（岩土工程专业论文）某内撑试深基坑变形规律研究及围护结构优化.pdf

一孵。论黝司层 作者联系方式： 地址： 电话： 手机：1 3 1 4 6 5 2 9 1 0 7 邮编： 1 0 0 0 4 4 传真： 电子信箱：t a o li d u n 1 6 3 c o m 删 8 内支撑式围护结构在地铁深基坑工程中有着广泛的应用，作为一种临时结构，其对 基坑位移的控制好但造价高，如何达到安全性与经济性的统一，便是对此种围护结构进 行研究和优化的目的。 本文首先对内支撑式围护结构的组成、适用范围、计算理论作了简要介绍。依托于 某在建工程，对基坑变形规律作了较系统的研究并提出了围护桩的优化方案。主要研究 内容包括两个方面，第一个内容是对当前设计和施工过程的研究，先对围护结构的设计 进行了可靠性验证，然后对实际施工过程进行了有限元模拟，结合实测资料研究基坑实 际施工中的变形规律，并据此提出了本工程围护结构设计优化的突破点；第二个研究内 容为本工程围护结构设计优化的具体实现方法，通过对围护桩的布置形式和预加轴力的 改变来实现围护结构的优化，最终确定了在安全性和经济性有机统一的前提下，本工程 围护结构的最优布置形式和最优预加轴力，也确定了不同桩布置形式下预加轴力的合理 选择问题。本文所得结论对本类地质条件下的地铁深基坑的设计和施工具有一定的指导 意义和实用价值。 关键词：深基坑；钢支撑；预加轴力；有限元；围护桩 t h ef o r mo fs t e e lb r a c i n gs t r u c t u r eh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h es u b w a yd e e pf o u n d a t i o n p i t a sat e m p o r a r ys t r u c t u r e ，i ti su s e f u lt oc o n t r o l t h ed e f o r m a t i o no ff o u n d a t i o nb u t c o s i l y o u ra i mi st oa c h i e v e ab e s tc o m b i n a t i o no fs e c u r i t ya n de c o n o m y t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ec o m p o s i t i o n ，a p p l i c a t i o n s ，c o m p u t a t i o n a lm e t h o d so ft h es t e e l b r a c i n gs t r u c t u r e i ts t u d i e d t h ed e t a i ld e f o r m a t i o no faf o u n d a t i o n p i tw h i c hu n d e r c o n s t r u c t i o n t h em a i nc o n t e n t si n c l u d et w oa s p e c t s t h ef i r s tc o n t e n ti sas t u d yo ft h ed e s i g n a n dc u r r e n tc o n s t r u c t i o np r o c e s s i tf i r s tc o n d u c t e das t u d yf o rt h er e l i a b i l i t yo fs t r u c t u r e d e s i g n ，a n dt h e nm a d eaf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nt ot h ea c t u a lc o n s t r u c t i o np r o c e s sc o m b i n e 诵t ht h em e a s u r e dd a t ao fd e f o r m a t i o n f i n a l l y ，t h ee n t r yp o i n tf o r t h ed e s i g no p t i m i z a t i o nh a s b e e np r o p o s e d ；t h es e c o n dc o n t e n ti st of i n d i n gaw a yo fd e s i g no p t i m i z a t i o n w ea c h i e v e t h eo b je c t i v eb yc h a n g i n gt h el a y o u to fp i l ea n dc h a n g i n gt h es t e e lb r a c i n gp r e s s u r e f i n a l l y ， w em a d et h eo p t i m a ll a y o u to ft h ep i l e sa n dt h eb e s tp r e - a x i a lf o r c ef o rt h i se n g i n e e f i n g a n d i d e n t i f i e dt h eb e s tp r e a x i a lf o r c ei nd i f f e r e n tl a y o u to ft h ep i l e s t h ea n a l y t i c a lm e t h o d a n dc o r r e s p o n d i n gc o n c l u s i o n sg a i n e dh a v em o r ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a lm e a n i n ga n dp r a c t i c a l v a l u e si nt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fd e e pf o u n d a t i o np i t k e y w o r d s ：d e e pf o u n d a t i o n ，p i ts t e e lb r a c i n g ，p r e - p r e s s u r e ，f i n i t ee l e m e n t ，p i l e 目录 目录 摘要1 a b s t r a o t 。ii 目录i i l 第1 章绪论1 1 1 内支撑式围护结构概述1 1 1 1 内支撑式围护结构的组成及适用范围1 1 1 2 内支撑式围护结构计算理论与分析方法1 1 2 选题依据及意义5 1 3 国内外研究现状j 5 第2 章本文研究对象、研究内容与研究方法7 2 1 工程概况7 2 1 1 车站及基坑围护结构概况一7 2 1 2 场地工程地质与水文地质条件8 2 2 研究内容与研究方法1 l 2 2 1 研究内容l l 2 2 2 研究方法1 2 第3 章基坑围护结构设计验证13 3 1 围护结构设计参数1 3 3 2 设计工况1 4 3 3 设计验证1 5 3 3 1 设计工况下的计算模型1 5 3 3 2 设计条件下基坑变形规律1 7 第4 章基坑施工过程中变形规律研究2 0 4 1 土方开挖施工方案2 0 4 2 基坑实际施工过程模拟2 l 4 2 1 计算模型2 1 4 2 2 施工过程模拟2 2 4 3 计算结果分析2 3 4 3 1 各个工况下的基坑变形规律2 3 4 3 2 计算结果统计4 4 4 4 本章小结4 9 第5 章优化的可行性探讨和具体优化手段5 1 1 i 目录 5 1 优化的可行性5 l 5 2 优化的实施6 1 5 2 1 桩布置形式对桩和桩间土的影响5 2 5 2 2 预加轴力对桩内力和水平位移的影响7 2 5 2 3 最优方案的确定7 9 5 3 本章小结8 0 第6 章结论与展望8 1 6 1 结论8 l 6 2 展望8 2 参考文献8 4 致谢8 7 附录8 8 i v 第1 章绪论 1 1 内支撑式围护结构概述 第1 章绪论 1 1 1 内支撑式围护结构的组成及适用范围 内支撑式支护结构的含义可用“外护内支 四个字表述【l l 。“外护指的是用围护构 件对外挡住坑外土体、防止地下水渗漏，“内支 是指利用内支撑系统为围护构件的稳 定提供足够的支撑力。这类支护结构的竖向围护构件一般为梁式受力，而支撑构件在发 挥其支撑功能时是柱式受力。围护结构主要由围护桩、冠梁、腰梁和内支撑组成，当基 坑宽度较大时在支撑中部设置立柱。常见的围护桩形式有钻孔灌注桩和s m w 工法桩、 板桩、水泥土挡墙、地下连续墙等；冠梁设置在桩顶，一般为钢筋混凝土结构；冠梁以 下的腰梁一般为型钢构件；内支撑主要分混凝土支撑和钢支撑。 评价一种围护结构优劣的一般标准是质量、造价和工期。内支撑式围护结构中，内 撑可有效改善竖向围护结构的受力状态，并能有效地控制位移，但造价较高。从地质条 件上看，内支撑式围护结构型式可适用于各种地质条件下的基坑工程，而最能发挥其优 越性的是软弱地基中的基坑工程。因为在软土地基中的基坑一般变形较大，如果采用锚 索支护，锚索较难在软土中发挥自身的抗拉能力，因而就很难是经济的。而内撑式支护 的支撑构件自身的承载能力与构件的强度、截面尺寸及组成型式有关，受周围土质的影 响较小。从开挖深度看，这种围护型式适用于各种深度的的基坑工程。至于多大的开挖 深度、出现多大的土压力适宜采用内撑，则应通过技术和经济比较决定。 1 1 2 内支撑式围护结构计算理论与分析方法 因考虑因素和假定条件的不同，内支撑式围护结构有多种计算理论和分析方法，如 表1 1 所示大致上可分为五类【2 1 。其中第一类最为简单近似，越往后越精确，但计算复 杂并有待于进一步发展。 第1 章绪论 表1 1 围护结构计算理论分类 类别计算理论及方法方法的基本条件方法名称举例 土压力己知 等值梁法( 固定端支承法) 较古典的钢板桩计算理论不考虑墙体变形 静立平衡法( 自由端支承法) 二分之一分割法 不考虑支撑变形 太沙基法 支撑轴力、墙体弯矩 土压力已知 弹性法 考虑墙体变形 不变化的计算方法塑性法( 山肩邦男法) 不考虑支撑变形 支撑轴力、墙体弯矩 土压力已知有限单元法 考虑墙体变形 一翅j 一 蚺。、，扣靠-吨一懈，“h 静#蒌k0鏊辫鼙骥辩蟹磁 莎 ，。、 _ 一 声 m一， ，悉纛薹戮瑟q，t_4r，4，4 嚣-囊“瓣赫搿璇致辫骈譬i-i 第5 章优化的可行性探讨和具体优化手段 图5 - 2 3 围护桩水平位移 ( 3 ) 桩间距2 0m ，桩径0 9m 图5 2 5 围护桩水平位移 ( 4 ) 桩间距2 0m ，桩径o 8m 图5 2 7 围护桩水平位移 ( 5 ) 桩间距2 0m ，桩径o 7m l 。j 篇= 曩，：黧： 良：罴竺 壤：戮 黔：淼 黪；谶 ：篡 l 懑 l ：徽 k 滋 g ；i ：燃 ：、：滋 篓：；：徽 l t ：徽 l ：徽 7 r ” i ：嚣：鬟 曩_ ：徽 爱：黝 l 麓凇 黧：戮 黔：淼 基。，j 徽 徽 “t _ r m _ 褫 卜 羞二 图5 2 6 各工况下单根桩水平位移变化图 i - “_ f r ，“ _ _ - _ - 纱： 囊融龆赫嘲棚釉 图5 2 8 各工况下单根桩水平位移变化图 r 笏一 l 第5 章优化的可行性探讨和具体优化手段 图5 2 9 围护桩水平位移 4 ) 桩间距为2 2m 时 ( 1 ) 桩间距2 2m ，桩径1 1m 图5 - 3 1 围护桩水平位移 ( 2 ) 桩间距2 2m ，桩径1 0m 图5 - 3 3 围护桩水平位移 ( 3 ) 桩间距2 2m ，桩径0 9m ij 黧嚣 目：! ：燃 目? i ：麓 隧：篙搿 院篡 隧篡：篡 i 乏罴 5 7 鼍愁箩 i 7 翻鲍冒簟醇盔缬畸 图5 3 0 各工况下单根桩水平位移变化图 嗣翻越龋自姆瘟肇毋 图5 - 3 2 各工况下单根桩水平位移变化图 翻崩翻籀瞄喇雌 图5 3 4 各工况下单根桩水平位移变化图 r 缘瓣 缓 r e 第5 章优化的可行性探讨和具体优化手段 图5 - 3 5 围护桩水平位移 ( 4 ) 桩间距2 2m ，桩径o 8m 嚣；：o ，m m 。z 1 。2 图5 - 3 7 围护桩水平位移 ( 5 ) 桩间距2 2m ，桩径o 7m 图5 3 9 围护桩水平位移 5 ) 桩间距为2 4m 时 ( 1 ) 桩间距2 4m ，桩径1 1m 、：篇篡 l ：粼 躲懑 黔：嚣嚣 懿滋 昆燃： k 蠢 眨蒸 蹩：篙 l 麓罴 黔；燃 霆j 哆：麓 簟一：冀震 e ! 拦 5 8 奠剜龃崔嗣崮譬锄 图5 3 6 各工况下单根桩水平位移变化图 壹翻翻翻嘲髓馕龋磅 图5 3 8 各工况下单根桩水平位移变化图 翻瞳啦盥幽譬j 踯唪 图5 - 4 0 各工况下单根桩水平位移变化图 r “- 魏 鬻- 缪一 l r “- 卜 笏 l 1 _ - 粉 卜 移 缪。 l 第5 章优化的可行性探讨和具体优化手段 图5 - 4 l 围护桩水平位移 ( 2 ) 桩间距2 4m ，桩径1 0m 图5 _ 4 3 围护桩水平位移 ( 3 ) 桩间距2 4m ，桩径0 9m 图5 4 5 围护桩水平位移 ( 4 ) 桩间距2 4m ，桩径o 8m 5 9 翟髓毪酗嘲喇 图5 - 4 2 各工况下单根桩水平位移变化图 盘剜成峨越譬董遗毒 图5 4 4 各工况下单根桩水平位移变化图 篇磷嘲鞠睁喇 图5 - 4 6 各工况下单根桩水平位移变化图 囊一 ”t 镕 攀一 e 一 雠 一 一 辨 鼢 篪缓躲彩羧黪蓼貉誓 第5 章优化的可行性探讨和具体优化手段 图5 - 4 7 围护桩水平位移 ( 5 ) 桩问距2 4m ，桩径0 7m 嚣 ：o m 。，。8 慨 图5 - 4 9 围护桩水平位移 桩径对桩体位移的影响： i l r 豪 黩：篡篡 目：窆：徽 牡溅 目：黧黧 ，：麓篇 lj 谶 t n ：黧= 黢蒸 鏊毪2 滚 良：激： 黪：徽 鏊tn ：徽 k 懑 嗣蹦融蹦蕊氍嘶霉 图5 _ 4 8 各工况下单根桩水平位移变化图 r “_ 磁 p 笏 l 莲 翻船翟西薯翻翰 图5 5 0 各工况下单根桩水平位移变化图 参照上章对桩的分类，一种是与支撑点距离较远，基本处于支撑中间位置的桩( 桩 1 ) ；另一种是支撑直接作用其上或距离支撑点很近的桩( 桩2 ) 。在桩间距一定的情况下， 两种桩桩体位移随桩径大小的变化规律如下所示。 第5 章优化的可行性探讨和具体优化手段 图5 5 l 桩间距1 6m 时桩l 水平位移图5 5 2 桩间距1 6m 时桩2 水平位移 图5 5 3 桩间距1 8m 时桩l 水平位移图5 5 4 桩间距1 8m 时桩2 水平位移 6 1 第5 章优化的可行性探讨和具体优化手段 图5 5 5 桩间距2 0 m 时桩1 水平位移图5 5 6 桩间距2 0m 时桩2 水平位移 图5 5 7 桩间距2 2m 时桩1 水平位移图5 5 8 桩间距2 2m 时桩2 水平位移 图5 - 5 9 桩间距2 4 1 1 1 时桩1 水平位移图5 - 6 0 桩间距2 4 m 时桩2 水平位移 从以上图可以看出，当桩径处于一个较大的范围时，其大小对桩体位移的影响区别 不大。以桩间距为2 4m 为例，可以看出桩径为1 1m 和1 0m 时桩体位移几乎相同， 其最大位移均控制在9m m 左右，即桩径处于一个较大的范围时再增大桩径意义不大。 从图5 5 9 可以看出，出当桩径减小为0 9m 时，桩体位移即有所变化，但变化量仍不不 大，平均整个桩身位移增加量为1m m ，最大位移仍控制在1 0m m 内；当桩径减小为o 8 m 时，桩体位移变化量加大，最大位移达到1 2m m 左右；当桩径减小为o 7m 时，整个桩 身位移平均增加3 m m ，最大桩体位移达到1 5m m 。 从以上图还可以看出，在每种桩间距下，桩身水平位移随桩径大小的变化规律基本 一致，只是桩间距较大时桩体位移比桩间距较小时变化趋势稍显明显。对于三道支撑点 处的桩体位移，计算结果显示其位移量随桩径几乎不变，即钢支撑的存在完全限制住 了支撑点的桩体位移，对此三点处的桩体位移提出了保障。 不同桩间距对桩体位移的影响： 在桩径一定的情况下，两种桩桩体位移随桩间距大小的变化规律如下所示。 6 3 图5 - 6 1 桩径1 1m 时桩l 水平位移图5 - 6 2 桩径1 1m 时桩2 水平位移 图5 6 3 桩径1 0m 时桩l 水平位移图5 - 6 4 桩径1 01 1 1 时桩2 水平位移 图5 6 5 桩径0 9m 时桩l 水平位移图5 - 6 6 桩径0 9m 时桩2 水平位移 图5 6 7 桩径0 8m 时桩l 水平位移图5 6 8 桩径0 8m 时桩2 水平位移 6 5 图5 6 9 桩径0 7m 时桩1 水平位移图5 7 0 桩径0 7m 时桩2 水平位移 由以上图可以看出，桩间距对桩体位移影响效果不大。 计算结果统计： 每种桩布置形式下的桩1 最大位移值如下表所示( 单位为m m ) 。 表5 - 1 各布置方案下桩1 最大位移 桩径 1 1 m1 o m0 9 m0 8 m0 7 m 桩间距 1 6 m9 1 8 79 2 7 89 7 3 81 1 4 2 41 3 4 8 8 1 8 m8 6 6 39 1 5 49 6 6 91 1 5 4 21 3 8 1 0 2 o m9 3 4 19 4 4 79 9 5 21 1 8 0 7 1 4 1 2 6 2 2 m8 6 6 98 7 6 29 2 8 41 1 1 4 0 1 3 4 4 3 2 4 m9 2 8 79 4 1 81 0 0 2 41 2 1 3 8 1 4 6 9 4 每种桩布置形式下的桩2 最大位移值如下表所示。( 单位为m m ) 表5 - 2 各布置方案下桩2 最大位移 桩径1 1 m 1 o m0 9 m0 8 m 0 7 m 桩问距 1 6 m6 9 1 37 1 5 67 4 6 99 3 3 41 1 7 1 8 m7 0 0 87 1 6 37 7 3 29 7 0 51 2 0 9 2 2 o m6 9 3 37 0 9 47 9 1 11 0 3 9 61 3 1 9 l 2 2 m6 5 9 86 7 2 37 4 6 69 9 2 91 2 6 0 9 2 4 m7 4 6 27 6 4 78 4 7 71 0 9 5 91 3 7 4 1 第5 章优化的可行性探讨和具体优化手段 对于每种桩径的下的桩体位移，其最大部位均在第二道支撑与第三道支撑之间， 在基坑深度1 0 - - 1 l m 左右。由表5 1 和表5 2 可以看出桩体最大水平位移随桩径的减小 和桩间距的加大变大，受桩径影响较明显。 从图5 1 图6 0 可以看出桩径的减小使得桩体本身的相对位移加大，增加了桩身的挠 曲变形，特别是桩体位移最大点与支撑处的相对位移增加明显，此两点处的相对位移大 小如表3 一表4 所示。 每种桩布置形式下的桩l 最大位移点与第二道支撑作用点的相对位移如下表所示。 ( 单位为m m ) 表5 3 桩1 最大位移点与第二道支撑作用点的相对位移 桩径 1 1 m1 o m0 9 m0 8 m0 7 m 桩间距 1 6 m2 4 0 22 4 9 72 9 9 44 3 5 l5 9 5 1 8 m2 3 72 5 1 73 0 4 74 5 0 56 2 6 9 2 o m2 4 7 3 2 6 1 6 3 1 2 4 5 9 6 3 8 9 2 2 m2 5 4 62 7 4 33 4 3 25 1 6 57 0 0 l 2 4 m2 5 6 42 7 0 73 2 2 84 8 26 7 5 3 每种桩布置形式下的桩2 最大位移点与第二道支撑作用点的相对位移如下表所示。 ( 单位为m m ) 表5 4 桩2 最大位移点与第二道支撑作用点的相对位移 程径 1 1 m1 o m0 9 m0 8 m0 7 m 桩间距 1 6 m1 6 3 5 1 9 1 9 2 2 0 33 6 5 55 3 8 1 1 8 m1 8 8 41 9 4 72 4 1 23 8 6 35 6 8 6 2 o m1 9 3 62 0 7 32 6 8 24 5 2 56 6 3 2 2 m1 9 3 42 1 5 43 0 0 85 1 2 87 2 0 2 2 4 m2 0 9 22 2 2 32 8 14 6 5 26 7 6 3 从表5 3 和表5 _ 4 可以看出，对于桩l 和桩2 ，当桩径为1 o m 时桩体最大位移点与 第二道支撑点处的相对位移基本为2 m m 左右，而当桩径为o 7 m 时，此两点的相对位移 达到6 7 m m 。 桩l 与桩2 距离钢支撑的远近不同，所受到的支撑的约束也不同，两者间的水平位 移差值如下列图所示。 6 7 第5 章优化的可行性探讨和具体优化手段 图5 7 1 桩间距1 6 m 时桩l 、桩 2 水平位移差值 图5 7 2 桩间距1 g i n 时桩l 、 桩2 水平位移差值 图5 7 4 桩间距2 2 m 桩1 、桩2 水平位移差值 对比桩l 和桩2 的位移差值可以看出， 图5 7 3 桩间距2 o m 时桩l 、桩 2 水平位移差值 图5 7 5 桩间距2 4 m 桩l 、桩2 水平位移差值 在桩间距较小时，不同位置处的桩体位移的 第5 章优化的可行忾探讨和具体优化手段 差值随桩径变化不大，当桩间距较大时，桩径越大，桩l 与桩2 的差别越大。以桩间距 为2 4 m 为例，桩径较大时桩1 、桩2 的最大位移差值为2 m m ，而当桩径变小时，两者 差值逐渐变小。相对来说在三道支撑点处，桩1 、桩2 间的位移差较大，即说明支撑点 对桩2 的作用效果明显。 总体来说，桩布置形式的对桩体水平位移的影响表现在以下几个方面： 1 ) 桩径的大小对桩的水平位移影响大，桩径越大，桩身水平位移越小；当桩径达 到一定的程度后，再提高桩径对桩身位移的控制效果不再明显。由于桩径的大小直接影 响混凝土和钢筋的用量，因此过大的桩径只会造成资源的浪费。 2 ) 在一定的范围以内，桩间距的大小对桩体位移影响较小。 3 ) 桩l 和桩2 由于分别受钢腰梁和钢支撑的约束表现出位移的差值，桩1 位移普 遍比桩2 大，因此应将桩l 的位移作为围护桩的重点关注对象进行监测和控制。 5 2 1 2 桩布置形式对桩间土位移的影响 桩间土体的位移是影响基坑安全的一个重要因素，但由于对土体位移的监测难度 大，目前虽然能做到土层分层沉降和土体的测斜，但由于实际操作难度大，测点极易被 破坏，所以对桩间土水平位移的总结和研究仍很少。通过有限元模型则可以容易的实现 这点。 不同桩径对桩间土体位移的影响 图5 7 6 桩间距1 6 m 时桩间土水 平位移 图5 7 7 桩间距1 g i n 时桩间土水 平位移 图5 7 8 桩间距2 o m 时桩间土水 平位移 第5 章优化的可行性探讨和具体优化手段 图5 7 9 桩间距2 2 m 时桩间土水平位移图5 8 0 桩间距2 4 m 时桩间土水平位移 不同桩间距对桩间土体位移的影响 图5 8 l 桩径为1 1 m 时桩间土 图5 8 2 桩径为1 o m 时桩间土水图5 8 3 桩径为0 9 m 时桩间土水 水平位移平位移平位移 一图5 8 4 桩径为o 8 m 时桩间土水平位移图5 8 5 桩径为0 7 m 时桩间土水平位移 计算结果统计： 每种桩布置形式下的桩间土体最大位移值如下表所示( 单位为r a m ) 。 表5 5 各布置方案下桩间土最大位移 桩径 1 1 m1 o m0 9 m0 8 m0 7 m 桩间距。 1 6 m1 5 8 61 5 8 51 6 0 71 7 0 91 8 5 2 1 8 m1 7 4 3 1 7 6 l1 7 5 41 9 6 72 4 1 0 2 o m1 8 2 71 8 0 41 8 6 42 0 4 72 7 2 2 2 2 m2 2 4 62 2 4 52 2 6 22 3 6 62 5 2 2 2 4 m2 8 7 02 8 7 52 9 0 43 0 1 33 1 6 6 每种桩布置形式下的桩间土体平均位移值如下表所示( 单位为m m ) 。 表5 - 6 各布置方案下桩间土最大位移 桩径 1 1 m1 o m0 9 m0 g m0 7 m 桩间距 1 6 m 9 2 29 1 49 0 49 4 l1 0 0 7 1 8 m9 2 49 1 79 1 99 6 3 l o 3 6 2 o ml o 4 91 0 3 41 0 3 71 0 9 21 1 6 9 2 2 m1 0 7 0l o 5 91 0 5 l1 1 0 l1 1 8 5 2 4 m1 2 9 4 1 2 8 81 2 9 01 3 4 51 4 _ 2 7 7 1 第5 章优化的可行性探讨和具体优化手段 从表5 5 和表5 - 6 可以看出，桩间土位移受桩径影响较小，受桩间距影响较大。2 5 种方案下的桩间土最大位移最大值为31 6 6 m m 。在各种桩径下，桩间距2 4 m 时桩间土 位移均比桩间距1 6 m 时大1 3 m m 左右。桩间土位移平均值在9 1 4 m m 之间，以桩径o 7 m 为例，桩间距2 4 m 时桩间土位移值平均为1 4 2 7 m m ，桩间距1 6 m 时，桩间土位移平均 值为1 0 0 7 m m ，两者相差4 m m 。 总体来说，桩径的大小对桩间土水平位移影响小，桩间距的大小对桩间土水平位移 影响大。考虑抑制桩间土的位移时，不宜把桩间距设置过大。 5 2 1 3 本工程桩布置形式的选取 本工程围护最大桩水平位移控制值为3 0 m m ，在当前的基坑监测中，一般以控制值 的7 0 作为预警值，以控制值的8 0 作为报警值。对于以上布置方案，可以看出在最小 桩径o 7 m 、最大桩间距2 4 m 的组合形式下，桩体水平位移最大达到1 5 m m ，仍在预警 值范围以内。因此在满足桩体水平位移的前提下，该方案是经济可取的，但考虑到桩径 由o 7 m 增大到o 8 m 的过程中对桩体水平位移的减小幅度大，所以桩径选取为o 8 m 最 佳。由于桩间土直接暴露在基坑内，其向基坑内过大的水平位移将造成土体发生主动破 坏，其表现形式为桩间漏土或桩间土体塌陷，所以对桩间土体的位移应控制在一定的范 围，而目前对于桩间土的水平位移没有统一的控制标准。对于以上布置方案，可以看出 在最大桩间距2 4 m 、最小桩径o 7 m 的组合形式下，桩间土水平位移最大，达到3 2 m m 。 从图8 1 8 5 可以看出桩间距2 2 m 比桩间距2 4 m 对桩间土的抑制幅度明显，因此，桩间 距的最佳取值为2 2 m 。 采用桩径0 8 m 、桩间距2 2 m 的布置方案，可以使得桩间土最大水平位移控制在 2 4 m m 以内，桩体最大水平位移控制在l l m m 以内，在满足要求的基础上，围护桩的体 积减小为原来方案( 桩径1 0 m 、桩间距1 8 m ) 的o 5 2 倍，达到了安全性与经济性的统 一o 5 2 2 预加轴力对桩内力和水平位移的影响 本节主要分析预加轴力对围护桩的作用效果，对每到钢支撑的施加一定的预加轴 力，得出不同预加轴力对对围护桩内力和位移的影响。考虑到模型较多，在此对两种桩 布置形式进行分析，一种是围护桩直径较大、桩间距也较大的情况；一种是围护桩直径 较小、桩间距也较小的情况。以其得出两种布置方案下不同预加轴力的作用效果。 预加轴力的选取以每道钢支撑的设计轴力为参考，在此依次选取其值的5 0 、7 0 、 8 0 、9 0 、1 2 0 进行计算。 5 2 2 1 桩径较大时预加轴力对围护桩的影响 选取桩径1 0 m 、桩间距2 4 m 的布置形式。经前面的计算得到，在无预加轴力的情 况下，三道钢支撑的设计轴力为：第一道9 8 6 k n ，第二道2 0 8 6 k n ，第三道1 8 0 2 k n m 。 桩径1 0 m 、桩间距2 4 m 时，不同的预加轴力施加值如下表所示( 单位为k n ) 。 第5 章优化的可行性探讨和具体优化手段 表5 7 预加轴力方案 预加轴力一预加轴力二预加轴力三预加轴力四预加轴力五 钢支撑、 ( 5 0 )( 7 0 )( 8 0 )( 9 0 )( 1 2 0 ) 第一道 4 9 06 9 07 8 98 8 71 1 8 3 第二道 1 0 4 01 4 6 01 6 6 91 8 7 72 5 0 3 第三道 9 0 l o1 2 6 01 4 4 21 6 2 22 1 6 2 不同预加轴力作用下的桩1 与桩2 的最终水平位移如下所示。 1 2 卞- k ?1 鼙& ：i 3 ：黼 r 趟； 1 2 | j 舔：璁| | 、 磺： 一3 v 上雅三j一聙 7 预力桩1 位移-加一桩l 位移 j y 1 l i o 口l 0 7 口l 二桩1 位移k 预加轴力三桩l 位矧 二桩2 位移十预加轴力三桩2 位矧 预加轴力四桩2 位移+ 预加轴力五桩2 位别 - - 预加轴力四桩1 位移- - - 0 - - - - 预加轴力五桩l 位矧 ( i i )( 蛐) 6 不同预加轴力下桩1 水平位移7 不同预加轴力下桩2 水平位移 8 6 和图5 7 6 可以看出，不同的预加轴力对桩1 和桩2 的作用效果明显，两 桩桩移均随着预加轴力的加大依次减小。对于桩1，在不施加预加轴力时桩体最大 位移418mm，按设计轴力的120施加预加轴力时，桩体最大水平位移为2855mm， 位移小为原来的30；对于桩2，不施加预加轴力时桩体最大位移为7647mm，在 预加五作用下，桩体最大水平位移为1891mm，位移量减小为原来的25。从以上 两图以看出，施加较小预加轴力时即可对桩1和桩2的水平位移起到明显的控制效果。 第5 章优化的可行性探讨和具体优化手段 图5 8 8 不同预加轴力下桩l 桩2 水平位移差 由于钢支撑的直接作用于桩2 于钢支撑相接触，直接受支撑的约束，而桩l 的位移 靠冠梁和腰梁控制，因此桩1 的位移比桩2 要大，桩l 桩2 在不同预加轴力下的水平位 移差如图5 8 8 所示。从图中可以看出当预加轴力较小时，桩1 与桩2 的位移差值较大， 最大差值为2 m m ，随着预加轴力的增加，两桩间的位移差别逐渐减小。 不同预加轴力作用下的桩的内力图如下所示，计算结果表明在桩径较大时，桩l 的 弯矩和内力均比桩2 大，在此仅提取内力最大的桩的结果。 7 4 第5 章优化的可行性探讨和具体优化手段 一70 0 - 5 d o 一3 d o 一巾o ：一 、 蔓 i 0 i - 每， 一一- _ _ 二冱杰参多。j r 彩。一 5 2 - 蓑 = = 一h _ 5 、- i 警j 甏 j j 一冷i ： + 无预加轴力一预加轴力一 预加轴力二辫预加轴力三 一预加轴力四+ 预加轴力五 弯矩( k n m ) 图5 8 9 不同预加轴力下桩体弯矩图5 - 9 0 不同预加轴力下桩体剪力 由图5 8 9 可以看出，随着预加轴力的加大，桩身正弯矩逐渐较小，而桩身负弯矩 逐渐加大。第三道支撑作用点出负弯矩的变化量最大，该点无预加轴力时其值为1 7 4 k n r n ，预加轴力五作用下，其值变为6 5 1k n m ，负弯矩增大了4 7 7k n m 。从图5 9 0 可 以看出，预加轴力的变化对桩身剪力影响最大的部位也为第三道支撑点处，无预加轴力 时第三道支撑处的剪力为4 4 1k n ，预加轴力五作用下其值变为7 3 0k n ，变化量为2 8 9 k n ，考虑到原设计方案给定的直径1 0 m 的剪力设计值为6 5 2k n ，即其值已经超过了设 计值，如果要采用预加轴力五，则要对桩进行重新配筋。 不同预加轴力对桩径较大的桩的影响汇总如下： 表5 8 预加轴力对大直径桩的影响 预加轴力一预加轴力二预加轴力三预加轴力四预加轴力五 弋 无预加轴力 指标 ( 5 0 )( 7 0 )( 8 0 )( 9 0 )( 1 2 0 ) 桩1 位移最大值 9 41 8 r a m7 3 8 3 m m6 5 6 3l i l l n5 7 4 71 1 1 1 1 15 0 1 9t o n i2 8 5 5 m m 桩2 位移最大值 7 6 4 7 m m5 5 5 21 1 1 1 1 14 7 1 lm l n3 8 6 9m i l l3 0 4 71 1 1 1 1 11 8 9 11 1 1 1 1 1 第三道支撑点处负弯矩 1 7 4 斟m3 1 5 蚶m3 8 0 必m4 6 3 斟m5 1 7 斟m- 6 5 1 蝌m 第三道支撑点处剪力 4 4 1 斟5 1 2 斟5 4 l 蝌5 5 8 k n6 4 l 斟7 3 0 l n 5 2 2 2 桩径较小时预加轴力对围护桩的影响 选取桩径0 7 m 、桩间距1 8 m 的布置形式。在无预加轴力的情况下，三道钢支撑的 最大轴力为：第一道4 9 0 k n ，第二道1 0 4 0 k n ，第三道9 0 0 k n m 。 7 5 由图5 9 l 和图5 9 2 可以看出，在桩径较小的情况下，不同的预加轴力对桩1 和桩 2 的水平位移有一定的控制效果。两桩桩体位移均随着预加轴力的加大依次减小。对于 桩1 ，不施加预加轴力时桩体最大水平位移为1 3 8 1 m m ，施加预加轴力五时，桩体最大 水平位移为1 0 8 1 3 m m ，位移量减小为原来的7 8 ；对于桩2 ，不施加预加轴力时桩体 最大水平位移为1 2 0 9 2 m m ，施加预加轴力五时，桩体水平位移减小为9 0 4 8 m m ，位移 量减小为原来的7 5 。 桩1 和桩2 间的位移差如下图5 9 3 所示。 7 6 第5 章优化的可行性探讨和具体优化手段 o j 、 每 一 3 ； 箩 嫠； 1 2 ) 一 j 一 口一 厂r i l 2 0 i i - - 0 - - 无预加轴力桩1 桩2 位移差一预加轴力一桩1 桩2 位移差 预加轴力二桩1 桩2 位移差坼一预加轴力三桩1 桩2 位移差 i 一预加轴力四桩1 桩2 位移差- 0 - - - 预加轴力五桩1 桩2 位移差 水平位移( ) 图5 - 9 3 不同预加轴力下桩l 桩2 位移差 从图5 9 3 可以看出，桩1 与桩2 的位移差最大为2 m m ，与直径较大的情况最大位 移差基本相同。预加轴力的改变并不能减小桩l 与桩2 的位移差。 不同预加轴力作用下的桩的内力图如下所示，计算结果表明在桩径较小时桩l 的弯 矩和内力均比桩2 大，在此仅提取内力最大的桩的结果。 第5 章优化的可行性探讨和具体优化手段 q5 0 q5 0- 25 0一s 01 占o3 ；0捌沁 、： 、 一一柏 、 5、 篓 、b - - - 1 q ，p t 7 n “ 2 4 一uj 烈j j h l q j j 斗川州j 预加轴力二* 一预加轴力三 - - 一预加轴力四- - , 0 - - - - 预加轴力五 剪力( 1 ( n ) 图5 - 9 4 不同预加轴力下桩体弯矩图5 9 5 不同预加轴力下桩体剪力 由图5 9 4 可以看出，预加轴力的变化对桩身正弯矩基本没有影响，而桩身负弯矩 随预加轴力的增加逐渐加大。第三道支撑作用点出负弯矩的变化量最大，无预加轴力时 其值为3 9 6k n m ，施加1 2 0 设计轴力为预加轴力时，其值变为5 1 0k n m ，负弯矩增大 了1 1 4k n m ，弯矩增加量相对较小。从图5 9 5 可以看出，预加轴力的变化对桩身剪力 影响也较小，最大的部位为也第三道支撑点处，无预加轴力时第三道支撑处的剪力为 - 4 2 3k n ，当施加1 2 0 设计轴力为预加轴力时，其值变为5 9 4k n ，变化量为1 7 1k n m 。 不同预加轴力对桩径较小的桩的影响汇总如下： 表5 1 0 预加轴力对小直径桩的影响 预加轴力一预加轴力二预加轴力三预加轴力四预加轴力五 义竺 无预加轴力 指标 ( 5 0 )( 7 0 )( 8 0 )( 9 0 )( 1 2 0 ) 桩l 位移最大值 1 3 8 1 t o n i1 2 8 9 7 m m1 2 1 5 4 r a m1 2 5 0 7 m m1 1 8 2 5 m m1 0 8 1 3 m m 桩2 位移最大值 1 2 0 9 2 m m1 1 1 5 8 m m1 0 7 5 3 m m1 0 4 m m1 0 0 6 7 n w a9 0 4 8 r a m 第三道支撑点处负弯矩 3 9 6 凼m4 2 5 斟m- 4 3 4 k n m_ 4 5 6 k n m- 4 8 4 3 娴m一5 1 0 蝌m 第三道支撑点处剪力 _ 4 2 3 1 0 呵- 4 5 8 1 0 叮4 7 2 l d 叮4 9 6 l d 叮5 4 0 l n5 9 4 埘 5 2 2 3 预加轴力的合理选取 1 ) 桩径较大时最优预加轴力的选取 可以看出当桩径较大时，预加轴力越大，对桩体位移的控制越好。但每道支撑的预 加轴力不一定按统一的比率施加，如第三道支撑施加的预加轴力就引起的了其位置处的 桩弯矩和剪力增加，对桩产生了不利的影响，因此可以将第三道支撑的预加轴力适当调 第5 章优化的可行性探讨和具体优化手段 小。在此将预加轴力调整为第一道与第二道分别按设计轴力的1 2 0 施加，第三道按设 计轴力的8 0 施加，将其编号为预加轴力六。在此预加轴力的作用下计算结果如下图所 不。 图5 9 6 预加轴力六桩1 位移图5 9 7 预加轴力六桩1 弯矩图5 9 8 预加轴力六桩1 剪力 由图5 9 6 可以看出，预加轴力六作用下的桩体位移虽然比预加轴力五的大，但均 比其他预加轴力的要小。从图5 9 8 可以看出，预加轴力六使得第三道支撑处的桩体剪 力为一5 8 0k n m ，满足了设计剪力的要求。即对于本种桩布置形式下，要想对桩体位移 控制的很好，采用预加轴力六是可行的。但要想提高围护桩的安全系数，则应适当选取 较大的预加轴力。因此在实际施工中，对于直径较大的桩可以施加较大的预加轴力来控 制桩体的位移。但更应注意的是过大的预加轴力将会引起桩内力的增加，应视具体情况 确定每道支撑的预加轴力。 2 ) 桩径较小时最优预加轴力的选取 由前面的分析可知，小直径桩桩体位移值相对大直径的桩要大很多。在无预加轴力 的情况下，桩径o 7 m 桩间距2 4 m 的桩体水平位移平均比桩径1 0 m 、桩间距1 8 m 时大 了5 m m 左右。而预加轴力的增加对小直径桩的位移控制作用并相对来说不明显。 由于小直径桩受内力的限制较大，过大预加轴力所引起的桩体内力很有可能超过桩