c t g f l 彤，= 抄脚a b b c - - - p h 3 学 设整个滑动破裂体的的滑动速度为v ，则整个破裂体自重产生的外 力功率彬为 蹄，g = ( w t + 2 w a ) v s i n ( p 一) = 础2 c t g 睁甄h 丽t g ) , 岫( 2 2 1 如图2 1 2 ，假定只为桩侧土对护坡桩产生的土压力合力，桩与土之 蒜 一一 堂日 s 一 西南交通大学研究生学位论文簟2 5 页 之间所发挥的摩擦角为占，则在两者接触面上产生的外力功率吃为 印0 = 一t o v e o s ( p 一矽) 一只t g g v s i n ( f l 一) ( 2 2 2 ) 圈2 一1 2 桩土接触面产生的外力功率 由外力功率等于内部损耗功率得 吃+ 吃= 0( 2 2 3 ) 将式( 2 2 1 ) 、式( 2 2 2 ) 代入式( 2 2 3 ) ，整理后求出只的表达式为 只= 赢p c l h 刊2e t g + f l t g s 捌i n ( f l n - f ) 卅) l ( 互1 + 务丽t g y ( 2 _ 2 4 ) 式( 2 - 2 4 ) 可以用试算法求解，其约束条件为 妒s 号( 2 - 2 5 ) k o 求出的只一所对应的破裂体的临界破裂角为尾，该只。即为桩后主动 土压力的上限值。 譬2 只一2 啪；尾 ；毒每端( 圭+ 刍器) 一2 6 当孑_ o ，且令巧= o 时，式( 2 - 2 4 ) 求的临界破裂角以= 4 5 。+ 萼， 此时单位宽度护坡桩所受的主动土压力的合力为 西赢交通大学研究生学位论文 簟2 6 页 巧= 只一= 1 , o h 2 t 9 2 ( 4 5 。一罢) ( 2 2 7 )