（岩土工程专业论文）深基坑双排桩支护结构的理论分析及数值计算.pdf

中文摘要 摘要：本文综述了已有双捧桩支护结构及相关支护结构体系的研究成果，并 指出了其不足之处在此基础上，本文考虑了压力的空间效应，分析了冠梁对 双排桩支护结构的变形协调作用，考虑了滑移面对作用在前后排桩上的土压力的 影响。基于弹性地基梁法的基本思想，提出了一种双排桩支护结构设计计算理论 模型；利用该模型对河北邯郸市某双排桩深基坑支护结构进行了理论计算，并将 计算结果与工程实测资料进行了对比分析。结果表明，应用该计算模型进行分析， 能得到合理的计算结果，说明该计算模型有一定的工程实用价值。 此外，本文采用f l a c 3 d 有限差分法分析软件模拟了河北邯郸某双排桩深基坑 的开挖和支护过程，分析了开挖过程中土体位移场的变化规律。分析中，还另外 建立了共9 根桩的计算模型，重点讨论了排距、前后捧桩的桩长、桩径和排间土 体刚度对双排桩支护结构的影响。 最后，采用磷连接a c c e s s 数据库开发了深基坑监测信息处理系统v 1 0 。该系 统具有如下功能：根据输入的原始数据和计算参数，能自动计算出相应的位移、 钢筋内力、土压力、孔隙水压力和支撑轴力，同时自动生成相关的曲线图、日报 表和汇总报表。其中，汇总报表可以方便地选择要汇总的时间或编号，并可将自 动生成的数据和图表打印输出或导出为e x c e l 和w o r d 格式因此，该软件有比较 广泛的工程应用前景。 关键词：深基坑；双排桩；冠梁；弹性地基梁法；f l a c 3 d ；监测信息处理系统 分类号：t u 4 7 1 8 a b s t ra c r a b s t r a c t ：i nt h i sp a p e r , t h ew o r ko nr e t a i n i n ga n dp r o t e c t i n gs t r u c t m ew i t h d o u b l e - r o wp i l 瞄a r es u m m a r i z e da n dt h ed i s a d v a n t a g e sa l ep o i n t e do u lo nt h eb a s i so f f o r m e ra c h e v e m e n t , t h e s p a t i a l e f f e c to fe a r t h p r e s s u r e i sc o n s i d e r e da n dt h e d e f o r m a t i o nc o m p a t f b i l i t yo fs p a c et h a tt h ec a pb e a ma p p l i e s0 1 1t h ed o u b l e - r o wp i l e s s u p p o r ts t r u c t u r ei sa n a l y z e d b e s i d e s , t h ea f f e c t i o no nt h ee a r t hp r e s s u r eo fb o t ht h e f r o n ta n dt h eb a c kr o wp i l e sd u et ot h es l i d i n gp l a n e b a s e do nt h eb e a mo ne l a s t i c f o u n d a t i o nm e t h o d , an e wc a l c u l a t i o nm o d e lo nad o u b l e - r o wp i l e sr e t a i n i n gs t r u c t u r ei s p r o p o s e d c o m p a r i n gt h ec a l c u l a t i o ne f f e c to ft h et h e o r e t i c a lm o d e lw i t ht h ea c t u a l o b s e r v a t i o nd a t a , i ti sp r o v e dt h a tt h ee f f e c t i v ec a l c u l a t i o nr e s u l tc a nb eo b t a i n e db y r e a s o n a b l ep a r a m e t e r sa p p l i e di nt h em o d e l i nt h i sp a p e r , f i a c i sa d o p t e dt os i m u l a t et h ee x c a v a t i n gp r o c e s so fad e e p f o u n d a t i o np i tw i t hd o u b l e - r o wp i l e sl o c a t e si nh u n d a n , h e b e ip r o v i n c e , f u r t h e rm o r e , t h el a w so fd i s p l a c e m e n tf i e l dc h a n g i n gw i t ht h ee x c a v a t i n gp r o c e s sa l ea n a l y z e d i n a d d i t i o n , as e r i e so fc o m p u t a t i o nm o d e l so f9p i l e sa l ec r e a t e d ，b a s i n go nw h i c h ，t h e e f f e c to ft h el e n g t ha n dd i a m e t e ro ft h ep i l e s ，t h es t i f f n e s so ft h es o i lm a s sa n dt h e i n t e r v a ld i s t a n c eb e t w e e nt h ed o u b l e - r o wp i l e so nt h e s u p p o r t i n gs t r u c t u r e w i t h d o n b l e r o wp i l e si sd i s c u s s e d a d e e pp i tm o n i t o r i n gi n f o r m a t i o np r o c e s s i n gs y s t e m v 1 0i s d e v e l o p e db y c o n n e c t i n gt oa c c e s sd a t a b a s eb yc 航a tp r e s e n t , t h ef o l l o w i n gf u n c t i o n s 锄b e r e a l i z e db yt h es y s t e m ：t h er e l e v a n td i s p l a c e m e n t , t h ei n n e rf o r c eo fc o n c r e t er e i n f o r c i n g b a r s , t h es o i lp r e s s u r e ，t h ep o r ew a t e rp r e s s u r ea n dt h es u p p o r ta x l e - f o r c ec a l lb e a u t o m a t i c a l l yc a l c u l a t e db a s i n go ut h eb a s i cd a t aa n dp a r a m e t e r s ；r e l e v a n tg r a p h sc a n b e a u t o m a t i c a l l yg e n e r a t e d ；d a i l yr e p o r t sa n ds u m m a r yr e p o t sc a r lb ea u t o m a t i c a l l yb u i l t ； f u r t h e r m o r e , as u m m a r yt i m eo rs e r i a ln u m b e r 锄b ec o n v e n i e n t l ys e l e c t e df o rt h e s u m m a r yr e p o r t ，a n dt h ea u t o m a t i c a l l yg e n e r a t e dd a t aa n dg r a p h sc a nb ep r i n t e d ，o r e x p o r t e da se x c e la n dw o r dp a t t e r n k e y w o r d s ：d e e pf o u n d a t i o np i t ；d o u b l e - r o wp i l e s ；c a pb e a m ；b e a mo ne l a s t i c f o u n d a t i o nm e t h o d ；f l a c ”；m o n i t o r i n gi n f o r m a t i o np r o c e s s i n gs y s t e m c i 。a s s n o ：1 1 j 4 7 1 8 致谢 本论文的工作是在我的导师白冰教授和聂庆科教授的悉心指导下完成的，论 文的选题、研究和撰写等各个阶段都凝聚着两位导师大量的心血和精力在两年 多的求学历程中，两位导师给予了我学习和生活上无微不至的关怀，两位导师渊 博的学识、严谨的治学态度、科学的工作方法、诲人不倦的精神、待生如子的风 范、对学科发展的敏锐洞察力等都是我学习的榜样，必将在我今后的学习和工作 中产生深远的影响。在此学生向两位导师致以崇高的敬意和衷心的感谢i 感谢尹清锋师兄在f l a c 3 d 程序学习方面给我的耐心指导。 在撰写论文期间，李春峰、崔安杰、李力、满高峰等同学在论文写作和图形 绘制方面给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情 另外也感谢家人，感谢他们这么多年来给予我的孜孜教诲和关爱。他们的理 解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 绪论 1 1引言 基坑工程是指在地表以下开挖的一个地下空间及其配套的支护体系。基坑支 护就是为了保证基坑开挖、基础施工的顺利进行及基坑周边环境的安全，对基坑 侧壁及周边环境采用的支挡、加固与保护措施。基坑工程研究的主要内容包括： 基坑支护体系的强度和变形控制、基坑坑底和挡土墙后土体的安全和变形控制、 周围建( 构) 筑物的安全和变形控制、相关地面地下管线的安全和变形控制、地下 水的降水止水措施等。 基坑工程的发展往往是一种新的围护形式的出现带动新的分析方法的产生 早期的开挖常采用放坡的形式，后来随着开挖深度的增加，放坡面空间受到了限 制，产生了围护开挖迄今为止，围护形式已发展到数十种；从基坑围护机理来 讲，基坑围护方法的发展最早有放坡开挖。然后有悬臂围护、拉锚围护、组合型 围护等。放坡开挖需要较大的工作面，且开挖土方量较大，在条件允许的情况下， 至今仍然不失为基坑围护的好方法；悬臂围护是指不带内撑和拉锚的围护结构， 可以通过设置钢板桩和钢筋混凝土桩形成围护结构；进而为了充分利用围护结构 材料的潜在能力，使围护结构形式更加合理，并能适合各种基坑形式，综合利用 “空间效应”，发展了组合型围护形式“” 基坑围护体系一般包括两部分：挡土体系和止水降水体系。基坑围护结构一 般要承受土压力和水压力，起到挡土和挡永的作用，一般是围护结构和止水帷幕 共同形成止水体系。但尚有两种情况，一种是止水帷幕自成止水体系，另一种是 围护结构本身也起到止水帷幕的作用。围护结构形式主要分为这样几种类型”1 ： ( 1 ) 放坡开挖 放坡支护是选择合理角度的基坑边坡以保证在开挖过程中边坡的稳定性，包 括坡面的自立性和边坡的整体稳定性，适用于地基土质较好，开挖深度不深，以 及施工现场有足够放坡区域的工程。 ( 2 ) 悬臂式围护结构 悬臂式围护结构常采用钢筋混凝土桩排桩墙、木板墙、钢板桩、钢筋混凝土 板桩、地下连续墙等形式悬臂式围护结构依靠足够的入土深度和结构的抗弯能 力来围护整体稳定和结构的安全，适用于土质较好、开挖深度较浅的基坑工程。 ( 3 ) 水泥土重力式围护结构 在工程中用的较多的水泥土重力式围护结构，常采用深层搅拌法，有时也采 用高压喷射注浆法形成的深层搅拌水泥土桩重力式围护结构常用于软粘土地区 开挖深度约为6 0 m 以内的基坑工程采用高压喷射注浆法施工可以在砂类土地基 中形成水泥土挡墙。 ( 4 ) 内撑式围护结构 内撑式围护结构由围护结构体系和内撑体系两部分组成围护结构体系常采 用钢筋混凝土桩排桩墙和地下连续墙形式。内支撑可以分为水平支撑和斜支撑。 适用范围较广，可适用各种土层和基坑深度。 ( 5 ) 拉锚式围护结构由围护结构体系和锚固体系两部分组成。围护结构同于内 撑式围护结构，常采用钢筋混凝土捧桩墙和地下连续墙两种锚固体系可分为锚 杆式和地面拉锚式两种。锚杆式需要地基土能提供锚杆较大的锚固力，适用于砂 土地基或粘土地基，很少使用于软秸土地基。地面拉锚式需要有足够的场地设置 锚桩，或其他锚固物。 ( 6 ) 土钉墙围护结构 土钉一般通过钻孔、插筋和注浆来设置。边开挖基坑，边在士坡中设置土钉， 在坡面上铺设钢筋网，并通过喷射混凝土形成混凝土面板，形成土钉墙围护结构。 其机理可以理解为通过在基坑边坡中设置土钉，形成加筋土重力式挡墙起到挡土 作用 ( 7 ) 门架式双捧桩围护结构 在工程中常用钢筋混凝土灌注桩、压顶梁和联系梁形成空间门架式的围护结 构，门架式围护结构属悬臂型，但其围护深度比悬臂式围护结构深。 ( 8 ) 拱式组合型 是由钢筋混凝土桩同深层搅拌桩水泥土拱组合形成的围护结构，水泥土拱能 有效的利用水泥土抗拉强度很小，抗压强度较大的特性。 ( 9 ) 喷锚围护结构 喷锚网围护结构是由锚杆、钢筋网喷射混凝土面层与边坡土体组成结构形 式与士钉墙类似 ( 1 0 ) 加筋水泥土挡墙围护结构 由于水泥土抗拉强度低，水泥土重力式挡墙围护结构围护深度小。为了克服 这一缺点，在水泥土中插入型钢，形成加筋水泥土挡墙围护结构；在重力式围护 结构中，为了提高深层搅拌桩水泥土墙的抗拉强度，常在其中加入毛竹或钢筋。 ( 1 1 ) 沉井围护结构 采用沉井结构形成围护体系。 2 1 2 双排桩支护结构简介 双排桩支护结构是指在地基土中设置两排平行桩，前后两排桩桩体呈矩形或 梅花形对应，在桩顶用刚性冠梁将前后两排桩连接，延坑壁方向呈双排支护的空 间结构。这种结构具有较大的侧向刚度，可以有效的限制支护结构位移变形，属 于悬臂式支护但与单排悬臂桩支护相比，双排桩支护结构很多优点洲“儿； ( 1 ) 单排悬臂桩完全依靠弹性嵌入基坑土内的足够深度来承受桩后的侧压力 并维持其稳定性，坑顶位移和桩身本身变形较大悬臂式双排桩支护因由刚性冠 梁与前后排桩组成一个空间超静定结构，整体刚度大l 加上前后排桩形成与侧压 力反向作用的力偶的原因，使双排桩的位移明显减小，同时桩身的内力也有所下 降，可以支护比单排桩更深的基坑而不需要设置内支撑，可以用较小桩径的桩代 替双捧桩中较大直径的桩，降低成本。 ( 2 ) 悬臂式双排支护桩为超静定结构，在复杂多变的外荷载作用下能自动调整 结构本身的内力，使之适应复杂而又往往难以预计的荷载条件，而单排悬臂桩为 一静定结构侈数是弹性支承悬臂结构) 则不具备此种功能 ( 3 ) 双排桩支护结构与拉锚结构相比，它无需太多的场地，对环境的要求比较 低。 ( 4 ) 在同样采用锚杆( 或支撑) 的情况下，锚杆( 支撑) 双排桩比锚杆( 支撑) 单排桩要经济得多，因为前者桩的直径小，施工方便并且造价低。 ( 5 ) 双排钢板桩结构和用水泥土充填或用水泥土搅拌桩加固的双排圆桩结构， 均具有防渗功能，可用于围堰、防波堤和码头的建设中；另外水泥土充填的双排 钢板桩具有双重防渗的能力，在对防渗有严格要求的建筑物中有广泛应用前景【1 2 1 虽然双排桩结构有很多优点，但在目前还有一些难点问题值得深入研究：( 1 ) 作用在前后桩体上的土压力的计算问题；( 2 ) 双排桩的排距、桩径、桩长和桩闻土 的刚度对支护结构稳定性的影响问题。 1 3双排桩支护结构研究现状 在计算分析双排桩时，首先要确定土压力在前后排桩的分布情况和桩顶端的 联结和底端的嵌同情况，其次就要分析桩间土对前后排桩的作用，土体滑裂面对 土压力分布状况的影响，联系梁的空间协调作用，桩土之间的相互作用等因素。 由此可引出多种计算模型。这些计算模型主要分为三类，一类是基于经典土压力 理论确定的计算模型；一类是基于w i n k l e 假定的计算模型；一类是基于土拱理论 建立的计算模型。 3 1 3 1 基于经典土压力的计算方法 张弥1 1 l ( 1 9 9 3 ) 利用经验系数和极限土压力来确定作用在桩体上的土压力，考虑 了两排桩的整体及其对土体的约束作用，近似地将桩间土视为受侧向约束的无限 长弹性土体，同时考虑到双捧桩顶部圈梁及连梁的作用，可认为深度z 处相对于水 平位移而引起的横向应变为零，故作用于前排桩桩背的土压力为： q - z y z l ( 1 - m ) ( 1 - 1 ) 作用于前排桩前的侧向抗力b ，介于静止土压力与被动土压力之间，为计算方 便，通常对被动土压力予以折减，即 勺。一蜀e ，- 墨( y z 巧+ 2 c 巧) ( 1 2 ) 式中k 1 被动土压力折减系数，它是桩土变形的函数，一般取o 5 0 7 作用于后捧桩的侧向抗力按式( 1 1 考虑，桩背土压力的大小取决于桩的侧向位 移，由于双排桩的刚度较大，因此假定后排桩土位移仍处在弹性范围内，即桩背 侧向土压力吼介于静止土压力与主动土压力之间，即： d ：一j 【丸一k ( y 2 - 已一2 c j ，i )( 1 3 ) 式中匠为侧向主动土压力修正系数，一般取1 1 1 2 根据上述确定的土压力提出了如图1 1 所示的计算模型，前桩的计算按单锚板 桩来考虑，在计算桩最小入土深度时，可按两端简支的板桩计算，上下两个简支 点为桩顶和桩端，支点的反力可 ；l 由静力平衡求得，进而可求得最大弯矩及其作 用点位置。后排桩的桩长可通过对桩抗倾覆演算求得，后排桩的桩前侧向抗力合 力及桩背弹性土压力合力可由式( 1 2 ) 和( 1 - 3 ) 求得，从而可求得最大弯矩及其作用 点。 h 卜。叫 图1 1 双排桩计算模型 该方法为早期设计双排桩时采用的方法，在计算上比较简单，但其假定与实 际工程有一定出入，表现在与土压力反向的桩顶力偶作用不能考虑，且通过此假 定的计算结果并不能反映双排桩支护结构体系作为超静定结构在多变外力情况下 对内力的自动调节作用，加之文中提出的经验系数具有较大的地域区域性，因此 4 f_。，。上 现阶段设计时己采用较少，但当前后排桩排距较大，连梁与前后排桩连接刚度较 小时，运用此法的计算模型还是可行的 何颐华【2 】等( 1 9 9 6 ) 根据双捧桩前后排桩之间的滑动土体占桩后滑动土体总量 的体积比例来确定前后排桩所受的侧土压力。 -一- 一 c e o暑n p e l e 圈1 - 2 双捧桩土压力衙圈 基坑开挖后，假定前排桩土压力合力为及4 ，后排桩土压力合力为点0 和 层。( 见图1 - 2 ) ，可根据双捧桩的排列情况的不同，土压力传递不同而求得 通常双排桩分为三角形排列和矩形排列如图1 3 所示，三角形排列主动土压力 的确定方式为： 后排桩p 0 一吒一吒( 1 - 4 ) 前排桩 砌一吒+ a q ( 1 - 5 ) 若假定不同深度下吒与的比值相同即口- a a , a , ， 则p0-(1-a)a( 1 - 6 ) 一( 1 + 口h 其中口- 2 l i l , 一( l l 。) 2 按后排桩靠基坑侧滑动土体占整个滑动土体的重量 比例确定的。同样可以确定被动士压力的取值： - ( 1 一口h 只口一( 1 + 口) 矩形排列的主动土压力的确定方式： 儿- ( 1 一a ) 吼 p 。o o i 被动土压力与此式( 1 9 ) ( 1 - 1 蛾似。 职虿霹摊 扒一、，o 后推 ( 1 仍 ( 1 - 8 ) ( 1 - 9 ) ( 1 - 1 “ 麓脯一 图l - 3 双排桩土压力的传递 5 计算假定： ( 1 ) 将圈梁看作是一个底部嵌固，顶部为直角刚接点的钢架结构 ( 2 ) 由于连梁与桩长相比很小，且实际工程采用的连梁刚度较大所以可将连 梁看作是只能平移而不产生转角。 ( 3 ) 由于连粱为刚体，不产生压缩或拉伸交形，因此前后桩顶的位移相同。 土压力易、e 一、e 0 和e 0 已经求出。由基本假定，将双排桩看作一个底端 嵌固顶端刚接的钢架，这样就可以用结构力学计算钢架的方法将前后排桩的弯矩 分布及挠度求出。 这种计算模型相对计算简单，概念比较明确，在现阶段被较多的设计者所采用 的方法之一，但前后捧桩的土压力尤其是被动土压力分配过于悬殊，对桩长和最 大弯矩的确定均产生较大的影响。 黄强1 3 j ( 1 9 9 5 ) 认为后捧桩的存在改变了土体滑裂面的形态，因而土压力的分布 情况与无后捧桩的情况是不同的，双排桩受力情况如图1 4 所示： 图1 - 4 双捧桩律f 司土体受力分析 根据极限平衡理论每延米土体的总重为： w r b ( z - 0 5 b t g r ) ( 卜1 1 ) 主动土压力的合力为： e v b 0 - 0 弱瑾研) 留0 7 一力 ( 卜1 2 ) 主动土压力分布强度为： 巳一d e d z ( 卜1 3 ) 考虑到后排桩的存在改变了后排桩的剪切破坏面，由极限平衡理论： 蛾d 7 7 0 得到： z b - 0 5 t g , 7 + t g ( 叩一妒) o o s 2 ( 叩一力c o s 2 叮】 ( 1 1 4 ) 令t 。一e i i e 概 为了近似的考虑后排桩桩间距的影响，假定前后排桩的作用土压力之和为朗肯 主动土压力，以局、色考虑非连续布桩的影响 i e ：e ( 卜1 5 ) 6 e = w 一- - - 坪e ：相 ( 卜1 6 ) e 后= p 2 ( 1 一屯) 巳朗 ( 1 一1 7 ) 。瞒2 白一霸 ( 卜1 8 ) o p 岳2 气啊 ( 卜1 9 ) 该计算方法考虑了后排桩的存在对土体滑裂面的影响，但该模型认为双排桩 所受土压力是以桩问土压力为主，故从桩间土受力分析破裂面夹角，由此可推出 当深宽比越大，即排间距越小时，破裂角越大，当b 一0 时，破裂角趋近予9 0 4 ， 这与单排桩的实际破裂面不相符合，另外由于滑裂面的变化铂i - e 漕+ 并不成 立。 程知言用( 2 0 0 3 ) 认为双排桩桩间土体对支护作用较小，士压力以后排桩后土压 力为主，将双捧桩视为水平受力的刚架，认为后排桩的存在改变了土体的剪切破 裂角。此对的滑裂角不再是4 5 4 + 妒，2 ( 见图1 5 ) ，而是一个交数，是深宽比亭( 亭z b ) 和土体内摩擦角9 的函数，将桩后土体作为独立的刚塑性体进行分析， 由极限平衡理论得到： 亭2 ( a g 碍c o s 2 白一力一f g 国一力s i n 2 | 7 ) 一笃c o s 2 向一力 咱 0 7 一力c o s 2 + t g q s 2 国一力- 0 ( 1 - 2 0 ) d e d z - 0 5 r b 2 ( 2 鸯c t s n - 酽s i n 2 叩7 d d - 2 + 1 c o s 2 町 叩d ) ) 留0 7 一咖+ ( # 2 c t g r l 一鸳+ b z t g r l ) l c o s 2 白一q j ) d t l d 亭】( 1 - 2 1 ) 后排桩主动土压力计算： e 4 后= q a ) e a ( 1 - 2 2 ) 口为排桩前后土体面积之比，口一伍嘲炉) 勋窀，- 醪。 前排桩主动土压力计算： 三角形布置： 巳曹= ( 件口) e ( 1 - 2 3 ) 矩形布置： 巳后= ( 卜口) e ( 1 - 2 4 ) 前后排桩的被动土压力均按朗肯土压力计算，其中桩问土视为后排桩的被动 荷载区。整个结构按受水平力的超静定刚架来计算前后桩体的变形和弯矩。 - 一 ， 曩 ，i 移 ， 弋 l 图1 - 5 双排桩后土体受力分析 7 熊巨华i 蚓( 1 9 9 9 ) 指出当前后排桩距大于8 倍桩径时，按锚拉结构来计算，当前 后排桩距在4 8 倍桩径时，按框架结构计算，对于前后排桩距小于4 倍桩径和桩顶 设置桁架式帽梁的这类双排桩支护结构，根据抗弯刚度等效原理来计算，进而提 出了能运用弹性支点法( 杆系有限单元法) 的简化计算方法。工程实践中，前后排桩 之间往往设有水泥土搅拌桩，既可以对前后排桩之间进行力的有效的传递又能作 为止水帷幕，从而认为双捧桩支护结构可以等效为由厚度分别为 、 2 、如的板 组成的挡土体系( 见图1 - 6 ) ， 图1 - 6 双捧桩平面布置与简化图 其关系式为 - 0 8 3 8 d i 、肠( e l + f 1 ) ( 1 2 5 ) 如一0 8 3 8 d 2 如( d ：+ f 2 ) ( 1 - 2 6 ) 吩一岛一d j 2 - d 2 2 ( 1 2 7 ) 其整体的抗弯刚度为： e i e 0 l + e 善t + e 3 羔 叫趾乒】+ 【盟笋卜笔m 2 回 式中e i 一整体刚度，e l i l 一前排桩抗弯刚度，e 2 1 2 - - 后排桩抗弯刚度，e 1 一前 排桩的弹性模量，e 2 一后排桩的弹性模量，e 3 一前后排桩中间加固土体的弹性模量。 然后根据提出的等效刚度原则用弹性支点法的简化计算方法来进行计算，如 图1 7 所示。 图1 - 7 弹性支点法计算简图 8 1 3 2 基于w i n k l e 假定的计算方法 刘钊【1 9 】( 1 9 9 2 ) 提出了在目前的双捧桩的计算中认可度比较高的一种计算模型 ( 见图1 8 ) ，该模型采用w i n l d c r 假定的计算模型进行分析，考虑桩与土的共同作 用确定出前、后排桩在开挖面以上的土压力荷载及地基土的水平基床系数，按照 弹性地基梁和结构力学分析的方法即可求出双排桩支护结构的内力 假定后排桩桩背土压力为主动土压力，将基底以上部分的桩间土看作受侧向 约束的无限长土体，应用弹性力学平面应变的物理方程，桩间土的侧压力为： a - s , v y ( 1 - ! , ) ( 1 - 2 9 ) p z - b o k h x ( 1 3 0 ) 式中b 0 桩的计算宽度，l 【h 地基水平基床系数，x 侧向位移 在计算支护结构内力时，将两捧桩体分隔成前排、后排桩及连梁三部分，分 别建立前、后排桩体侧向受载下的微分方程，引入桩尖集中剪力和集中弯矩为零 的边界条件，同时利用变形协调及内力关系，联合求解桩顶内力与位移，进而得 到整个双排桩支护结构的内力和位移。上述模型比较复杂，为应用方便，一般工 程则采用先假设土压力按某种形式分布，然后假定开挖面下某一深度为固定端的 计算方法。 t 量 膏肆t e 。z 一 e il h )( b ) ( c ) 图1 - 8w i n k l e 地基粱法计算模型 此法在一定程度上考虑了支护结构与土体的相互作用的影响，用压缩刚度等 效的土弹簧模拟地层对支护结构变形的约束，理论上比较合理。但是，采用上述 模型时由于在桩顶常出现桩与土体脱离的现象，因此对桩顶位移的计算与实际情 况偏差较大。 曹俊坚【4 l 等( 1 9 9 9 ) 假定双排桩为弹性体，满足力和位移的叠加原理，圈梁两端 嵌固，桩顶只发生位移不发生转角；桩侧土为w i n k l e r 离散弹簧，不考虑桩土之间 的粘着力和摩阻力；土的抗拉强度为0 ：地基水平抗力系数x ( z ) 随深度z 线形增加： 土压力的空间效应影响范围b 等于基坑深度，在影响范围内土压力呈抛物线分布； 地庐， 。矿斗4 。豫尸， q l 谚午 在这些假定的基础上提出了如图1 - 9 所示的计算图式。 ( a ) 圈梁受力简图 ，。 口 ，- ( b ) 前排桩计算简图( c ) 后捧桩计算简图 图1 - 9 考虑圈梁空间作用的计算图式 前排第i 根桩桩顶产生的位移和转角： 一值，磊，以，m ) 一一u 嘛+ m ) 一6 ”脚 ( 1 3 1 ) 一 ，磊，咋，以) 一如一躲+ m ) 一6 k 以 ( 1 3 2 ) 式中e 一土压力，乃一圈梁对排桩的水平作用力，肘一一弯矩，i 连梁轴力 u 。，为土压力单独作用时桩顶产生的位移和转角。再由变形协调性，桩顶的位 移与圈梁的位移相同，桩顶的转角为0 ，得到方程 一6 “。婚+ j ) 一6 “。心- 荟巳( 1 - 3 3 ) j - 1 一6 9 删( f + ) 一6 8 m - 0 ( 1 - 3 4 ) 同理可以得到后排桩的协调方程 u u 一6 ( 毛+ m ) 一6 ”。m m - z ( 1 3 5 ) j 一6 8 聊( + m ) 一6 5 。j i | k 一0 ( 1 - 3 6 ) 前后排桩桩项位移相同，德到； 善毛- z ( 1 - 3 7 ) t 驯q 9 o w qq 、 联立以上方程5 n 个求解未知数，焱而可得蓟桩顶的弯矩和水平力，再使用弹 性地基粱有限元理论求解桩身变形和桩身弯矩。 平扬l 廿】( 2 0 0 1 ) 提出了一种双排桩空间效应的反分析计算模型，计算模型是建立 在前桩桩顶实测变形的基础上的，认为模型的误差主要来源于土压力位移的误差， 只对有土压力引起的位移进行修正，假定基坑的边长为l ，共有n 根桩，在蜥- “p 根桩上测得了桩顶水平位移为，根据式( 1 2 1 ) 用实测位移( ，i f + 一代替计算位移 u + q e + p ) 来进行修正；同理用实测位移，j l + ，代替计算位移u 肌，) 从而得到 u 抽- 6 。脚( _ + - ) + 6 。用由。j i f - + 【，：0 3 8 ) 么一6 。月 。( j + 虬) + 6 “h 彪i + 艺( 1 - 3 9 ) 式中既已知， o ，f 乙，肘，已有理论模型求出，柔度系数可 用结构力学求的，因此可以计算出修正土压力位移将修正的土压力位移再代入( 1 - - 3 1 ) 计算圈梁与连梁的作用力，根据新求得的解，可计算出圈梁的位移。 叫- 蜀 ( 1 - 4 0 ) 如果梁的计算位移和实测位移相同则可认为计算结果与实测相符合，运用弹 性地基梁法即可求解桩身的变形与内力如果不相符合则需要进一步迭代，其终 止条件是在这l 【个实测点处，实测与计算之差的绝对值小于误差 郑刚【2 】( 2 0 0 哪认为双排桩抗倾覆能力之所以强主要是因为它相当于一个插入 土体的刚架能够靠基坑以下桩前土的被动土压力和刚架插入土中部分的前桩抗 压、后桩抗拔所形成的力偶来共同抵抗倾覆力矩。桩土之间的相互作用不容忽略 这种相互作用既不可能将坑底以下的双排桩完全固定。也不可能任其自由变形。 而是与入土深度、土质好坏等因素密切相关的变量；其次认为由于桩间土体的宽 度一般很小，可以把前后排桩及桩问土体看作一个整体，则作用在这个整体上的 外力包括后排桩受到的主动土压力和坑底以下前排桩受到的被动土压力，这两种 土压力在前后排桩之间分配应该取决于双排桩结构自身变形和桩间土体的性质。 认为常用的假设分配系数的简化方法难以反映这些因素的影响从而建立了考虑桩 土相互作用的平面杆系有限元模型( 见图1 1 0 ) 来模拟双排桩的工作性状。 瓦w 臣w 图1 1 0 双捧桩平面秆系有限元模型 假定桩间土体为连接前后排桩的弹簧，土压力的分配就靠这种弹簧与前后排 桩的位移协调来实现的，桩问土刚度的大小就是桩间土的水平向地基反力系数k ， 1 1 认为当桩长大于4 d 且每一律内桩距不大时，认为桩间土是竖向压缩薄层，k 可以有 下式简化确定；k = e a h 。e a 为桩甸土的平均压缩模量，h 为桩间土层厚度桩侧 摩阻力采用桩土界面传递函数法加以考虑，把桩划分成许多弹性单元，每一单元 与土体之间用非线性弹簧联系，以模拟桩土之间的荷载传递关系。 考虑到双排桩位移时可能对坑底以上桩问土产生夹带作用，因此忽略其对前 排桩可能提供的侧摩阻力，前排桩侧阻弹簧仅在坑底以下布置前排桩桩端以下 土体对前排桩桩端的竖向位移的约束用文克尔地基模型考虑，后捧桩桩后土压力 采用朗肯主动土压力，利用有限元理论即可以计算出桩身的弯矩和变形。 1 3 3 基于土拱理论的计算方法 戴智敏【田脚) 从土拱理论的角度分析了桩问土对前后排桩的作用，建立了以 被支挡土体假想滑裂面为分界面，滑裂面以上采用土拱理论( 见图1 - 1 1 ) ，滑裂面以 下采用土抗力法的分析计算模型 氩 ，国朝嘲 ， 麟 图1 玎双择桩后的土拱示意图 认为前桩所受到的土压力包括两部分( 如图1 1 2 ) ：一是由桩后土体直接作用产 生的土压力，简称直接土压力( i 区) ；另一部分则是由两排桩之间的临空土体由水 平拱传递来的土压力，简称间接土压力( 区) 。而后排桩也相应受到直接土压力( i 区和i i 区) 和间接土压力的作用( 区) 。 夔鎏囊 羹拿羹 、一 d鸯 一正一 图1 1 2 直接土压力和间接土压力分区假定 直接土压力计算方法： 吒一( 归2 肛) 【1 一c x “一2 ，l 量曰) 】+ 吼墨e x p ( - 2 u k h b ) ( 1 - 4 1 ) 式中k 为朗肯公式的侧压力系数；鼋0 为地面超载；h 为计算点到顶面的距离； 口为土拱的拱角宽度；k ，为侧土压力系数。 间接土压力计算方法： f 一玉，l ( 1 一j ) s i n o s 9 | ( k ( 1 - 4 2 ) 式中吃- 4 5 。+ 妒2 ，为竖向平均土应力。根据由式( 1 4 1 ) 和( 1 - 4 2 ) 确定的士 压力，对双排钢架结构进行计算，就可以得到最大弯矩值及其作用位置。 目前对双排桩的受力与变形的理论虽然进行了一些研究，但还不够完善，例 如前后排桩的土压力分布，结构的内力与位移的计算方法，桩距、前后桩桩长、 桩径和桩间土体刚度等因素对支护结构稳定的影响等问题都有待进一步分析，因 此对双捧支护结构的迸一步研究具有十分现实而重要的意义。 1 4深基坑工程开挖监测 深基坑大多位于繁华的城区，施工场地四周往往有建筑物和地下管线，基坑开 挖所引起的土体变形将直接影响这些建筑物和地下管线的正常状态，基坑相邻的 建筑物又相当于较重的地面荷载，基坑周围的管线常引起地表水的渗透，深基坑 开挖有可能引起支护结构失稳和周围环境的破坏以至造成严重的工程事故，但结 构的失稳和变形并不是瞬时变化的，而是随着开挖的进行而逐渐发展的，因此， 对深基坑开挖过程进行现场监测，及时的分析现场施工监测数据，就可以全面掌 握基坑支护结构变位和周围环境条件的变化，一旦发现异常情况就可以及时的调 整施工方式或采取必要的补救措施，防止事故的发生。 1 4 1 深基坑监测的目的 深基坑开挖施工监测的主要目的有以下几点： ( 1 ) 将监测数据与设计值相比较以判断前一步施工工艺和施工参数是否符合 预期要求，如果超过某个限值就采取工程措施，防止支护结构破坏和环境事故的 发生； ( 2 ) 将现场测量结果用于指导现场施工，以确定和优化下一步的施工参数，做 好信息化施工； ( 3 ) 将监测数据用于信息化反馈优化设计，使设计达到优质安全、经济合理、 旖工快捷的目的： 1 3 1 4 2 深基坑监测的主要项目 深基坑施工开挖过程中的监测项目主要包括以下内容1 1 4 1 ： ( 1 ) 基坑围护桩( 墙) 的水平位移包括支护桩( t i n ) 顶部的水平位移； ( 2 ) 基坑围护桩( 墙) 的深层位移； ( 3 ) 支护结构支撑轴力或锚杆拉力： ( 4 ) 各立柱桩的隆起沉降量和水平位移量： 基坑回弹量； ( 6 ) 围护桩( 墙) 的内力； ( 7 ) 基坑内外侧的孔隙水压力及水土压力； ( 8 ) 基坑外侧土体土层的分层沉降和深层测斜位移； ( 9 ) 相临建筑物的沉降和倾斜，地下管线的沉降和水平位移； ( 1 0 ) 基坑外层地下水位 1 4 3 深基坑监测的基本要求 深基坑开挖监测工作应做到以下几点( 建筑基坑支护技术规程) ： ( 1 ) 基坑开挖前应做出系统的开挖监控方案，监控方案应包括监控目的、监控 项目、监控报警值、监控方法及精度要求、监测点的布置、监测周期、工序管理 和记录制度以及信息反馈系统等。 ( 2 ) 监测点的布置应满足监控要求，从基坑边缘以为1 2 倍开挖深度范围内的 需要保护物体均作为监控对象。 ( 3 ) 基坑监测项目的选取应根据工程的实际情况及周围的环境需要而定，建筑 基坑支护技术规范中根据基坑安全等级来确定基坑监测项目： ( 4 ) 位移观测基点数量不应少于两点。 ( 5 ) 监测项日在基坑开挖前应测得初始值，且不应少于两次。 ( 6 ) 基坑监测项目的监控报警值应根据监测对象的有关规范及支护结构设计 要求确定。 ( 7 ) 各项监测的时间间隔可根据施工进程确定。当变形超过有关标准或监测 结果变化速率较大时，应加密观测次数，当有事故征兆时，应连续监测。 1 4 二产譬芝 一级二级三级 监测项目 支护结构水平位移应测应测应测 周围建筑物、地下管线变形应测应测宜测 地下水位应测应涮宜测 桩、墙内力应测宜测可测 锚杆拉力应测宜测可测 支撑轴力应测宜测可测 立柱变形应测宜测可测 土体分层竖向位移应测宜测可测 支护结构界面上侧向压力应测宜测可测 1 4 4 深基坑监测的常用仪器 深基坑监测常用的仪器有经纬仪、水准仪、铡斜仪、分层沉降仪、钢筋计、 土压力计、孔隙水压力计、轴力计和水位管等，在这里简要介绍应变式测斜仪和 钢弦式传感器( 钢筋计、土压力计、孔隙水压力计和轴力计) 的计算方法，其它内容 不再详述。 ( 1 1 应变式测斜仪 应变式测斜仪两导向轮间水平方向的相对位移a x ，a x - f a 8 ，式中，一测 斜仪率定常数，a 为应变值。测量整个测管轴线水平移动的方法是将测管轴线分 成若干段，每段长度等于测斜仪标距长，测斜仪引出电缆上标有长度标志。用以 确定测斜仪在测管里的位置，长度分划以测斜仪下部导向轮为零点，每隔5 0 0 r a m 标明长度记号。逐段( 每s o r i m ) 提升或下测测斜仪测出各段两端点在平面上相对位 移。便得到管轴线各点某方向的变形。延测管两对互成9 0 。的导向槽进行同样的 测量。便可知测管轴线各点在水平面上两个相互垂直的x ，v 方向上的位移分量。 测量时，将测斜仪置入测斜管，并使导向轮完全进入管中的导向槽内导向 轮正向与被测位移坐标正向一致时值为。+ ，否则为。，为了提高测量精度，消 除测量设备的系统误差，每个方向的位移应逐段正、反方向各读一次，然后取其 差值的平均值即：a 。一0 。+ 一e - ) 1 2 ，计算各段位移量。整个测管上所有同一段 上的正反两次测值的和值的平均值，即：一0 。+ + - ) 2 ，理论上是测斜仪绝对 铅直状态下的应变值。因此为定值，测量气分散的原因是测斜仪前后两组导向 轮几何形心的连线在正反两次测量时不完全平行，出现这种现象的原因主要时导 向轮与导向槽配合，测斜管与土体的结合不稳定所导致的。 ( 2 ) 钢弦式传感器 钢弦式钢筋计的工作原理是：由一根张拉并固定在变形段两端中心位置的钢 弦，其自振频率屿钢弦的内应力关系为；1 ，- 壶恬( 1 4 3 ) 式中l 为钢弦的长度；p 为钢弦的密度；盯为钢弦的内力；从而可以得出作用 在变形段上的钢筋受力与频率的关系为： p - k ( y 0 2 一，2 )( 1 4 4 ) 式中p 为被测钢筋的受力；k 为标定系数；五为无载荷时钢弦的自振频率； ，为某一载荷下钢弦的自振频率。 钢弦式土压力工作原理同钢筋计，只是一根张拉的钢弦固定在承压膜轴线两 端。作用在承压膜上的土压力与频率的关系为： p - k ( 厶2 一，2 ) ( 1 - 4 5 ) 式中p 为土压力( m p o , k 为标定系数；孔隙水压力计和轴力计的计算公式与 土压力相似，这里不再赘述 1 5本论文的主要研究内容 1 目前，双排桩的设计计算方法和理论还不成熟，受力机理还不够清楚，实测 资料还不多。本文整理了已有的双排桩支护体系及相关结构的研究成果，对已有 计算方法进行了详细的比较分析。在此基础上，提出一种新的双排桩弹性地基梁 计算模型，对河北邯郸某双排桩深基坑支护工程进行了计算，并将计算结果与实 测资料进行了对比分析。该模型有较大的工程实用价值。 2 利用f l a 矿。有限差分分析软件模拟了河北邯郸某双排桩深基坑的开挖过程， 分析了开挖过程中周围土体的位移场的交化规律，并建立了一系列三维计算模型 讨论了排距、前后桩长、桩体刚度和桩间土体的刚度对双排桩支护结构位移和弯 矩的影响。 3 。在n e t 环境中利用c # 语言连接a c c e s s 数据库完成了深基坑监测信息处理 系统( 数据库应用程序) 的初步开发工作。论文详细介绍了系统的开发过程，给出 了部分模块的源代码，并以河北邯郸某双排桩支护的基坑监测数据处理为例，阐 明了该信息处理系统的使用方法。 2 双排桩支护结构设计计算方法研究 2 1引言 目前，悬臂式基坑支护结构的设计计算方法大致可分为静力平衡法、竖向平 面弹性地基梁法、共同变形法和连续介质有限元法。静力平衡法认为悬臂式围护 结构将绕围护结构上的某点发生转动，从而使土压力的分布发生变化，假定围护 结构底端不承受弯矩和剪力，根据极限土压力由静力平衡条件，通过求解插入