（岩土工程专业论文）深基坑双排桩支护结构体系受力分析与计算.pdf

摘要 y 4 4 互0 7 7 本文归纳整理了已有双排桩支护结构体系及相关的其它支护结构体系的研究成果，并指 出其不足之处。在此基础上，将土拱原理用_ r 对烈排桩支护结构体系的分析计算中，并分别 给出竖向七拱和水平向士拱对双排桩支护结构体系作用的丧达式；考虑深基坑空间效应及支 护桩顶的水平圈梁作用，对烈排桩支护结构受力问题进行丫三维分析；从工程实用角度出发， 建立了一个以假想滑裂面为分界面，滑裂而以上采州十拱理论，滑裂面以f 采用十抗力法的 分析计算模型，从而提出了一个对舣排桩史护 构体系进f i 综合分析与计算的新方法，并编 制了相关计算 序d p s s ，用该程序对某实际深基坑烈排_ e 支护结构进行计算，其结果与实 测数据吻合较好，表明本文分析及汁算方法的合理性。 ， 本文还阐述了用有限元方法分析计算舣排桩支护结构体系的过程刖用计算机分析的优 势，朋先进的大型有限元程序a n s y s 5 5 对烈排桩支护结构体系进行分析计算，考虑了土体非 线性，并可模拟施工过程的影响。利用该程序对实测数据进行反分析，不断修改输入的相芙 参数，从而使之可以进行信息化施工平优化设计。，s 7 ， 本文通过设计计算方案探讨了诸多冈素对烈排桩支护结构体系工作性能的影响从计算 l 结果的对比分析中，总结双排桩支护结构体系的一般工作觇律，得出对工程实践颇有价值的 i 结论。广刁r 一一 关键词：基坑支护，双排桩，十拱原理，十抗力法，空间效应，有限元分析 ， a n a l y s i sa n d c a l c u l a t i o no ft h ef o r c e so f r e t a i n i n g s t r u c t u r ew i t hd o u b l e - r o wp i l e so f d e e p f o u n d a t i o np i t a b s t r a c t t h ek n o w nw o r ka b o u tr e t a i n i n gs t r u c t u r ew i t hd o u b l e - r o wp i l e sa n do t h e r c o r r e s p o n d i n gr e t a i n i n gs 仃u c t l l r e si ss u n l n l a r i z e d a n di t sd i s a d v a n t a g e sa r es h o w n i nt h ep a p e r t h e o r yo fs o i l a r c h i n gi sa p p l i e dt ot h ea n a l y s i so ft h er e t a i n i n g s 缸u c t i l r ew i t hd o u b l e - r o wp i l e s e f i e c t so fb o t l lt h ev e r t i c a la n dh o r i z o n t a ls o i l a r c h i n g o ns m l c t i l r ea r ee s t a b l i s h e d t h r e e d i m e n t i o n a l a n a l y s i s i sm a d ef o r r e t a i n i n g s 仃u c t i l r e c o n s i d e r i n g t h e s p a t i a l e f i e c to fd e e df o u n d a t i o n p i t a n d h o r i z o n t a lb e a mo nt h eb u t to f r e t a i n i n g p i l e s i nt h el i g h to f e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ， an e wa n a l y t i cm e t h o do nr e t a i n i n gs t r u c t u r ew i t l ld o u b l e - r o wp i l e si sp u tf o r w a r d w h i c hi sb a s e do nt h et h e o r yo fs o i la r c h i n ga p p l i e du p w a r da n ds u b g r a d er e a c t i o n m e t h o dd o w n w a r dr e g a r d i n gt h ed i v i d eo fs u p p o s e ds l i ps u r f a c e ，a n dap r o g r a m d p s si sw o r k e d0 u tb a s e d0 nt h e s et h e o r i e s c o m p a r e dw i t ht h em e a s u r e dr e s u l t s 。 t h et h e o r e t i e a lc a l c u l a t i o nr e s u l t sa n a l y z e db vm e p r o g r a md p s s a r ec l o s e dt ot h e m 2 曲ew h o l e p r o c e s so fr e t a i n i n gs t r u c t u r ew i t hd o u b l e - r o wp i l e sa n a l y s i z e d6 y f i l l i t ee l e m e n tm e t h o di sa l s od e s c r i b e di nt h i sa r t i c l e i 幽n ga d v a n t a g e o f c o m p u t e r , l a r g ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dp r o g r a m ea n s y s 5 5i su s e dt oa n a l y z et h ed o u b l e - r o w p i l e s s o i ln o n - l i n e a ri st a k e ni n t oa c c o u n t m e a n w h i l e , t h ew h o l ep r o c e s so fd e e p e x c a v a t i o nc o n s t r u c t i o ni si m i t a t e d w i mt h eh e l po fb a c ka n a l y s i sm e t h o d t h e r e l e v a n tp a r a m e t e rc a nb em o d i f i e dc o n t i n u o u s l yt of i tt h ei n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o n p r o c e s sa n do p t i m u md e s i g n t h ei n f l u e n c e so f m a n yf a c t o r so nr e t a i n i n gs t r u c t u r ew i t hd o u b l e r o wp i l e s h a v eb e e nd i s c u s s e da sw e l l t h r o u 出t h ee o m p a r i s i o no fn u m e r i c a lr e s u l t s ，t h e g e n e r a lw o r k i n gr u l eh a sb e e ns u m m a r i z c d a n ds o m ev a l u a b l er e s u l t sh a v eb e e n g o t t e n , w h i c hc a n d os o m e t h i n gu s e f u lt oe - o g i n e 燃i n g p r a c r i c e k e y w o r d s ：r e t a i n i n gs t r u c t u r eo ff o u n d a t i o np i t ，d o u b l e - r o wp i l e s ，t h e o r yo fs o i l a r c h i n g ，s u b g r a d e r e a c t i o nm e t h o d ，s p a t i a le 丘b c t ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 湖商人芋岩 。广程导, i t 坝l 学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 基坑工程是一个占老而义具有时代特征的岩十【程淤题。同时也是一个综合性的岩土 i ：稗难题，既涉及十力学中典掣的j j 里度与稳定问题，又包含了变形问题，同时还涉及到土 与支护结构的兆同作f j 。放坡开挖年简易术桩f q 护可以迎溯剑远古时代。事实上，人类土 水f 稗频繁活动促进了基坑j ：群的发展，特别是住2 0 纪，随着人鼙高层、超高层建筑 以及地r 【：程不断涌现，支护结构难度尤其在软十地| 灵：越来越人，对基坑1 程的要求越来 越高，随之出现的问题也越米越多，迫使l 。剧技术人员从新的角度去审视基坑l 程这一占 老课题，导致许多新的经验、理论或 i j | = 究方法得以出现j ，成熟。 住国外，二战后的2 0 多年间，欧关地区的发达国家在重建家园的需要利j 业化进程 的推动f ，为兴建高层和超高层人厦，修建城市地铁而m 现了人量的基坑j 程，基坑支护 技术的研究随之开展起来。对深基坑：科中的岩土一程问题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2 0 世纪4 0 年代就提u i 了预估挖方稳定程度和支撑荷载 大小的总应力法。这以后，世界各国的许多学者都投入丁研究并不断地在这一领域取得 丰硕的成果。2 0 世纪5 0 年代，b j e r r u m 和e i d e 给出了分析基坑坑底隆起的方法。2 0 世纪 6 0 年代开始在奥斯陆利墨两哥城的软粘十深基坑j ：程中使用仪器进行监测，对提高预测的 准确性起到了促进作川，并从上世纪7 0 年代起，产生了相应的指导开挖的法规。 基坑j ：程在我国进行广泛的研究始丁实行改革开放的2 0 世纪8 0 年代初，随着基本建 发投资的加大，高层建筑不断涌现基础埋深不断增加，基坑开挖深度不断加大，特别是 到了2 0 世纪9 0 年代，大多数城市都进入人规模的旧城改造阶段，在繁华的城区内进行深 基坑开挖给这一古老课题提出了的新的内容和挑战，那就是如何控制深坑开挖的环境效应 问题，从而进一步促进了深基坑开挖技术的研究与发展，产生了许多先进的设计、计算方 法，众多新的施l ：i 艺也不断付诸实施，出现r 许多技术先进的成功样实例。然而不容 同避的事实是，由于基坑【：程的复j 性，以及设计和施i 不当，基坑l ：程发生事故的概率 仍然很高 2 】。 实践表明，目前一方面许多支护结构的内力远远低1 ：设计值，造成材料的重人浪费， 而另一方面义有相当多的f ：程事故发生造成重人的损失。究其原网士要还是对支护宝吉构 与地基十之间的相互作用问题认识不够 3 1 ，这就对现有的设计理论殴计方法提出了挑战， 要求州更完善的理论，更好的方法和技术玄解决基坑支护：程中存在的问题。 任何一个课题的发展都是理论与实践密切结合并不断相互促进的结果。基坑l ：程的发 展往往是一种新的支护形式的出现带动新的分析方法的，。生，并遵循实践、认识、再实践、 再认识的规律，而走向成熟。早期的开挖常采i h 放坡的形式，后来随着开挖深度的增加， 放坡面空间受剑限制产生了支护开挖。迄今为| i ，支护型式已经发展至数十种。从基 坑支护j 作机理米讲基坑支护方法的发i 睡住) ：j 5 e 坡开挖月，有恳臂支护、内支撑( 或拉锚) 支护、组合犁支护等。放坡开挖需。婴场地仃较人的审问，且开挖十方昔较人，住场地周同 湖南人学岩十t 程专业埘l 卜学位沦文 条t t 允许的情况下，放坡开挖至今仍然不火为基坑支护的女r 方法i 悬臂支护是指不带内支 撑或拉锚的支护结构，而是通过设置钔板桩或州筋混凝l 桩形成支护结构。另外，悬臂支 护结构也可以通过对基坑周同十体进行加i i , 1 1 改良形成；为了故善恳臂式支护结构的受力性 能和变形特性，满足较深基坑支捎卜体的要求，发展了山撑式支护和拉锚式支护结构；为 了挖掘支护结构材料的潜在能力，侵支护结构艰式更加 ? 理，并能适合各种基坑型式，综 合利用“空间效应”，发展了组台刑支护结构型式。 支护结构晟早用木桩，现在常j “钢筋混凝十桩、地p 连续墙、钢板桩以及通过加固改 良基坑周同十体的方法形成水泥十捎墙、十钊牖等。钢筋混凝十桩设置方法有钻孔灌注、 人l i 挖孔桩、沉管灌注和预制桩笛。 1 2 深基坑工程的主要特点及存在的主要问题 基坑是建筑工程的一部分，其发展与建筑业的发展密切相关，而深基坑是充分利用土 地资源的方式之一。由于我国地少人多，人均t i i 有十地还f 及全世界人均占有土地的1 1 1 0 ， 为节约十地，向空间要住房，向俐膀要面积，许多高层建筑拔地而起。据不完全统计， 1 9 8 0 1 9 8 9 年1 0 年间，我国新建高层建筑1 0 0 0 余幢，1 9 9 0 年1 9 9 9 年1 0 年间，全国新建 的高层建筑9 0 0 0 幢。适当发展多层和高层，向空中和地下发展，是解决我国土地资源紧 张的一条重要出路。 随着城镇建设中高层及超高层建筑的人量涌现，深i 坑r 程越来越多。同时，密集的 建筑物、人深度的基坑周围复杂的地卜设施，使得放坡升挖这一传统技术不再能满足现代 城镇建殴的需要，闪此，深基坑开挖与支护问题引起了i ：建及环保部门的广泛重视。 尤其是2 0 世纪9 0 年代以来，基坑开挖与支护问题已经和正在成为我国建筑j ：程界的 热点问题之一。基坑工程数量增多及规模急剧增人，同时所暴露的问题也很多。 1 2 1 基坑开挖与支护状况及基坑工程特点 ( 1 ) 基坑越挖越深 为了使用方便，或因为地价昂贵，或为了符合建管 ! i ! 定及人防需要，建筑投资者不得 不向地卜空间发展。过去，即使在人城市建1 2 层地下j i ，也不普遍，中等城市更为少见。 现在在大城市、沿海城市，尤其是特区，地i - 3 4 层已很寻常，5 6 层也有，不少基坑深 度已超过1 0 m 。 ( 2 ) 基坑同护方法多 请如人i 挖孔桩、预制桩、深层搅拌自 、地r 连续l _ l 、钢支撑、小支撑、砂袋堆撑、 拉锚、抗滑桩、注浆、喷锚网支护法，再种桩、扳、墙、管、撑同锚杆联合支护法，以及 十钏墙法等等，应有尽有，各显神通。 ( 3 ) 基坑哪；呈事故多 此问题目前在建筑界显得异常突山，以致很难举出哪个地区、哪个大城市或特区已建 基坑l ：程近年来不出毛病的例子。地质条f t 。较姘的地i x ( 蛔北京) 出事故，地质条件筹的地 k ( 如上海、海口、惠：川1 l 等) 更出事敞；坑浅的i u 事故；坑深的更出事故。有的地区基坑i 拌成功率人体仅为1 3 ，出了l ：程事故的或多少有事故的约占2 ，3 ，给国家造成巨火经济损 湖南人学岩 。r 程号业f 哦l 学位沦文 火，影响居民生活安定。 ( 4 ) 基坑j ：程具有很拯的区域性和个性 岩士【程区域| 生强，岩士j ：稃中的基坑i ：样区域性强。如软粘土地基、砂土地基、 黄土地基等工程地质条件不同的地基中基坑l ：程著异性限大。同一城市不同区域也有差 别。基坑工程的支护体系设计和施l 不仅与【稗地质平水文地质条件有关，还与t h u g 建筑 物、构筑物及市政地下管线的位置、重要性，抵御变形能力等有关。每一个基坑 ：程的设 计都有其特点，应冈地制宜，不能j 搬照抄。 ( 5 ) 基坑l ：样具有较强的时空效j 、v 基坑的深度羽i 平面形状对基坑维护休乐的稳定性和变形有较大的影响【4 ，空间效戍的 存在使得支捎结构所受十压力与经典十月i 力有较人的不川，在基坑维护体系设计萃施一r 中 要注意t ：程的空间效应，并加以利j h 。_ 体一般具有流步性，特别是软粘士具有较强的流 变性。作_ e | 在维护结构上的土压力随时问而变人，七体性度则变低。 ( 6 ) 基坑j 程的环境效应 基坑i ：稃开挖势必引起周围地基中地p + 水化的变化和戍力场的改变，导致周嗣地基七 体的变形，对相邻建筑、构筑物及地r 管线产生影响。私响严重的将危及相邻建筑物、构 筑物及地f 管线的安全及正常使用。火量十方运输也将对交通产生影响。因此，对基坑工 程的环境效应应予以重视。 1 2 2 我国基坑开挖与支护存在的主要问题 ( 1 ) 基坑j ：程设计质量低是发生事故的】= 要原冈 一些部f j 误认为深基坑开挖支护i ：平_ l ! 赴施l ：部门的事，无需具有设计资质单位的设 计，设计及岩土j ：程部门介入较少，设计人多足由施j r ：单位自己完成，由于设计人员的技 术水平参差不齐，参数取值、计算疗法无荜可循，使一业上= 程设计缺陷多、隐患较大，盲 目挖满，以致造成安全储备过低，发生严重l ：程事故，或i i 目增加安全系数造成严重浪费。 ( 2 ) 施l ：i ：作混乱，管理不力 对属丁岩十i ：程的地f 施l 项目，资质限制不严格，塔坑支护【：程转手承包较为普遍， 少数施j ：单位不具备技术条件，人力、物力等基本素质较差，为了追求利润或为迁就业主， 随意修改工程设计，降低安全度。现场管埋混乱，以致出现险情时惊惶失措，未能及时采 取补救措施。未做到信息化施工和动态化管理。 ( 3 ) 质甜检验方面问题不少 基坑支护结构的质鼙检测、验收方法也无章可循，给基坑支护结构的质耸监督和质量 评价带米凼难，没有针对基坑支护l ：科特点建立竣i ：验收的质量管理体系，检测部fj 资质 混乱。 ( 4 ) 忽视基坑1 ：程对l ：程勘察的特殊要求 基坑r ：程的岩土工程勘察1 ：作十- 分重要，f j 许多勘! 单位常常忽略对基坑环境地质的 勘察，专fj 针对基坑的r 群地质及水文地质的勘察重视1 、够，对各种计算参数的试验方法 及墩值也缺乏或不符合现场实际m 况，刈j ：赞肘豺力朐魄场试验及原伉测试f ：作较少进 行。勘察深度平勘察点布置不符合基坑i 球 要求，以致给设计、施i ：带来凼难利隐患。 湖南人学岩卜r 程吐坝i 学位沦文 ( 5 ) 监理i ：作方面的问题 目前监理一l 一作在人力、技术等疗面还f h 不适麻深基坑【：程的特殊要求，要把对基坑f 程的监理作为整个建筑工程监理的重点之一。 1 3 基坑支护结构分类及基坑支护体系的选择原则 1 3 1 基坑支护结构分类 支护结构的作用一般分挡土( 挡水) 及支撑拉结两部分，而挡土部分对水而言因地质 水文情况不同又分透水及止水两种情况。透水的捎七结构需在基坑内外设排水降水井，以 降低地下水位。止水的挡土结构可防止基坑外地_ 卜- 水进入坑内，如做防水帷幕、地下连续 墒等，只在坑内设集水井。 目前基坑支护结构形式众多，但对其分类，i 稃界一直没有统一的分类标准，以f 是 根据支挡结构的作用不同而进行的简单分类，见表l 一1 1 6 。 表l 一1深基坑支护结构分类表 支 护 结 构 支撑拉结部分 1 ) h ，性钢、工字钢桩加插板 2 ) 疏排灌注桩钢丝网水泥抹面 3 ) 晰排桩( 灌滓桩、预制桩) 4 ) 双圳桩捎十 5 ) 连扒式灌注桩 6 ) 桩j 合一，地下室逆作法 7 ) 土 j 支护 8 ) 插觞补强支护 1 ) 地l ? 连续墙支护 2 ) 深j 搅拌水泥土桩、墙 3 ) 深j 0 搅拌水泥桩+ 灌注桩 4 ) 密排桩问+ 高压喷射水泥桩 5 ) 密排桩间+ 化学灌注桩 6 ) 钢搬桩 7 ) 闭7 r 拱阁墙 1 ) 自，式( 悬臂桩、墙) 2 ) 锚i t 史护( 锚拉梁、桩) 3 ) 十j ；锚杆 4 ) 钢1 h 型俐支撑( 水平撑) 5 ) 糸1j _ ： 6 ) 环- # 史护体系 7 ) 逆f 1 ：法施t 厂lllit-lil厂lljl_fjlll 阳 构 绌 结 卜 十 水 水 透 止 。，。l 分部 湖南人学岩 f 程专业坝f j 学伯沦文 1 3 2 基坑支护体系的选择原则 支护体系的选用要遵循安全、经济、方便施f 及冈地制宦的总原则。 基坑支护结掏要求能确保坑肇稳定，施：安全；确仙：邻近建筑物、构筑物和管线在施 l ：期间不受损害：保证基坑工程施j ：面扫：地- k 何以上。传统上，一般都是以安全系数作 为支护结构稳定性评价指标。支护体系一般为施5 2 程c 自时构筑物，设计中不应盲目增 人安全系数，但适当安全储备还是需要的。安仑系数取1 0 ，对一个l ：程不一定出问题： 但宏观地看，对一个地区，一l ：程事敞数龋就可能不少。从安全与经济两方面考虑，可以在 采剧较小的安全储备条件下，在施j ：过程中加性监测，井备有戍急措施，保证在事故苗头 出现时，采取措施，确保安全施【i 。安全性系数的选取”表1 - 2 1 5 1 。应该指出的是表中 的安全系数只是一个由确定的方法得到的个定值，它_ 、能考虑设计参数中任何内在的变 异性，而实际上，交全系数是一个i 自设计i l 素的变异性珧定的随机变量应该刖可靠度理 论米更好地解j 丸安全性问题。 基坑侧壁安全等级及重要性系数表1 2 f安= 争等级破州：后果重要性系数y 。 级 支护结构破坏，士体失稳或过人变彤对培坑用边环境及地下 l1 0 构施 。彬l 向严最。 1_ 二级 支护结构破坏，七体失稳或过人变肜对基坑剧睦环境发地下 结构施t 彬响一般。 1o o l三级 史护结构破坏，士休失稳或过人变形对基坑周边环境及地下 09 0 结构施t 彬响币严重。 注：有特殊要求的建筑基坑侧壁安仝等级叫根据具体情况另f 于确定 般讲，软粘土地基中基坑：【i 程要侧重处理支护体系同护结构的稳定性问题，或者说 处理好挡士问题；地下水位较高的砂性十地基巾基坑 ：张要侧重处理好水的问题，如伺降 低地f 水位，如何设置好j r 水帷幕软料r 。地j 击中基坑l 程支护体系失稳往往是支护结构 火稳。引起支护结构火稳的原冈很多，柏改汁方面的原p 、f ，施r 方面原冈，也有对地质条 件了解不清楚的原因，但原理性错误，也经常遇剑。渗边性较大地基中基坑 程支护体系 火败往往是水的问题未处理好，要根据地基十质情况台3 ，b 选用支护体系。 在保证基坑j j 程在支护结构安全i j 稚的前提r ，要从j ：期，材料，设备，人r 以及环 境保护等多方面对多种支护形式的经济合理性进行综合刘比研究，择优选取其中的某种支 护形式。一个优秀的支护体系设计，要做剑冈地制盲，扒据基坑哪￥周同建( 构) 筑物对 支护体系变侮适麻能力，选h j 合理的支护州式，进行支护结构体系设计。相同的地质条件， 相同的挖十深度，允许围护结构变位量不同，满足不同变形要求不同的支护体系的费州相 关可能很大。优秀的设计，应能较f ：f _ 地把握支护结构安全变位量，使支护体系安全，周同 建筑物不受影响，费用又小。 在满足以上儿点的基础上，要肯利1 + 挖十及地f 室自7 j 施【，以及能满足缩短施1 。i 瑚 的要求。 塑塑叁兰堂：! ! 堡羔些些! ：兰笙堡墨 一 1 4 深基坑开挖与支护工程程序及典型支护结构特性和适用条件 1 4 1 深基坑开挖与支护工程程序 深基坑开挖与支护1 程的：r 作程序川概况如l l 昕示。 幽i i深jl 坑开挖支护t 咤程序 6 - 皇 湖南人学岩十1 1 程0 业f 圳i 学位| 文 i 4 2 典型支护结构特性和适用条件 为适应不同的地质及环境条件，设计苦针对不同的：l 程实际提出了多种类型的支护结 构形式。空旷场地、十质条件合适时可选择放坡基坑开挖法，除此之外，可按表1 - - 3 7 】 选择适当的支护结构。 典型支护结构的特性及适用条件表i - - 3 挡士 适宜地防水较适宜采 结构特性 质条件抗渗 施丁条伺造价 名称 用条件 雉十打入水卵 如能拔软士、淤泥质十地 锁uu 彤z 彤钢软十、咬u 好能f l 及砾“层拔 薰复用则区日水位较一多 钢扳板桩整 水h ，刚淤泥驶止水最堑 d i 留仃扎f f | - | 需 j 度较好，一次投淤泥质幢月j 时止 处刖，辱复北用 造价省，含 用，并能拔重复 入钢利多土水较差旺修挫，施i 肯 则用铡量使用，蛐l ，少备高 震动噪音 大造价高层建筑深基础 整体性差，如各 桩间以型钢拉 粘土、地下水位于j 枷有震z “噪h 型钢桩 h 型钢结，则可克服桩 砂t 及茼时需降奇，砾石层难施需拔出，造 适于粘士砂士地 加横畸帆间变形不 区，桩要拔，如 批扳 均，一般4 j 锚杆 砂卵石水，搞渗小 t ，拔桩图f f ：l价省，否则 配合拉结，效果 士好 洲需处理浪费大 天津使用效果好 好 整体性好，刚度 适宜于任何七质 地下 好，可以接平面各种地 需有大型机械 连续 设计成任何形质，水防水抗渗 设稀，现场筑泥 及水位。应发挥挡 状，施工较困 位条件 性能好 浆循环设施，单贵 土、搞渗及承重三 墙 儿接头耍处理 种功能为佳，京、 难，需有泥浆循皆适宜 好 沪、穗皆有实际工 环处理 程施丁实例 整体性及刚度施t 机具简单 桩排较地下连续墙 除砑石需采刷防 适宜挡土，抗渗两 止连差，但用钻孔机 层外各水抗渗挡 用钻孔机即r ， 续墙即可施t ，简便 种士层施，行则止 婴增加小川注省 种功能的各类土 皆适宜水性差 化学防水剂以 层。t 海、广东皆 易行抗渗 育施丁实例 粘十、 间船 n 枷j + 必需筑砂十、施t 阳单，e 震 在粘七、砂t 、粉 钻孔 俐筋混跚t 连粉士及地下水位动噪占。接址浅 十地下水位低地 帆加 梁以调备桩间砂卵，岛时需降口j 按白立( 悬省 区强适宜，施工简 t h 丝 的位移变形，并石、地水，小抗渗 髓) ，深时川与单快速在北京地 m 水 增强整体性能下水位拉粱，锚杆n 伍 区大量采用 泥墙 低地区 双删 桩 ：必须筑钢粘士、 由十双排桩刚度 摊前 筋混凝十扁例砂十、 人，位移小口j 用在 拙加 梁或单桩斜瘐粉十l 及i 也下水位 肇坑较椿时，_ i 用 钢丝 拉鲒，使双排桩砂卵高时需降 施t 简甲，七震 嗍水 项形成门式，有石、地水，小抗渗 动噪音。 很省拉结和锚杆，比单 排桩既省且快，是 位移变形小的下水位 北京地区新发展 泥 效果低地区 挡土结构 ：| 墙挡十桩墙需建粘十、地下水位 施丁简单易f r ，适宜十防水抗渗 伞一n 硅筑物地下砂十、 - 矗需降水，目f 发地下埔皆 较省 望求小t 岛的建筑 7 湖南大学岩士工程专业硕士学位硷文 续表1 3 半逆室的轴线上，施粉土及抗渗不好 f | 作防水批渗 如地下车库等 作法工时自上向下，砂卵措施，挖土作业 利用地下室粱石、地较田难 板作支支撑，一下水位 层层向下，半逆较低的 作方法地质 深层整体性、刚度较 搅拌好墙内可加钢软土、上海某地下车库 水泥筋或劲性工字淤泥质好 。需i 算f 崖搅朴机墙厚则较 土挡钢，墙厚可按设土 械，施工较群易赞 挖深s 5 m 一6 7 m ， 墙厚32 m 一- 4 7 m 墙计确定 将基坑挡土结 构用砼拱形( 闭 合拱或非闭合 拱形拱或用搅拌桩、砂土、 边砌筑边浇幢， 深圳一些工程采 支挡灌注桩形成拱粘土、 边开挖 省用此种挡土结构 结构中拱结构，( 连粉土等 效果好，造价低 拱式也可形成 拱圆与直墙结 合的支挡结构 各种挡土结构包 括( 钢板桩、h 型软土地 软弱土淤泥地区 嗣桩、灌注桩、地区一般 用钢板桩，挖深 自立 下连续墙等) 要据悬臂为施工比有业捧 2 m 一3 m ，用地下 式挡 电质投条件计算，3 m 左 拉结简单，_ i 灌连续墙4 m s m ， 土结 采用悬臂深入地右，粘注桩、双排桩、 较省粘土、砂土地区， 构( 悬层嵌固多少，抗弯、砂 桩顶葵筑联结 用灌注桩悬臂可 臂式)能力等，是否合作土地区圈粱 达6 m 左右，用以 经济，如不宜蔫支可6 m 捧灌注桩可达8 m 雄、拉结或用锚杆左右 左右 等 与挡土结构连软土、 结，锚入地下利揆泥质 锚杆用地层的锚同土锚同 与挡 力，平衡挡土结力小，要有锚杆机械 土结构所受的压 砂土，及灌浆设备 较费适用于各种工具 构 力，水压力用钢砂卵石 筋蛾钢铰线作土锚固 主筋 力大 钢板在基坑内支撑 在软土 与挡有水平横撑及 地区使 支撑施工较困 在软土、淤泥质土 土结 斜捧，常与钢板 用不采 难，挖土亦 困较费 与钢板桩配合使 锚杆时难 用，如上海深基杭 构桩为伍 使用效果较好 钢支撑 在地面有开阔砂土 地面条件可作，仅能地、粘 结与筑道，一般用土地区 1 ；用械设备较 与灌注桩、h 型钢 挡土钢筋予应力紧 较好，方便 较省桩配合并在地面 结构或用花兰螺丝软土区 较宽阔地拉结 拉紧差 8 湖南大学岩土工程专业硕士学位论文 续表1 3 以地下室主体可以体交义作 逆作法为较先进 工程的梁板作业，要筑r | 岛lm 寸中 施工洼，立体交叉 逆作支撑，自上下施各种地 柱中承受i ：部 作业复杂，事先组 法施工，挡土墙变形质皆适 荷载，要做好粱较省 织好施工方案的 工小，安全，省临宜 板施工和挖土 爽践，如上海电 时支护结构，接 施工方案投粱 讯，天津华联商厦 工程施工取得较 头处理较困难 柱节点处理 好效果 1 5 双排桩支护结构体系研究现状 双排桩支护结构体系作为一种空间组合类支护结构，在深基坑工程中的运用在我国使 于2 0 世纪9 0 年代初期，到目前为止，双排桩已有不少计算模型，基于不同的假定，归纳 起来主要有三大类：根据经典土压力理论确定土压力的计算模型；根据文克尔假定的计算 模型；用平面有限元法的计算模型。其中后两种方法能考虑桩一土的共同作用，计算的结 果较为理想。其研究从开始的极限平衡方法到弹性地基粱法，到目前采用平面有限元分析 的数值分析方法，体现了研究水平的逐步提高，短短十年能取得如此大的进步，从一个角 度说明了双排桩支护结构体系在工程的优越性。 目剪在工程中比较常用的分析方法还是运用极限平衡方法，这主要是由于其方法简 单，但使用该方法的有些假定不太符合实际，且难以估靠支护结构的变形，随着研究水平 的提高，其缺点也逐渐体现出来；土抗力法也称“基床系数法”或“地基反力法”，其复 杂程度居中，目前 建筑基坑支护技术规程中推荐的方法是“m ，法，这是一种线弹性 地基反力法，它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，目前使用也越来越广泛，理论上比极限平衡法 更合理，虽能考虑支护结构的变形t 但仍然无法考虑土体的本构特性，有限元方法比较复 杂，其最大优势在于对双排桩进行数值分析时能考虑支挡结构一土共同作用的复杂性。用 该方法进行分析计算需要考虑：整体参数的选择，土与结构的本构模型，施工过程的模拟， 不同材料之间的接触模拟，土体参数的确定等目前在庶用中还存在计算参数和计算模型 难以取得的问题，暂时还未在双排桩支护结构体系设计q 一取得良好的效果，但应该指出的 是连续介质有限元法代表了该类问题的一个较为先进的研究发展方向 目前的研究结果表明：当前后排桩距b s d 时。双排桩支 护结构空间效应较差，后排桩基本上只起拉锚作用，前后排桩也不能较好的共同抵抗侧向 变形：当排距在1 5 d b s d 时，前后排桩能较好的共同于 佣，当然其支护效果还与支护高 度、工程地质情况等很多因素有关。 1 6 课题来源和本文研究的主要内容及研究方法 本课题来源于长沙市建委课题“格构式及双排桩支捎结构试验及方法研究”和t t 长沙 市桐梓坡路挡土墙设计”的部分内容。针对以上的分析，本文对双排桩支护结构体系研究 的主要内容及方法如下： ( 1 ) 归纳整理已有的双排桩支护结构体系及相关2 。构的研究成果改进其设计计算 9 湖南人学岩十r 程专业坝j 学位l 仑史 理论中的不足之处。 ( 2 ) 将土拱原理用于对双排桩支护结构体系的分析计算中，根据不同的布桩形式， 分别给出竖向土拱和水平向土拱在支护体系之间的作用表达式，提出新的分析和计算方 法。 ( 3 ) 考虑深基坑空间效应的影响及吏护 j e 桩顺水j 7 圈梁的作用，对双排桩支护结构 体系进行二维受力分析。 ( 4 ) 从工程实用的角度出发建立：一个以假定滑裂面为分界面，滑裂面以上采用土 拱理论；滑裂面以下采用土抗力法的分析模型。将m a t h c a d 雨im a t l a b 结合，编制双排桩 支护结构体系的分析软件d p s s 。 ( 5 ) 采_ e j 大型分析软件a n s y s 5 5 对舣排桩支护体系进行有限元分析，考虑土体的非 线性，模拟施l 过程的影响。对己仃测试数据进行反分目i ，从而使之可以进行信息化施_ 和优化设计。 ( 6 ) 考虑影响双排桩支护结构体系的诸多因素，对舣排桩支护体系进行敏感性分析， 总结其变化规律，得出对工程颇有价值的结论。 ( 7 ) 将本文中程序d p s s 和a n s y s 5 5 有限元分析的计算结果与工程实测进行对比， 验证本文提出方法的可行性。 湖南大学岩土t 程专业坝l 学位沦文 第2 章双排桩支护结构体系分析方法评述 双排桩支护结构体系属于恳臂类空间纲合支护结构。所谓空间组合，系指支护桩从平面 上看可按需要采用不同的排列组合，桩顺 u 盖梁连接。在没有锚杆( 或内支撑) 的情况下， 发挥空间组合桩的整体刚度和空间效应，j 与桩土协同： ：作，支挡因开挖引起的不平衡力， 达到保持坑擘或坡体稳定、控制变形、满足施i 利相邻环境安全的目的。本章将评述国内已 有舣排桩支护结构体系分析方法。 2 1 双排桩支护结构体系布桩形式 双排桩支护结构体系可理解为：睁密集的单排悬臂支护桩中的部分桩向后移，并在桩顶刚 刚性联系梁盖梁把前后排桩连接起来，沿基坑k = 度方向形成双排支护的空间支护结构体系。 其组合形式如图2 1 所示。 、。、 ( a ) i 、) 、 1 ，一声- r 一二， p 。、- l j 、 j o 簿、 。一、i ( d )( e )r 一!( f ) ( a ) “之”字式：( b ) 双二角j = i = ：( c ) 梅花形式 ( d ) 矩形格构式；( e ) “丁”字式；( f ) 连拱式 削2 - l双排支护桩平面形式 双排桩支护结构体系的立面布置形式见图2 - - 6 。 当然，组合形式还可以是不同桩径的组合，不同材料的组合等等。 2 2 双排桩支护结构体系的特点 双排桩支护结构体系其特点体现为： ( 1 ) 在双排桩支护结构中，前后排桩均分担主动十j 矗力，但有主次，后排桩兼起支挡 和“拉锚”双重作用； ( 2 ) 烈排桩支护结构形成空间格构，增强支护结构自身稳定性和整体刚度； ( 3 ) 充分利删桩七共同作川中的十拱效应，政变一i ：体侧压力分布，增强支护效果。 。o 。，一 警一 湖南人学岩十r 程专业坝l j 学位| 文 双排桩支护结构体系的优点是： ( 1 ) 恳臂式舣排支护桩冈由刚性迮系梁与前后排桩小成一个超静定结构，整体刚度大； 加上前斤排桩均能产生与侧十压力反向作j h 的力偶，使舣排桩的位移明显减小，而单排悬臂 桩是完全依靠弹性嵌入基坑十内的足够深度米承受桩后的恻压力并维持其稳定性的，坑顶位 移和桩本身变形较大。同时双排桩的最人内力值也有所i ? 降，并变成交变内力。 ( 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，l 面单排悬臂桩为一静定结构( 将土 乐力看作己知力作用于其上) 则不具备此种功能。 ( 3 ) 当受施i ：技术或场地条什( 如基坑_ l j 地红线以外不允许fj 1 用地下空间) 等限制时， 如果基坑深度条什合适，悬臂式烈排支护桩是代替桩一锚护结构的一种好的支护形式。旋 【实践表明，其施上简便、速度快、投资省。 舣排桩支护结构体系的缺点是： ( 1 ) 双排支护桩的设计计算方法还不够成熟，实测数据还不多，受力机理不够清楚。 ( 2 ) 基坑周边要有一定空间，以利r 酬摊支护桩| 1 勺布置和旌 。 总之，在对深基坑挡土支护结构的何移有限制的要求f ，对于一般粘性士地区来说，双 排支护桩是一种很有价值的挡土支护结构类型。高地下水佗的软土地区采用双排支护桩与其 他支护挡士形式时，还可满足防水功能要求；与相关形式的地基处理方法结合能大大改善支 护结构性能，上海、杭州【8 】、宁波 9 、武汉 1 0 等地区也t r 双排桩式挡土支护结构不少的成 功实例。 2 3 双排桩支护结构体系的几种计算方法简介及评价 2 3 1 修正系数法 文献【1 1 2 】提出了该计算方法，考虑羔梁与前后排# 铰接的情况，运用经验系数调整 前，| 亓排桩所受的侧十压力。该方法为甲划改计烈排桩时采j h 的方法，在计算上比较简单，但 其假定与i ：科实际有较人出入，表现住与一1 ：乐力反向的桩愤力偶作用不能考虑，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一超静定结构在多变外力情况f 对内力 的自动调节作_ l j ，加之文中提出的经验系数具有较大的地域局限性，较难推广，因此现阶段 设计时已采用较少，但当前后排桩排距较人，盖梁与前后排桩连接刚度较小时，运用此法的 计算模刑还是可行的。其要点如r ： 1 计算基本假定： ( 1 ) 考虑双排桩的整体刚度及其对1 j 体的约束作州近似地将前后排桩之间的土体视 为受侧向约束的无限长弹性土体，故作_ l 丁前排桩背的| ：压力口。，为 口。，：y - - ( 2 1 ) 。2 二了 2 一 湖南人学岩fr 程专业坝卜学位沦文 式中v 为桩背七的泊松比。 ( 2 ) 作用于前排桩前的侧向抗力8 ，介丁静i e 士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，表达式为 e ，= k l p p = k i o , z _ k p + 2 c k ，) ( 2 - - 2 ) 式中，k 、为被动十压力折减系数，它是自if | 变形的函数一般取05 07 。 ( 3 ) 届排桩前的侧向抗力亦按式( 2 1 ) 考虑，桩肯土压力的大小取决丁桩的侧向位 移，由r 烈排桩的侧向刚度较大，叫此假定斤彳排桩十位移仍处在弹性范围内，即桩背侧向土 压力d 。( 称为弹性土压力) 介于静止士压力与主动土日、力之间，即 ， 一、 p “= k 2 忙k 。一2 c _ 、k 。j ( 2 - - 3 ) 式中，k ，为侧向主动_ 十压力修正系数，一般敬1 1 1 2 2 双排支护桩计算模型 ( 1 ) 前排桩的计算分析 由图2 2 计算模型，前排桩的计算可按项部 拉结，下端简支的挡土支护结构考虑，计算简幽如 图2 3 所示。计算桩最小入土深度t 。时，可按龉 端简支的挡土桩计算。上、下两端简支点即为桩顶、 桩端。 由前述前排桩土压力分析结果即按式( 2 2 ) 和( 2 3 ) 可计算出桩背、桩前土压力。支点反力 ( 薷梁轴力) r ，可由静力平衡计算求得。j ：是进 而可求得最人弯矩值及其作用点位管。 b 涮 ， o ： ：一一二窖宝”，2 。一吼二、： 引2 - - 2 “修正系数法”双排桩计算模型 一【 ，：，2 l l ：r吣 二r 一，l 】1 t 1 lo p j n ； e ：2 e 图2 - - 3 前排桩计斡简巳f 图2 一i后排桩计算简图 ( 2 ) 后排桩的计算分析 后排桩的计算模型如图2 4 所示。 i 排桩的桩| o ， r r _ 蓼k 。， 一y 以 ； h 一 塑塑叁兰壹! 堡主些堡! ：堂笪堕墨 2 l r 、 ”i l i j ( 2 9 ) 式中，l 为般排桩外侧排距； 。2h t a n ( 4 5 。一) 。 验证两种极限情况： ( 1 ) 当前后排桩重叠，即无桩问十，冈l = 0 ，故：o 。= 0 ，d = 0 ： ( 2 ) 排距l = l o ，此时后排桩在滑动面之外，可假定后排桩不会受到基坑开挖的影响， 即吐= l 仃。= 盯。 同样，被动十压力可取值为 4 = ( 1 + a ) c r p ( 2 一1 0 ) 4 坤= ( 1 - a p p ( 2 1 1 ) 对于前后排桩为矩形( 并列式) 排列的情况( 图2 - - 5 b ) ，由于前后排桩相对，基坑开 挖后，主动士压力可假定仅作用在斤排桩上，桩间土压力仍取值为a o 。，则后前排桩的主 动力土压力分别为 p “。a c t “ p 曲2 盯d 一盯口 l j ” 1 一一一 r i 碍蕊# 叼i 7 哪f ! l1 、，- ：4 5 。吁2 觋砖一” f j 一： f r ； f 4 ： 图2 - - 6o 的确定方法 其内力和位移可按结构力学计算的方法计算。 该方法物理概念明确，容易用利序实现，冈而现阶段为较多设计者在设计时采用的方法 之，但某些情况下，前后排桩士月功尤其是被动十压力分配过于悬殊，对桩长和最大弯矩 ) ) 2 3 一 一 2 2 ( ( 湖南大学岩