（岩土工程专业论文）桩锚支护结构的设计计算及变形分析.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塑皇堡盔些盘堂或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：霞力塘 签字日期： 2 , o 1年乡月乒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑皇垦盔些盘堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权塑皇堡垒些盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 侵夕塘 导师签名： 签字同期：矽年莎月名e ：i 签字r 期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 冰m1 了洲 摘要 本文以某深基坑工程为依托，对其桩锚支护结构进行了设计计算，并结合 数值分析研究了桩锚支护的变形特性。 本文采用连续梁法与m 法联合计算的方法对桩锚支护结构进行设计计算， 两种方法互为补充，克服了连续梁法与m 法各自的缺点，工程监测结果表明本 文的计算方法是可行的。 论文建立了桩锚支护体系非线性有限元分析模型。分析了基坑# i - n 土体水 平位移、基坑外侧地表沉降及沉降沿深度的分布规律，分析表明： ( 1 ) 支护桩侧移最大值不在基坑顶部，而在基坑中上部； ( 2 ) 在支护结构入土深度范围以内时，基坑外侧土体位移较小；在支护结 构入土深度以下时，基坑外侧土体有明显的向基坑内位移的趋势； ( 3 ) 基坑外侧地表沉降呈抛物线形式，在距离支护结构1 5 2 倍开挖深度处 出现最大值：地表沉降量与沉降范围随开挖深度的增加而增大； ( 4 ) 在不同深度的位置，基坑外侧土体沉降大小不相同。在支护桩入土深 度范围以内，土体的沉降量较大，沉降随土体深度的增加而增大；而在桩嵌固 深度以下，土体的沉降量很小； ( 5 ) 在前两步开挖时，基坑隆起高度比较小，隆起曲线平缓。随着土体进 一步的开挖，隆起的高度迅速增大；基底隆起在支护结构处最小，远离支护桩 方向隆起逐渐变大，在开挖深度2 倍左右的基坑中部出现隆起最大值。 通常影响护坡桩变形的几何参数包括桩的嵌固深度和桩径，由于护坡桩的 造价占工程总造价的比例较大，因此对这两个参数的研究具有一定的经济意义。 利用上述模型研究了支护桩嵌固深度、桩径、锚杆长度等因素对支护结构变形 的影响，得出以下结论： ( 1 ) 支护结构的嵌固深度越大，支护结构变形越小。当嵌固深度在相对较 浅范围内变化，对支护结构的影响较大，分析本工程模拟结果可知，当嵌固深 度达到9 m 时，对支护结构最大位移影响趋于平缓； ( 2 ) 改变桩径即改变了支护结构的刚度。桩径增大，减小了支护结构的变 形，桩径增大2 4 m 时，也就是3 倍本工程桩径时，其对支护结构位移影响程度 非常小。 关键词：桩锚支护；连续梁法；m 法；联合计算法；非线性有限元 c a l c u l a t i o na n dd e f o r m a t i o na n a l y s i so ft h ep i l e - a n c h o rs u p p o r t i n gs t r u c t u r e a u t h o r ：j i al i t a o m a j o r ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g t u t o r ：y uy u n f e i a b s t r a c t s o m ed e e pf o u n d a t i o np i tt a k e na st h eb a c k g r o u n d ，d e s i g na n dc a l c u l a t i o ni s d o n ef o rt h ep i l e - a n c h o rs u p p o r t i n g s t r u c t u r e ，t h e nc o m b i n e dw i t hn u m e r i c a l a n a l y s i s ，d e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o ft h ep i l e a n c h o rs u p p o r t i n gs t r u c t u r ei s r e s e a r c h e d c o n t i n u o u sb e a m sm e t h o da n d m m e t h o da r ef o u n d e dt or e s e a r c ht h ed e s i g n a n dc a l c u l a t i o nf o rt h ep i l e a n c h o rs u p p o r t i n gs t r u c t u r e ，w h i c ha r ec o m p l e m e n t e d e a c ho t h e r , o v e r c o m i n ge a c hs h o r t c o m i n g e n g i n e e r i n gm o n i t o r i n gs h o w st h a tt h e c a l c u l a t i o ni nt h ep a p e rc a nb ei m p l e m e n t e d t h ea n a l y s i sm o d e lo fn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tf o rt h ep i l e - a n c h o rs u p p o r t i n g s t r u c t u r ei sf o u n d e d d i s t r i b u t i o nd i s c i p l i n ef o rt h eh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n tb e y o n d t h ef o u n d a t i o n ，s o i ls u r f a c es u b s i d e n c eb e y o n dt h ef o u n d a t i o na n ds u b s i d e n c ea l o n g w i t ht h ed e p t hi sa n a l y z e d c o n c l u s i o ni st h a t ： ( 1 ) s i d es h i f t e ro ft h es u p p o r t i n gp i l e si sn o to nt h ee x c a v a t i o nt o p ，b u to nt h e m i d d l eo ft h eu p p e r ； ( 2 ) w i t h i nt h er a n g eo ft h eb u r i e dd e p t ho ft h es u p p o r t i n gs t r u c t u r e ，s o i l d i s p l a c e m e n to ft h ef o u n d a t i o np i tl a t e r a li ss m a l l ；w h e nb e l o w , t h e r ei st h et e n d e n c y o fs o i lb e y o n dt h ef o u n d a t i o nl a t e r a lt ot h ei n s i d e ； ( 3 ) t h ee a r t h ss u r f a c es e t t l e m e n to ft h ef o u n d a t i o nl a t e r a ls h o w sp a r a b o l a ，a n d t h em a x i m u mi sf r o m1 5t i m e st ot w i c ee x c a v a t i o nd e p t hi nt h ed i s t a n c eo ft h e s u p p o r t i n gs t r u c t u r e ； ( 4 ) s o i ls e t t l e m e n to ft h ef o u n d a t i o nl a t e r a l i sd i f f e r e n tw i t hd i f f e r e n td e p t h w h e nw i t h i nt h er a n g eo ft h eb u r i e dd e p t ho ft h es u p p o r t i n gs t r u c t u r e ，t h es o i l s e t t l e m e n ti sb i g g e r ，a n dt h es e t t l e m e n ti n c r e a s e sw i t ht h es o i ld e p t h ；w h e nb e l o wt h e e m b e d d e dd e p t h ，t h es o i ls e t t l e m e n ti st i n y ( 5 ) i nt h ef i r s tt w os t e p so fe x c a v a t i o n ，f o u n d a t i o nu p l i f th e i g h ti sr e l a t i v e l ys m a l l a n du p l i f tc u r v ei so b v i o u s w i t ht h ef u r t h e re x c a v a t i o n ，t h eh e i g h to fu p l i f ti n c r e a s e s r a p i d l y ；t h em i n i m u mu p l i f ti si nt h es u p p o r t i n gs t r u c t u r e ，t h eb i g g e rt h ef u r t h e ra w a y f r o mt h es u p p o r t i n gp i l e ，a n dt h em a x i m u mi si nt h em i d d l eo ft h ef o u n d a t i o na b o u t t w i c ed e p t ho ft h ee x c a v a t i o n u s u a l l yg e o m e t r i cp a r a m e t e r so ft h ei n f l u e n c et ot h ep i l ei si n c l u d i n gp i l e w h e nt h ep i l ed i a m e t e ri su pt o2 4 m ，w h i c hi s3t i m e so ft h ed i a m e t e ro f t h ep r o j e c t ， t h ei n f l u e n c et ot h es u p p o r ts t r u c t u r ei ss a m l l k e yw o r d s ：p i l e - a n c h o rs u p p o r t i n gs t r u c t u r e ；c o n t i n u o u sb e a m sc a l c u l a t i o n ； m c a l c u l a t i o n ；j o i n tc a l c u l a t i o nm e t h o d ；n o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n t 目录 1 绪论：1 1 1 引言1 1 2 桩锚支护研究现状1 1 2 1 桩锚支护理论研究现状l 1 2 2 桩锚支护应用研究现状3 1 2 3 桩锚支护数值模拟研究现状4 1 3 本文的研究内容6 2 工程概况及基坑支护类型选定7 2 1 工程概况7 2 2 工程地质和水文地质条件7 2 2 1 工程地质条件7 2 2 2 水文地质条件8 2 3 基坑支护类型的选定9 2 3 1 基坑支护结构形式9 2 3 2 排桩式支护结构概述1 1 2 3 3 桩锚支护结构概述1 2 2 3 4 桩锚支护结构特点1 2 2 3 5 桩锚支护结构工作原理1 3 2 3 6 方案选择l3 3 桩锚支护结构设计和计算1 5 3 1 基坑支护常用计算方法1 5 3 2 连续梁法计算桩锚支护结构。1 5 3 3m 法计算桩锚支护结构一1 9 3 4 连续梁法与m 法联合计算桩锚支护结构2 2 3 5 结果分析。2 6 4 施工监测2 8 4 1 监测要求2 8 4 2 监测目的2 8 4 3 监测项目2 8 4 4 监测方法2 9 4 5 监测位置的设置2 9 4 6 监测的意义3 0 4 7 监测点的布置及监测周期3 l 4 8 监测结果分析。：3 2 5 桩锚支护体系数值模拟计算3 5 5 1 有限元软件基本理论3 5 5 1 1 有限元软件简介3 5 5 1 2 基坑工程有限元建模的关键问题及参数选择3 6 5 1 3 有限元计算基本方程3 7 5 1 4 有限元模型土体本构关系3 8 5 1 5a d i n a 在岩土工程中的应用3 8 5 1 6a d i n a 基本分析过程3 9 5 2 桩锚支护模型的建立4 0 5 2 1 模型尺寸的选取4 0 5 2 2 模型计算参数4 0 5 3 计算模型4 0 5 4 模型计算步骤4 1 5 5 模拟值和实测值对比4 1 5 6 数值模拟结果分析4 3 5 6 1 基坑分部开挖整体位移4 3 5 6 2 支护桩与坑后土体的水平位移4 5 5 6 3 地面沉降与基坑隆起4 8 5 7 护坡桩几何性状对支护结构的影响5 0 5 7 1 桩嵌固深度变化对支护结构的影响5 0 5 7 2 桩径变化对支护结构的影响5 l 5 7 3 锚杆长度对支护结构的影响5 2 6 结论与展望5 3 6 1 结1 沧5 3 6 2 建议和展望5 3 参考文献5 5 在读期间发表的学术论文5 8 作者简历5 9 致谢6 0 桩锚支护结构的设计计算及变形分析 1 1 引言 1 绪论 近十年来，随着我国经济建设的迅猛发展，土地资源紧张的矛盾日益突出。城市 的高层建筑如雨后春笋般大量涌现，向地下空间的开发利用成为城市化进程中可持续 发展的必然选择，并由此带来基坑工程的急剧增长。建筑高度越高，其埋置深度也就 越深，对基坑工程的要求越来越高，随之出现的问题也越来越多。在工程实践中，存 在着一方面实践超前于理论，另一方面理论又不能正确反映实际的施工过程和环境效 应的问题。既有设计施工不当导致造成重大经济损失的深基坑工程事故，也有设计过 于保守、造成隐形浪费的工程实例i lj 。由此可知，基坑支护理论的研究和完善必将为 经济发展和社会进步产生巨大的推动作用，有着深远的现实意义。 在众多的基坑支护形式中，桩锚支护是我国目前常采用的一种支护形式，在工程 实践中，其应用非常广泛。与土钉支护相比，其有控制土体变形能力强的优势；与内 支撑相比，其具有造价低、施工很方便、支护空间很小、遗留问题很少的优势；与水 泥土墙相比，其具有材料用量很少、适用范围很广、环境污染很小的优势；与逆作法 相比，其具有设备简单、技术要求低、推广性强、适用性广的优势【2 1 。 桩锚支护结构由于可节省造价、施工方便等特点，因此，在铁路、公路及厂房建 设中遇到的高填、深挖或深基坑治理、滑坡整治中获得了广泛的应用；同时深基坑桩 锚支护结构的研究是一门综合性很强的的新型学科，它涉及到工程地质、土力学、基 础工程、结构力学、原位测试技术、施工技术、弹性力学、岩土塑性力学、材料力学 以及施工学等基础学科的内容，同时还需要综合运用桩基技术、锚杆技术、测量技术、 施工技术等方面的知识。支护结构大多是临时性工程，工程经费限制很紧，而影响基 坑工程的因素又很多，例如：地质条件、地下水情况、具体工程要求、天气变化的影 响、施工顺序及管理、场地周围环境等多种因素影响，可以说它又是一门综合性的系 统工程。鉴于桩锚支护结构在工程中的应用的广泛性和综合性，对其计算方法和支护 变形的研究应具有重要意义。 1 2 桩锚支护研究现状 1 2 1 桩锚支护理论研究现状 吴文【3 1 等对深基坑桩锚支护结构的土锚进行拉拔试验和对钢筋进行应力测试，土 类型为粉质粘土。试验表明：( 1 ) 土锚位移主要由锚、土间的界面位移和自由段弹性 位移组成；( 2 ) 锚土界面位移达6 m m 左右时才能充分发挥锚土界面极限粘结承载力， 同时，土锚自由段的计算分析不仅要考虑破裂面位置，而且要考虑桩、锚、土的变形 协调；( 3 ) 土锚中钢筋应力逐渐减小；( 4 ) - 次注浆比一次注浆承载力增加约达1 0 。 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 姚爱副4 】等详细介绍了桩锚支护结构的计算机算法，其主要有以下几点：把支 护结构分为悬臂桩和桩锚支护两类悬臂桩支护首先假定一个最小入土深度d “。然 后把其代入方程y m 。= o ( c 点为零弯矩点) ，再用逐步逼近的方法求出一个最合理的 d 耐。值；桩锚支护分为自由端法和固定端法。采用自由端法时，如果设置锚杆层数 多于一层，则应采用自上而下的分层算法，在后续计算中前层锚杆的锚固力保持不变； 如果采用固定端法时，应该用等值梁法的公式写程序。 陈沙、王贻荪【5 l 等研究了复杂土层桩锚支护结构计算中出现的问题，并编制了计 算程序。 章杨松、罗国煌【6 】分析基坑工程通用弹性地基梁法优缺点的基础上，建立了考虑 结构变形与土体相互作用的共同变形法计算模型及分析程序。通过分析及计算比较认 为，运用共同变形法计算时，可采用与通用弹性地基梁法相同的地基反力系数，文中 也讨论了土体水平地基反力系数的取值方式( 常数法和m 法) 对计算结果的影响。 研究表明，共同变形法在实践中是可行的并较通用弹性地基梁法更合理。 王立明【_ 7 】把单支点桩锚支护结构的锚杆简化成为水平方向的弹簧支座，把桩的入 土嵌固端看成具有弹性的转动能力的铰支座，然后建立支护结构的计算模型，同时还 要考虑支护桩的弯曲变形和刚体转动的叠加，最后推导出锚杆的锚固点的水平侧移计 算公式。 时伟【8 】通过现场试验，围绕基坑工程时空效应理念，分析了在深基坑开挖过程中 桩锚支护体系的受力特性，得出了支护桩与桩侧土体的水平位移随开挖工况而变化的 分布规律。 刘岸军【9 】通过对锚杆抗拔力试验p s 曲线用最小二乘法作多项式拟合，并根据土 层锚杆与挡土桩交点变形协调关系建立非线性方程组，联立求解得到了挡土桩的水平 位移。 程良奎【l0 】全面、系统的论述了我国岩土锚固的主要研究成果和最新进展，并对岩 土锚杆的设计、类型及其适应性、腐蚀与防护、长期工作性能与安全评价以及研究方 向等有关发展我国岩土锚固的几个关键问题提出了意见。 v i j a y v e r g i y a 1 1 】对桩的受力性状和变形机制进行了研究，发展了荷载传递法，提 出了理论t - z 曲线。 n a k k y u n gk i m 1 2 】通过对在风化土壤中低压灌浆锚杆进行了一系列的全尺寸模 型试验，包括抗拔、蠕变、应力松弛等，并通过简化数值模型进行评估和对比分析， 取得了锚杆轴力传递机理方面的研究成果。此外，他还通过对土层锚杆数值分析和试 验结果的对比分析研究，指出数值分析方法对锚杆来说切实可行。 s a w w a i f l 3 】通过试验分析得出了无粘性土桩锚支护结构中桩和锚杆的各种安装参 数。 李宝平【1 4 】对西安某商住楼深基坑桩锚支护结构的水平位移的计算和监测，分析了 在深基坑的开挖过程中桩锚支护体系的变形特性，最后得出支护桩的水平位移随开挖 工况而变化的分布规律，分析可知，在基坑工程常规的设计中应该考虑时空效应的影 响。 2 桩锚支护结构的设计计算及变形分析 吴文【l5 1 通过现场试验，分析了深基坑桩锚支护体系的主动区土压力的分布规律。 并且参考数值分析和离心模型试验，提出中等硬度粘土的深基坑桩锚支护体系的主动 区土压力分布规律，也就是上下小中间大的三角形分布的土压力分布规律。设计计算 时可以采用泰西勃特奥夫的修正模式。 时伟【l6 】通过某深基坑现场试验，得出了桩锚支护体系的桩与桩侧土体水平的位移 随开挖工况而发生变化的分布规律，桩侧主动区土体产生了变形，且不同深度处的土 体变形大小不同，土休发生变形的范围随着深基坑开挖深度的增加而递增，同时，还 得到了在基坑开挖过程中，主动区的土体是处于静止状态与极限平衡状态之间的某一 中间状态的结论，这为进一步建立主动区土压力与支护结构位移的关系奠定了基础。 姜晨光【1 7 】通过大量的实际工程监测的数据为依据，概括出基坑工程桩锚支护结构 最大变形的估计公式，说明了最大变形与诸工程要素之间的数学关系。 欧吉青【l8 】概述了桩锚支护体系的设计方法：等值梁法、弹性支点法和三维有限元 法，同时采用三种方法对某深基坑桩锚支护结构进行了支护体系的内力计算。分析表 明：三维有限元法的计算结果更合理一些。该基坑以三维有限元的计算结果进行支护 桩的配筋和锚杆的设计，最终取得了良好的效果。 许锡昌【l9 】通过对矩形基坑桩锚支护结构的研究，分析现场实测数据和数值的分析 结果，概括出了冠梁和支护桩的空间变形的模式，然后建立了整个支护系统的能量的 表达式。利用最小势能原理，推导出了支护桩桩顶的最大位移的解析解，同时分析了， 各主要支护的参数对该位移的影响。 陈占【2 0 】以悬臂梁挠曲变形的理论，计算预应力锚索桩锚索与桩变形协调时桩的变 形和内力，通过控制桩锚固面处的变形以及改善桩身内力的分布来设计计算锚索桩 径、锚索预应力值以及锚索长度按桩身内力变化，采用极限状态法，通过正负弯矩 对桩进行双面配筋。 刘全林【2 1 】通过对土体加注水泥搅拌和拉锚，初步实现了加筋水泥土斜锚桩对地层 的主动加固，在基坑的四周形成重力式挡土的结构，维护基坑壁的稳定。阐述了其工 作原理以及对基坑的稳定性的作用机理。利用k r a n z 理论的有关假设和条分法原理， 建立了该维护结构的稳定性的分析简化的模型。 郭院成f 2 2 】在等值梁计算模型假定下，根据丌挖过程中排桩支护结构的水平侧移反 演分析了锚杆预应力锁定值，据此锁定值施工，可使锚杆最终预应力水平与设计预应 力水平取得较佳的一致性。 杨佑发【2 3 】等根据地基系数m k 法的原理，推导了锚索抗滑桩全桩内力计算的 有限差分法，并且编写了该方法的计算和图形处理的程序。 张强勇【2 4 】根据w i n k l e 弹性地基梁的计算原理与方法，编制了弹性杆系有限元的 计算程序，对深圳市某广场深大基坑桩锚支护结构进行了设计计算，取得了支护桩桩 身位移和弯矩随开挖过程的分布变化的一些规律。， 杨春发【2 5 】探讨了采用等值梁法对支护结构进行内力、弯距、插入深度的计算，用 弹性地基法对变形与位移进行计算，探讨多锚点位置的优化。 3 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 1 2 2 桩锚支护应用研究现状 吴文【2 6 】等对一实际工程进行测试，采用t e s h e b o t a r i o f f 的修正模式计算，经过分 析得出以下结论：( 1 ) 实际开挖时应尽量减少第一部分的开挖深度( 因悬臂的变形太 大) ，因为土压力和支护位移发生变化，土锚受力在不断地调整，同一层土锚在不同 开挖工况时，他们受力不相同，有一个逐渐增大的趋势。( 2 ) 土锚对位移的控制起关 键作用。计算结果说明，在多支点桩锚支护结构中，第一层土锚离支护结构桩顶的距 离越小越有利于桩顶位移的减小，相应锚固力较小且三层锚固力分布均匀，但最大弯 矩和最大剪力比较大。( 3 ) 支护桩的刚度越大，支护桩的位移就越小。但是桩径大于 0 9 m 以后，这种趋势并不明显。( 4 ) 当在淤泥质土中进行基坑开挖时，因为土的m 值 较低，加固被动区土体可以较大幅度地提高被动区的f n 值，所以对减少支护结构的位 移特别有效。 杨敏、冯又全、王瑞祥【2 7 】等以弹性地基梁法为基础，考虑开挖过程和回筑过程对 基坑挡土结构作用的影响，建立了围护结构的内力和变形的变化过程的完整的模拟。 文中指出：采用r n 法确定土压力系数时，计算所得结果，在一定程度上能够反映实 测变形的情况。在r n 取值恰当的情况下，对多数工程而言，计算结果是合理的。但 是由于有些施工因素以及实际土的非均匀性，非线性等因素没有考虑，因此，计算所 得结果会有一定的误差，并且，在有些情况下甚至是很大的。 韩杰【2 8 】通过对太原某桩锚支护深基坑的有限元模拟和实测结果，指出了经典土压 力法由于土压力的计算不能反应随开挖过程而引起的变化，使其计算出的支护桩内力 存在一定的不合理性，目前在支护桩配筋设计时采用双向等量配筋是弥补其设计理论 不成熟的一种有效方法。 王春波【2 9 】通过对邯郸某深基坑桩锚式支护结构桩身内力的计算与现场实测研究 分析了深基坑开挖过程中桩身钢筋应力及弯矩的分布和变化规律，得出在桩锚支护设 计中使用弹性法比经典法更加合理，从而为桩锚支护结构设计提供了依据。 1 2 3 桩锚支护数值模拟研究现状 随着数值计算方法的发展，很多学者借助有限元工具对基坑变形进行了多方面的 研究。1 9 7 2 年，c l o u h g 第一次将有限元法运用到基坑工程分析以来，有限元法在基 坑挡土结构分析中得到了广泛运用。目前国内利用有限元软件如a d i n a 、a n s y s 和 f l a c 等模拟基坑开挖的研究非常之多。 杨小平【3 0 】假定基坑歼挖面以下的土体为弹性半空间，运用弹性半空问内部的水平 荷载作用下的m i n d l i n 解答，建立了基坑支护结构的侧边士体的水平应力与水平位移 之间的关系，同时采用有限差分法来求解支护结构的内力与变形。该计算方法可以反 映土体连续介质的特性等优点。 娄奕红【3 l 】提出了运用有限元与无界元祸合的方法，对基坑支护结构内力及变形动 态进行分析，克服了其他一些具体工程进行有限元分析时，边界条件和计算范围往往 4 桩锚支护结构的设计计算及变形分析 不太容易确定的困难，建立的分析模型可以考虑支护墙体位移因开挖而引起的空间效 应和由于地基流变而引起的时间效应，并且可以计算基坑支护结构在任意时刻、任意 位置的内力和变形。 张亚奎【3 2 】运用大型有限元软件f l a c ，模拟了近邻建筑物在不同距离时，悬臂支 护、一层锚杆与排桩联合支护、两层锚杆与排桩联合支护、三层锚杆与排桩联合支护、 土钉支护等几种支护情况下的深基坑的开挖的过程，对深基坑工程开挖过程中近邻建 筑物的变形、支护结构变形以及基坑外地层沉降的发展变化规律进行了概括，详细地 分析了锚杆和土钉支护对建筑物变形的影响作用。 李大勇【3 3 】通过有限元法分析了内撑式基坑工程的开挖对地下管线的影响规律，结 论认为：支撑刚度的增大可有效地控制地下管线的位移，但是存在着最优刚度的界限， 也就是当支撑刚度超过这一界限时，然后再增加支撑的刚度，对地下管线的位移的影 响并不是很显著；内撑式基坑中存在着端部效应的问题，距离基坑的距离越近，其端 部的效应也就越强，并且改变了管线的位移的形式。 陆新征【3 4 】通过对某基坑进行施工全过程的有限元弹塑性模拟。本文中分别考虑了 支护结构和土体之问的相互作用的问题，以及各种开挖方案、降水方案对基坑变形的 影响。对比各种分析的结果，得到考虑共同作用和不考虑共同作用时，基坑变形相差 达到1 0 倍，支护结构的内力相差达到1 5 倍。 贾金清【3 5 】运用有限差分方法对预应力锚杆柔性支护法进行了分析研究，认为预应 力对基坑潜在的滑移场的控制是有效的。通过改进的杆系有限元法的数值计算，得到 了预应力值对基坑位移的影响曲线及锚杆的分布规律。 向安田【3 6 】等根据有限元分析的结果得出结论：( 1 ) 不能对锚杆施加过大的预应力， 以免桩体过分后移而使其受力条件恶化，危及其强度及整体稳定性的安全，限制位移 的最佳预应力值为锚杆设计拉力的6 0 左右。( 2 ) 桩体入土深度不宜过大，太大时桩 体下端相当于固定端，很难发生变形位移，从而在开挖卸荷时桩体所受应力向上转移 集中，导致上部桩体位移比嵌入深度小的桩的位移还大，嵌入深度只要能满足强度及 稳定性条件即可。 p o t t s 3 7 】等用有限元分析了两种支撑型式( 内撑和锚杆) 的受力和变形特征，研究 表明用极限平衡理论设计挡墙时，尽管给出了一定的安全系数，但并不能严格控制挡 墙及土层变形在可接受的范围内。 一w h i t t l e t 3 8 】等用有限元对b o s s t o n 某地下停车场( 七层) 施工开挖进行了实时模拟， 认为有限元可以很好地预测土体的变形、邻近地面的沉降及地下水的流动。尽管二维 或三维有限元分析运用于基坑支护工程有很多优势，但是在选用恰当的本构模型和计 算参数的时候困难很大，因此，在实际工程中还很难普遍应用。 刘红军、贾永刚【3 9 】通过弹性抗力有限元的方法讨论了多支撑桩锚的深基坑支护的 设计问题。该方法与传统的静力平衡法相比有其优越性，能够计算出不同开挖阶段的 桩顶位移，桩身弯距随深度的变化，最大限度地协调支护结构与土体的变形关系，并 能确定出最小的桩身的弯距设计值以及各层锚杆的锚固力。实例运用该方法对青岛某 基坑工程的支护进行了设计，取得了一些有益的效果。 5 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 程林】以广州某实际工程实例，利用有限差分法软件f l a c 对深基坑桩锚支护 进行数值模拟，研究了分步开挖时，桩的最大位移，锚杆锚固力的变化规律，并初步 探讨了锚杆支护参数对锚杆轴力及基坑土体变形的影响。 李俊才【4 1 】采用f l a c 3 d 软件，结合南京两个深基坑土方开挖和基坑降水的施工 工序，进行了三维模拟，并将模拟结果与实测资料进行对比分析，得出了一些有益的 结论，为三维数值模拟研究在深基坑工程中的应用做了有益尝试。 1 3 本文的研究内容 针对当前的研究现状，本文主要从以下几个方面进行研究： ( 1 ) 对本课题研究进展进行回顾和总结； ( 2 ) 根据某工程具体情况，综合分析各种因素，确定工程采用桩锚支护作为最终 支护方案，并且分析了基坑安全监测中的监测项目、监测技术与仪器、测点设置、监 测结果等内容； ( 3 ) 总结了关于基坑支护常用的计算方法，采用两种桩锚支护计算方法进行设计 计算，并对计算结果进行分析比较，最终确定采用连续梁法与m 法联合计算方法进 行设计； ( 4 ) 利用有限元软件a d i n a 对桩锚支护体系进行非线性有限元分析，得出基坑 位移、坑后土体位移、地面沉降和基坑隆起的几个规律；同时通过改变支护结构中的 桩嵌固深度、桩径、锚杆长度等诸多因素，研究支护结构的变形规律。 6 析 2 1 工程概况 2 工程概况及基坑支护类型选定 本工程是集宾馆、餐饮、服务、公寓于一体的大型商务公寓楼。主楼2 7 层，裙 楼8 层，地下3 层，总建筑面积近4 万平方米，基础埋深1 6 0 5 米。是重点工程项目。 本工程0 0 0 相当于绝对标高5 5 7 0 m ，基坑开挖深度为1 5 5 0 m ( 从地面算起) 。 本工程场地比较狭窄，在场地的北侧有地下管线和国防光缆等重要设施，东侧紧 邻城市道路，南侧有住宅楼、西邻保龙仓超市，场地狭小，不具备放坡条件。其大地 坐标为：西北角x = 5 3 2 8 3 5 8 4 ，y = 4 4 5 8 0 6 0 9 ；东北角x = 5 3 2 7 9 3 3 9 ，y = 4 4 6 3 8 2 6 1 ： 西南角x = 5 3 2 1 8 7 1 3 ，y = 4 4 5 7 5 8 1 5 ；东南角x = 5 3 2 1 3 7 1 5 ，y = 4 4 6 4 3 4 5 6 。场地交通 条件便利，但由于场地原来为汽车修理厂，需边拆边施工，故场地施工作业空间狭小。 本工程基坑支护拟采用钻孔灌注桩加锚杆支撑支护，由于地下稳定水位较高，为 地面下9 7 m ，因此拟在钻孔灌注桩间进行高压喷射注浆形成隔水帷幕并结合坑内管 井降水。 ：i 2 2 工程地质和水文地质条件 2 2 1 工程地质条件 拟建场地位于太行山东麓，大的地貌单元属于华北冲洪积平原南部的西部边缘， 小的地貌单元为滏阳河一级阶地，场地原为汽车修理厂，现已经拆迁完毕，因此地形 平坦，场地最大高程为5 5 7 4 m ，最小高程为5 5 3 0 m ，高差为0 4 3 m ，地形高差较小。 在场地的东南角和西北角有两化粪池，面积约4 0 m 2 ，深约1 5 m ，另外整个场地上覆 盖l o 一- - 2 0 c m 的混凝土地面。 勘察范围内所揭露的土层以第四纪新近沉积土、一般沉积土及老粘性土为主，依 据钻探、静力触探及土工试验等基础资料将地基土分为1 0 个主层和1 个夹层，按自 上而下的顺序分层叙述如下： 第层杂填土 q 。州 ：灰褐色，湿，松散，含红砖碎屑，上部为l o c m 左右的混凝 土地面，下部以粉质粘土为主。该层厚度为0 5 - - i 6 0 m ，平均1 0 5 m ；层底标高为 5 3 5 1 5 4 8 5 m ，平均5 4 2 1 m 。 第层粉质粘土 q 。2 8 m ” ：黄褐色，软塑可塑，切面稍光滑，韧性中等，干强 度中等，土质不均，可见小孔隙，孔壁呈灰褐色，另外可见腐烂的植物根须，个别孔 在4 2 m 处夹薄层粉土。压缩系数平均值a h = 0 2 2 m p a ，范围值为0 1 4 , - - - 0 3 3m p a ， 中压缩性。该层厚度为2 9 0 - - - - 4 5 0 m ，平均3 5 1 m ；层底标高为4 9 9 3 - - - - 5 1 3 1 m ，平 均5 0 7 0 m 。 第层粉质粘土 q 4 2h 帅d ：灰褐色灰黑色，软塑可塑，切面稍光滑，韧性中 7 m p a - 1 ，中压缩性。该层厚度为4 3 0 - 9 8 0 m ，平均6 8 6 m ；层底标高为2 4 3 0 - - , 2 8 2 3 m ， 平均2 6 3 3 m 。 第层粉质粘土 q 3 a 帅1 t 黄褐色，很湿饱和，密实，砾石含量约5 0 - 7 0 ，级配 差，砾石磨圆度中等，母岩成分为中砂岩，砾石间填充可塑状粉质粘土和粗砂等，局 部含有小卵石，含量约1 0 ，该层无论是在水平还是垂直方向上都不均匀。该层厚度 为4 0 0 - 7 7 0 m ，平均6 7 3 m ；层底标高为1 7 1 0 - 2 0 3 0m ，平均1 8 9 2m 。 第一1 层粉质粘土 q 。“训 ：黄褐色浅红褐色，可塑一硬塑，切面稍微光滑，韧 性高，干强度高，该层为透镜体，仅在l 、5 、7 、9 、1 4 号孔中见到。压缩系数平均 值a 。一：= 0 1 5 m p a ，范围值为0 1 3 - - - 0 1 9m p a ，中压缩性。该层厚度为0 5 0 - 1 8 0 m ， 平均1 1 6 m ；层底标高为2 2 1 0 - - 2 5 0 5 m ，平均2 3 8 2 m 。 第层粉质粘土 q 3 a 帅1 ：黄褐色浅红褐色，饱和，密实，粒径介于3 l o c m 间 者居多，级配好，磨圆度差，含量约5 0 - 7 0 ，母岩成分为中砂岩，个别层位上夹有 漂石，卵石间填充可塑状粉质粘土和砾石，卵石无论是在水平还是垂直方向上都不均 匀。该层厚度为1 0 0 - - , 5 3 0 m ，平均3 7 7 m ；层底标高为1 3 6 0 - - 1 7 6 0m ，平均1 5 1 5 m 。 第层粉质粘土 n 一 ：黄褐色夹灰绿色，硬塑，切面光滑，韧性高，干强度高， 结构性好，含黑色铁锰氧化物。压缩系数平均值a 。一。= 0 i o m p a 一，范围值为0 0 7 0 1 3 m p a _ 1 ，为低一中压缩性。 2 2 2 水文地质条件 8 桩锚支护结构的设计计算及变形分析 流经邯郸市区最大的河流为滏阳河，据东武仕水文站观测，滏阳河多年平均径流 量为4 0 9 亿m 3 ，多年平均流量1 2m 3 s ，历年最大流量7 8 4m 3 s ，最小流量6 3 5 m 3 s 。 邯郸市区段受东武仕水库和张庄桥节制闸控制，最大流量3 5m 3 s ，最小流量0 6 m 3 s 。 上游段为邯郸市主要供水水源，下段为农业灌溉水源。 本次勘察的所有勘探点均揭露有地下水，共有两层地下水。第一层水赋存于层 中砂中，具承压性，初见水位埋深为1 0 5 1 2 0m ，稳定水位埋深为9 7 1 0 5 m ； 第二层地下水赋存于层砾石土和层卵石土中，具承压性，稳定水位l0 5 m 左右。 为判定地下水的腐蚀性，分别在3 # 和1 3 # 孔内采取两组水样进行了水质分析测 定。依据岩土工程勘察规范第1 2 2 1 1 2 2 2 条规定，按i i 类环境考虑，s 0 4 2 含 量为1 5 4 3 5 - 2 1 2 3 9m g l ，故地下水对混凝土结构无腐蚀性；受地层渗透性影响， p h 值为7 1 、无侵蚀性c 0 2 、h c 0 3 一含量为8 6 6 2 9 15 0 m m o l l ，故地下水对混凝土 结构无腐蚀性。综合评价地下水对混凝土结构无腐蚀性。 按规范第1 2 2 4 条( c 1 一+ s 0 4 2 一x 0 2 5 ) 含量为1 1 6 8 1 3 4 4 m g l ，考 虑干湿交替时地下水对钢筋混凝土结构中的钢筋具弱腐蚀性。 按规范第1 2 2 5 条p h 值为7 1 、( c 1 - + s 0 4 2 - ) 含量为2 3 2 5 7 - 一2 9 3 5 1 m g l ， 故地下水对钢结构具弱腐蚀性。 依据区域水文地质资料和本次场地勘察的实际情况，结合地下水的升降幅度和考 虑地下水的发展变化趋势，建议本工程抗浮设计水位按9 7 m 计算；工程建筑防渗最 高水位可按自然地面考虑。 2 3 基坑支护类型的选定 2 3 1 基坑支护结构形式 支护结构形式主要有以下几类： ( 1 ) 放坡开挖及简易围护 ( 2 ) 悬臂式支护结构 ( 3 ) 水泥土重力式支护结构 ( 4 ) 内撑式支护结构 (