（岩土工程专业论文）深基坑双排桩支护结构计算模式与数值模拟研究.pdf

摘要 双排桩支护结构相比普通排桩结构具有较大的侧向刚度，可以有效地限制支护结构的 变形；其支护深度也比悬臂单排支护结构深，同时有缩短施工工期、施工方便、不设置支 撑、受力条件和整体稳定性好以及节约造价等优点，因而逐渐成为深基坑支护结构的优选 方案之一。虽然双排桩支护结构的计算模式有多种，但由于其受力复杂，其设计计算理论 还很不完善，在一些方面实践先行，理论滞后，目前还没有一种公认的和统一的计算模式 能充分反映出排间距、冠梁刚度、桩长细比等影响因素；现行的国家规范和地区规程中关 于双排桩支护结构的设计计算还只有很少的原则规定。本文以汉口地区某深基坑工程实例 为背景，分别采用排桩加内支撑及双排桩作为支护体系进行支护结构内力和变形的计算， 比较多支点排桩支护体系与双排桩支护体系之间的异同，进一步分析了双排桩支护结构的 工作状况和影响因素，并对双排桩支护结构进行了数值模拟和分析，得到了一系列有价值 的成果。主要研究内容如下： 首先总结和分析了多支点排桩支护结构的几种计算理论。对汉口某深基坑工程实例， 分别按极限平衡法与弹性抗力法进行了计算分析，特别分析和讨论了改变桩间距、改变放 坡高度及支撑设置位置对支护桩内力、设计桩长、支点反力及基坑稳定性的影响规律，提 出了多支点排桩支护结构优化设计的建议。 其次，在相近的工程条件下，改单排桩支护结构为双排桩支护结构，计算和分析了双 排桩支护结构在基本工况下前后排桩的桩身弯矩和位移分布规律；在基本工况的基础上， 分别改变土压力分担系数、排间距、桩间距等条件，计算和分析双排桩桩身弯矩、位移的 变化规律，总结和分析了双排桩支护结构计算模式的特点，进一步指出了一个基于弹性抗 力法的较合理又方便实用的双排桩支护结构计算模式，提出了确定相应计算参数的建议。 最后，运用有限差分软件对同一双排桩支护工程实例建立数值模拟分析模型，模拟基 坑基本工况下实际的开挖施工过程，并与基于弹性抗力法的双排桩计算结果进行比较、分 析和相互验证；进一步总结在改变桩排距、连梁刚度等条件下计算结果的差别和变化规律。 关键词：深基坑，多支点排桩支护，双排桩支护，弹性抗力法，数值模拟 a b s t r a c t t a k ep a r to ft h ep i l e sf r o mt h ec o n c e n t r a t e ds i n g l e r o wp i l e sb a c k w a r d ，l i n kt h ep i l e s t o p w i t ht o pr i n gb e a ma n dl i n kb e a m s ，t h e nw i l lg e td 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 e c o m p a r e dt os i n g l e r o wp i l e sr e t a i n i n gs t r u c t u r e ，t h i sk i n do fr e t a i n i n gs t r u c t u r ec a np r o v i d e w i t hm o r el a t e r a ls t i f f n e s s ，l e s sl a t e r a ld i s p l a c e m e n to fs o i l ，a sw e l la st h ea b i l i t yo fs u p p o r t i n g d e e p e rf o u n d a t i o np i t f u r t h e r m o r e ，i tw o r k sw i t h o u tb r a c ea n df o ri t se x c e l l e n tm e c h a n i c a l b e h a v i o r , t h i sk i n do fr e t a i n i n gs t r u c t u r eh a st h ea d v a n t a g eo fs h o r t e rc o n s t r u c t i o nd u r a t i o n ， f a c i l i t y a n dl o w e rc o s t i th a sg r a d u a l l yh a v et h ep r i o r i t yc o n s i d e r e df o r mo ft h ed e e p f o u n d a t i o np i t t h o u g ht h e r ea r es e v e r a lk i n d so fc a l c u l a t i n gm o d e la b o u tt h ed o u b l e r o wp i l e s r e t a i n i n gs t r u c t u r e ，b u tt h e r ei sn o tar e c o g n i z e dm o d e lw h i c hc a nr e f l e c tt h ea f f e c to fd i s t a n c e o ft h et w op i l er o w s ，t h es t i f f n e s so ft h er i n gb e a m sa n dt h es l e n d e r n e s sr a t i oo ft h ep i l e s ，f o rt h e r e a s o nt h a tt h ec a l c u l a t i n gt h e o r i e sa b o u td o u b l e r o wp i l e sa r e n tc o m p l e t e ，a n ds o m e h o w , t h e p r a c t i c ed e v e l o p sf a s t e rt h a n t h et h e o r y i na d d i t i o n ，t h en a t i o n a la n dt h el o c a lt e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o nj u s th a v ea l i t t l ea d v i s i n ga n dr e g u l a t i o na b o u td 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 e t h i sp a p e ra n a l y s i st h ed i f f e r e n c eb e t w e e nd o u b l e - r o wp i l e sa n ds i n g l e r o wp i l e sr e t a i n i n g s t r u c t u r e ，t h ew o r k i n gm e c h a n i s ma n da f f e c t i n gf a c t o r so fd o u b l e r o ep i l e sr e t a i n i n gs t r u c t u r e t h ec a l c u l a t i n ga n da n a l y s i sa r eb a s e do nad e e pf o u n d a t i o np i ti nt h ea r e ao fh a n k o u ，w h i c h s u p p o s e dt oa d o p ts i n g l e r o wp i l e sr e t a i n i n gs t r u c t u r e ，m u l t i - b r a c e dp i l e sr e t a i n i n gs t r u c t u r ea n d d 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 er e s p e c t i v e l y f i r s t l y , a n a l y z e da n ds u m m a r i z e ds e v e r a lc a l c u l a t i n gt h e o r i e sa b o u tt h es i n g l er o wp i l e s w i t hm u l t 1 a y e rb r a c i n gs y s t e m o nt h eb a s eo fe l a s t i c a lr e s i s t a n c ea n dl i m i tb a l a n c em e t h o d s ， d i s c u s s e da n da n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n td i s t a n c eo fp i l e s ，t h eh e i g h to fs l o p e ，a n dt h e p o s i t i o no ff u l c u r mt ot h em o m e n t ，d e s i g n e dl e n g t ho fp i l e s ，t h er e a c t i o no ft h eb r a c i n gs y s t e m a n dt h es t a b i l i t yo ft h ed e e pf o u n d a t i o np i t s e c o n d l y , s u b s t i t u t e d t h e s i n g l e r o wp i l e sr 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 s r e t a i n i n gs t r u c t u r eo nt h es i m i l a re n g i n e e r i n gc o n d i t i o n ，c a l c u l a t e da n da n a l y z e dt h ed i s t r i b u t i o n o ft h em o m e n ta n dd i s p l a c e m e n to ft h ed o u b l e - r o wp i l e s ，b a s e do nt h ei n i t i a le n g i n e e r i n g c o n d i t i o n a c c o r d i n gt o t h ei n i t i a le n g i n e e r i n gc o n d i t i o n ，c h a n g et h es h a r i n gr a t eo fe a r t h p r e s s u r e ，t h ed i s t a n c eo ft h et w or o w sa n dp i l e sw h e ni n ；h es a m er o wr e s p e c t i v e l y , c a l c u l a t e a n dd i s c u s st h ed i v e r s i f i c a t i o no nt h em o m e n ta n dd i s p l a c e m e n to fd o u b l e r o wp i l e sr e t a i n i n g i i s t r u c t u r e f u r t h e r m o r e ，s u m m a r i z ea n da n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i co fd o u b l e - r o wp i l e sr e t a i n i n g s t r u c t u r e l a s t l y , u s et h ef i n i t e - d i f f e r e n c es o f t w a r et oe s t a b l i s hm o d e l sa n dc a r r yo nt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nt os i m u l a t et h ee x c a v a t i o no nt h ei n i t i a le n g i n e e r i n gc o n d i t i o no ft h es a m e d 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 e ，c o m p a r et h er e s u l t sw i t ht h ec o n c l u s i o nb a s e do ne l a s t i c r e s i s t a n c em e t h o d s u m m a r i z et h er e s u l t sw h e nc h a n g et h ed i s t a n c eo ft h ep i l e r o w sa n dl i n k b e a ms t i f f n e s sr e s p e c t i v e l y , a n a l y z et h er e s u l t s d i f f e r e n c e sa n dc h a n g i n gl a w k e yw o r d s ：d e e pf o u n d a t i o np i t ，m u l t i - f u l c r u mp i l e si nr o w , d 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 e ， e l a s t i cr e s i s t a n c em e t h o d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，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 获得武汉理工大学或其它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 的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：盈耸奎 日期： 加f 口厂 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：继导师( 签名) ：毯i 丝日期： 竺丝! 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 深基坑排桩支护结构简介 基坑工程是指在地表以下开挖一个敞1 3 的非闭合地下空间，以及为维持该空间的稳 定、不至引发周边环境的破坏而设置的支护体系、支撑体系、降水止水等配套体系的设计、 施工、监测等，涉及土力学、结构力学、基础工程和原位测试等学科和技术【。 基坑支护体系由支护结构和支撑体系组成，而根据其施工、开挖方法可以分为无支护 开挖与有支护开挖方法【2 1 。无支护的放坡基坑工程一般包括以下内容： 有支护结构的基坑工程一般包括以下内容： 工程中常见的深基坑支护结构及支撑体系分类见表1 - 1 。 基坑工程是- - 1 3 综合性很强的系统工程，但基坑支护体系是临时结构，具有以下特点： 1 基坑支护体系是临时性结构，安全储备比较小，且具有较大的风险性。 基坑支护是临时性措施，当地下室主体施工完成支护体系即完成任务。与永久结构相 比，对支护体系的安全储备要求小一些。但在基坑的施工过程中应进行实时监测，并设有 武汉理丁大学硕士学位论文 应急措施，一旦出现险情，可马上作出抢救，尽量减小损失。近几年来深基坑工程在实践 中快速发展，无论是理论还是实践，都取得了很多的成果，但也有一些失败经验，设计、 施工中仍存在一些问题。 表i - i 深基坑支护体系分类表 透水挡土结构止水挡土结构 h 型钢、工字钢板加插板地下连续墙 疏排灌注桩钢丝网水泥抹面深层搅拌桩水泥土桩、墙 密排桩( 灌注桩、预制桩)深层搅拌水泥桩、加灌注桩 双排桩挡土 密排桩间加高压喷射水泥桩 挡土部分 连拱式灌注桩密排桩间加化学注浆桩 桩墙合一，地下室逆作法钢板桩 土钉支护闭合拱圈墙 插筋补强支护 自立式( 悬臂桩、墙) 锚拉支护( 锚拉梁、桩) 土层锚杆 支撑拉结部分钢管、型钢支撑( 水平撑) 斜撑 环梁支护体系 逆作法施工 2 基坑工程是独特的，有很强的个性。 基坑工程支护体系的设计、施工及土方开挖不仅与水文地质、工程地质条件有关，还 与基坑的周边环境、变形限制、重要性等有关，保护邻近建( 构) 筑物、道路、地下管线的 安全是基坑支护体系和降水体系设计与施工的控制因素。每个基坑的周边环境、重要性、 变形要求、工程地质环境都是独特的，这就决定了基坑工程有很强的个性，只有相似的基 坑，没有相同的基坑。 3 基坑工程有很强的区域性，不同地质条件下基坑的性状表现差别很大。 工程地质条件受历史因素、区域特点等影响很大，同一区域内具体地点的地质状况也 有很大差别，因而基坑工程也表现出很强的区域性。如黄土地基、砂土地基、软粘土地基 等地质条件差h , j h 大的地基，基坑工程随之也表现出很大的差异。此外，地基土成层分布， 且土层的厚度呈不规则的变化，有些地点厚度很大而局部又尖灭、消失；不同的土层的土 2 武汉理t 大学硕士学位论文 体力学性质差别也很大，即使相同的土体也会由于埋深不同、应力历史、含水量等的不同， 力学性质也有差异，有时差异甚至是巨大的。而地质勘察并不能完全揭示土层的分布及其 物理力学性质，在设计计算时又需对这些力学参数作出概化和假设，可能与实际存在一定 误差，误导设计。从而基坑工程的支护设计、施工及上方开挖要因地制宜，可以借鉴经验， 但不能简单搬用。 4 基坑工程综合性强，涉及土力学中的稳定、变形和渗流三个基本课题。 基坑工程设计不仅需要丰富的理论知识，也需要工程实践知识和经验。基坑工程包含 了土力学中的土体稳定、变形、渗流三个基本课题，需要综合考虑这三个问题。对于不同 的基坑工程，有时土压力是影响支护结构稳定性的主要因素，有时土体的渗流稳定性是决 定性因素，而其他一些情况又是基坑周围土体变形太大。 5 基坑支护结构上的作用复杂，不仅与支护结构的位移有关，同时还受施工中土方开 发、降水措施等各种因素的影响。 作用在基坑支护结构上的荷载有土压力、水压力、地面堆载、影响范围内的建( 构) 筑物的侧向荷载，此外，基坑工程的开挖施工、温度变化、混凝土收缩、徐变作用、支撑 的时空效应以及临近工地基坑工程施工，使得支护结构上的外力不断变化【3 ，4 1 。外力的不 确定性使得结构设计对支护体系的参数取值具有不真实性，造成设计受力与实际情况产生 误差【5 】。外力的不断变化和不确定使得支护结构和基坑的变形难以准确确定，而变形又反 过来影响土体对支护结构的作用【6 7 】。这种土体与支护结构的相互作用，现在可以采用有 限元理论结合某种土体的本构模型进行分析和模拟预测【8 ，9 】。然而，本构模型均是对土体 的变形与屈服模式作出假设，此外本构模型的参数难以取值，难以准确反应实际工程中的 变形和破坏。 6 基坑工程有很强的时空效应。 基坑的开挖深度和平面形状对基坑的稳定性和变形，以及周边土层的沉降和相邻建 ( 构) 筑物的倾斜有较大影响，在设计中应当注意这些问题，从而选取适当的支护体系。 土体是由土颗粒、水、及空隙组成的多相介质，基坑开挖卸载将引起的超静孔压的消散， 该过程与时间有关；土骨架还具有蠕变性，不同性质的土体其蠕变表现不同。这些因素都 使基坑工程对时间和空间很敏感。 7 基坑工程是系统性的工程，它包括支护体系及降排水体系的设计、施工组织和监测 等几个方面。 基坑工程主要包括支护体系设计、降水系统、施工方案和土方开挖。支护体系设计时 应考虑是否便于施工；施工中土方开挖过程应充分考虑支护体系的特点、地质状况、地下 水的特性等。合理的土方开挖方案配合支护体系能有效抑制变形，降低支护体系失稳导致 3 武汉理工大学硕士学位论文 基坑破坏的可能性。同时，在施工过程中，应加强对支护结构受力和变形的监测，将监测 结果反馈到支护结构的设计中，以便及时发现问题、及时作出改进。 8 基坑工程具有环境效应。 由于基坑工程与周围岩土体环境密切相关，基坑的施工过程必然会扰动周围的岩土 体，引起地下水位的变化和地应力场的改变，导致周围岩土体的变形，可能使 周围对沉降、变形敏感的建( 构) 筑物及地下管线发生破坏，影响正常使用阻1 0 u 1 。 基坑工程与周围的岩土体相接触，因而其设计和施工涉及地质条件、岩土物理力学性 质、场地工程环境、工程要求、气候条件、地下水、施工步骤和技术等多种复杂问题。由 于岩土体这种工程介质存在许多不确定性因素，如土体的非均匀分布、土体应力历史等， 给基坑工程设计造成不利影响。因而基坑工程需要加以细致研究的内容有：( 1 ) 支护体系 的强度和变形控制；( 2 ) 基坑坑底和周边土体的安全与变形控制；( 3 ) 基坑开挖影响范围 内，周围建( 构) 筑物的安全和变形控制及地下管线的安全和变形控制；( 4 ) 地下水的降 水止水措施等【2 ，5 ，1 1 】。目前，尚不能就基坑工程的稳定性、支护结构的内力和变形、周围 地层的位移及其对周围建筑物和地下管线的影响得出准确的定量结果，控制基坑变形及周 边环境和建( 构) 筑物的变形主要通过基坑支护体系设计的优化和降水止水设计的优化来 控制。 对基坑工程进行设计时，需考虑设计所采用的理论分析方法，并计入该理论分析方法 未考虑到的其他影响因素，进行综合分析判断【1 1 】。此外，对于岩土工程来说，设计与施 工是密不可分的。施工的每一阶段，结构体系和外面的荷载都在变化，且施工工艺的变化、 挖土次序和位置的变化、支撑和留土时间的变化等都非常复杂，而且对最后的结果有直接 的影响，并非最后的设计计算简图能单独解决。因此，合理、经济、安全的设计应采取理 论计算、监测数据和工程经验相结合。 1 2 深基坑排桩支护结构的发展现状 2 0 世纪3 0 年代，t e r z a g h i 与p e r k 等人开始研究基坑中的土体稳定性、支护结构受力状 况等问题【3 ，1 列。随后，世界各地的许多学者都投入了这一课题的研究，并取得丰硕的成果， 形成一门系统学科。基坑工程在国内进行广泛研究始于8 0 年代初期。 2 0 世纪7 0 年代末，国内只有沿海发达城市的少量大型工程项目中的基坑开挖深度达到 1 0 m 以上，而这些基坑工程往往周边场地比较开阔【1 0 ，1 3 j 。2 0 世纪8 0 年代改革开放后，国内 一些城市的高层建筑开始大量建设，配置的地下室一般在1 3 层，与之相应的基坑工程开 挖深度达n 6 1 5 m 。此外，随着地铁工程开始投建，亦带来大量的地下基坑特别是超深基 坑。2 0 世纪9 0 年代深基坑工程的全面发展，给基坑工程积累了宝贵的经验。目前，基坑工 4 武汉理工大学硕士学位论文 程的开挖深度愈来愈大，1 5 m 以上的基坑工程已经屡见不鲜；基坑周边场地限制严格，对 变形控制和对周边建( 构) 筑物的影响要求愈来愈高。但是目前仍然还没有一种计算理论 能在一次计算中概括全部土质的复杂性质，全面考虑基坑工程的各种影响因素。每一种计 算理论都是在某些简化假定的前提下建立的，具有一定的局限性。 目前，我国已经颁布了部分基坑工程全国性的行业标准和省市的基坑工程标准，为我 国基坑工程的设计、施工和工程技术发展奠定了良好的基础。 基坑支护体系的设计包括支护结构的计算和复核、质量检测及施工监控等几方面。对 基坑支护结构进行设计时首先应对支护结构进行选择【1 4 】。支护类型应因地制宜，结合场 地工程地质条件和水文地质条件、基坑开挖深度及周边环境，并参照邻近基坑工程和当地 的基坑工程、当地技术法规及标准来确定。以武汉地区为例，2 0 世纪9 0 年代以前，该地区 基坑开挖较浅，为充分利用土体的自穗能力，采取放坡开挖的形式。由于武汉地区地质条 件属于典型的二元结构，河流、湖泊较多，河流堆积平原和湖泊堆积平原的一级阶地分布 广泛，地下水对基坑工程影响特别突出【1 5 】。因而对放坡基坑常采取在坑内排水以疏干坑 底的辅助措施。随着基坑开挖深度的加大，排桩支护结构得到普遍运用。1 9 9 3 年开始，由 于高层和超高层建筑的大量涌现，基坑的开挖深度愈来愈大，普遍挖深在6 - 7 m 以上，加 之基坑周边可以利用的场地愈来愈狭窄，简单的放坡及排桩支护已不能满足要求。此时， 悬臂式大直径钻孔灌注桩和人工挖孔桩成为主要的支护结构类型。由于大量采用悬臂式的 支护结构出现变形过大、断桩事故，周边环境也受到较大影响，开始对挖深大于8 - 9 m 的 基坑开始采用排桩加钢质内支撑或锚杆的支护技术。1 9 9 4 年开始，排桩加内支撑或排桩加 锚杆的支护技术广泛应用于挖深在1 0 1 2 m 的基坑工程，并以桩锚支护结构居多。2 0 0 6 年 之前，武汉地区还广泛运用了喷锚支护结构。1 9 9 5 1 9 9 7 年武汉地区的深基坑支护技术得 到快速发展，各种支护型式如喷锚支护、排桩加钢筋混凝土内支撑或装配式钢内支撑或螺 旋锚杆支护、土钉支护、水泥土挡墙、s m w t _ 法水泥土连续墙、双反弧连锁灌注桩式地 下连续墙等呈现“百花齐放 的形式。1 9 9 5 年武汉市正式发布实施武汉地区深基坑工程 技术指南( 以下简称指南) ，作为武汉地区深基坑工程技术的指导性法规，但该法规 未能成为正式的地方性标准。1 9 9 8 年修订了指南并扩大其应用范围，于1 9 9 9 年形成湖 北省地方标准深基坑工程技术规定( d b 4 2 1 5 旷1 9 9 8 ) ( 以下简称规定) 并开始执 行。与此同时，和规定配套的计算软件“天汉 深基坑工程设计软件研发成功并 运用于实际工程项目中。1 9 9 8 年开始武汉市内的基坑工程进入稳步发展阶段。在该阶段内 挖深大于1 2 m 的超深基坑比较少，同时对基坑工程的投资逐渐减少，汉k i 软土地区的中深 基坑及武昌垅岗地区1 0 m 以内的基坑大多采用喷锚支护体系，没有新的支护结构型式出 现。本世纪以来，基坑工程的场地条件愈来愈严峻，工程地质、水文地质条件及对周边环 5 武汉理工大学硕士学位论文 境的保护等，都成为基坑工程中的难点。喷锚支护由于造价较低得到广泛运用，同时为满 足日益艰巨的工程条件，逐渐发展了复合喷锚支护和复合土钉墙，但在基底软土层厚度较 厚时，仍易发生工程事故。为适应基坑工程发展的需要，修改了规定并更名为基坑 工程技术规程 1 6 】( d b 4 2 1 5 9 - - - 2 0 0 4 ) ( 以下简称省标) ，于2 0 0 4 年开始施行。2 0 0 5 年底明文规定锚杆、土钉长度不得超出红线范围。这一规定改变了多年来锚杆和喷锚支护 结构任意使用的状况，同时也造成支护结构选型和造价节省之间的矛盾。这些因素反而促 进了双排桩支护结构和多支撑排桩支护结构的发剧1 4 l 。 当基坑支护结构型式确定后，首先根据支护结构型式及受力特点进行土体稳定性计算 和支护结构承受荷载的计算，再根据支护结构承载能力极限状态和正常使用极限状态按设 计要求进行设计计算及验算。 1 2 1 支护结构上的土压力 基坑工程中为维持基坑侧壁的稳定而设置支护体系，作用在支护体系上的荷载最重要 的是土压力。在1 7 7 3 年，c o u l o m bc a t 滑楔体的极限平衡基础上导出了主动土压力和被 动土压力的计算公式1 4 1 。其理论是根据无粘性土的情况推导的，没有考虑粘性土的粘聚力 c 。1 8 5 7 年，r a n k i n e 在c o u l o m b 土压力理论的基础上，从弹性半空间的应力状态出发，根 据土的极限平衡理论得至l j r a n k i n e 土压力理论。r a n k i n e 土压力理论考虑了土的粘聚力c ， 但不考虑支护结构与土体的摩擦力。r a n k i n e 土压力理论和c o u l o m b 土压力理论都是基于 挡土墙，即先修筑挡土墙，然后在墙后填土的情况。经过近百年的发展，2 0 世纪4 0 年代， t e r z a g h i 、p e c k 等提出了预估挖方稳定程度和计算支撑荷载的总应力法【3 ，1 7 ，1 踟。目前工程 中仍沿用他们提出的这一理论，但已有很多改进和修正，来适应基坑工程发展的需要。2 0 世纪5 0 年代，b j u r r u m 和e i d e 分析了基坑底板隆起的方法。2 0 世纪6 0 年代，墨西哥首都墨 西哥城和奥斯陆的软粘土基坑中开始采用仪器监测，不仅提高了预测的准确性，还可利用 监测的结果检验计算，从而指导改进计算方法【1 引。 至今，土压力理论仍不能提供一个令人满意的完整理论，因而岩土工程界从未间断过 对这一课题的研究。其根本原因在于：( 1 ) 土体的复杂性。土的应力路径的确定、土体分 布的区域性、土体与土中结构的相互关系等非常复杂，它与墙后填土性质、墙土接触介面 性质、挡土墙的位移模式及时空效应等因素密切相关。( 2 ) 工程设计的要求。随着基础设 施的建设和发展，环境保护对基坑工程提出新的要求，而基坑工程的数量几何增长、规模 不断扩大，实际工程的建设对土压力理论提出了新的挑战。( 3 ) 土压力理论的深入研究将 推动深基坑支护工程的发展，从而引导新的更安全更经济的支护类型的产生，以适应基坑 工程发展的需要j 。 6 武汉理工大学硕十学位论文 1 2 2 多支点排桩支护结构 多支点排桩支护结构是采用排桩作为挡土结构，采用悬臂式、单道或多层内支撑或锚 杆( 索) 作为支撑体系。排桩可以采用钻孔灌注桩、人工挖孔桩、型钢或钢管等，其截面 形式有圆形、方形、工字型、双排桩等，广义上来说地下连续墙也属于排桩支护结构，是 一种特殊的排桩，相当于矩形截面桩，且其桩间距( 为相邻桩中心点距离) 等于矩形截面 边长。 对于有支护的基坑工程，支护结构的内力分析方法与基坑规模及支护结构本身的结构 型式等的发展相适应，在不同的发展阶段有不同的计算理论。同时，支护结构的内力分析 与其他结构分析相似，分析方法也和计算机技术的发展有关【1 1 】。起初阶段，挡土结构多 为重力式的刚性结构，由于重力式挡墙体积巨大且主要以重量来发挥挡土作用，因此内力 分析较少涉及刚性挡墙自身。在此阶段的分析主要为挡土结构自重的地基承载力分析、抗 倾覆稳定性和强度分析。重力式挡土结构的分析主要为边坡理论中的圆弧法。随着基坑规 模的扩大和开挖深度的加深，支护结构的型式也得到很大发展。常见的型式有地下连续墙、 柱列式钻孔灌注桩、拉森式钢板桩、水泥土搅拌桩等。其中水泥土搅拌桩一般为不设支撑 的刚性结构，计算方法与传统的重力式挡土墙相同；钢板桩和钢筋混凝土板桩由于自身刚 度较小，在土压力作用下变形较大，内力分析常采用等值梁法、等弯矩法、t e r z a g h i 法等 方法。对于多道支撑式的地下连续墙、柱列式灌注桩等支护结构，它们的刚度介于柔性与 刚性之间，随着施工位移对内力的影响显著，因而在分析过程中需考虑施工开挖过程。在 计算机技术没有普及之前，此类结构常采用“山肩邦男法 、“弹性法”及“弹塑性 法的 解析法分析。解析法仅用静力平衡方程就能求解内力，其力学模型采用了诸多简化计算的 假设；但不能考虑施工开挖过程中支撑轴力和挡墙内力的变化，导致支撑道数较多的支护 体系计算结果偏大，支撑道数愈多，内力值愈大。这类解析法比较适用于1 2 道支撑的 支护体系。随着电子计算机的普及，数值分析的方法开始运用于岩土工程【2 1 2 3 1 。数值分析 方法中的杆系有限元法在支护结构的分析中广为应用。杆系有限元能模拟实际施工工况， 计算结果比较符合实际情况，与监测结果比较接近1 2 , 2 4 j 。 1 2 3 双排桩支护结构 双排桩支护结构是将密集的单排悬臂桩中的部分桩向后移，形成两排平行的钢筋混凝 土桩，并在桩顶用刚性联系梁冠梁与连梁把前后排桩连接起来，沿基坑长度方向形成 双排支护的空间结构体系【，如图1 - 1 、图1 2 所示。 7 武汉理工大学硕士学位论文 ，o 、，0 ： 7 ：j 、 ， - 、 j 、 o 1 0 o ( a 之字武 c ! ：q 隳p ：q d a 鲑l s ：o ，、 & 文k 痨 ，o 。，o 。 ，： 7 ，； ：， ti 0 i ：e ： 妯) 飘三角式 ( c ) 梅花形式 p o ：d b ：o ，o 。、，o ， ，f 0 ：q 过o ：a ( 罅矩形格构式e ) 丁字式( f 连拱式 图1 - 1 双排桩支护结构平面布桩形式 l _ 图1 2 双排桩支护结构常见的剖面形式 双排桩支护结构作为一种有效的基坑支护结构，利用了“空间效应 ，与普通排桩结 构相比，它具有以下优点睁2 9 1 ：具有较大的侧向刚度，可以有效地限制支护结构的侧向位 移；能自动调整结构本身的内力；其支护深度比一般支护结构深，同时有缩短施工工期、 施工方便、有更大的后续工作平台、受力条件和整体稳定性好以及节约造价等优点，因而 逐渐成为深基坑支护结构的优选方案之一。和其它任何一种支护方式一样，双排桩支护结 构的应用还具有一定的局限性，如其基坑周边需要有一定的空间，以利于双排支护桩的实 施，因此对于场地狭小的场合，该支护形式的使用受到限制；同时，其设计计算方法和理 论还不够成熟，实测数据还不多，受力机理不够清楚。例如建筑基坑支护技术规程啪1 ( j g j l 2 0 - 9 9 ) ( 以下简称国标中推荐的排桩的计算方法是“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，但仍然无法考虑土体的本构特性及双排桩的空间结构 8 武汉理工大学硕士学位论文 特性。 目前，双排桩支护结构的理论研究主要以室内模型试验为主。室内模型试验具有成本 低，易于操作，易于监测等优势，但是也存在无法真正模拟现实情况或条件的弊端。双排 桩支护体系的研究主要集中在国内，而国外研究更为广泛的是群桩在水平荷载作用下的受 力特性。 在国外，近年来许多学者主要研究群桩在水平荷载作用下的变形特征。新加坡国际大 学采用离心试验机研究群桩在水平荷载下的变形特征及内力分布特点( 其中群桩包括了双 排桩及多排桩) 。试验结果表明双排桩或多排桩由于连梁的存在使得群桩近似成为一个多 排刚架，即多次超静定结构，增强了控制变形能力，从而在变形控制方面效果显著。同时 得出土体差异对桩体位移具有较大影响。 大倔晃一等2 1 对双排板桩式结构作了小型和大型模型试验比较，证明桩间有充填砂的 结构比没有充填砂的结构，其位移明显减小，桩入土越深、板桩刚度越大、墙的宽高比 b h 越大、充填砂越密实，其桩顶位移越小。在小型模型中效果显著的隔墙，在大型模型 中效果不明显，但在大型模型中，在隔墙和连梁都有的条件下，桩顶位移能得到明显地控 制，同时板桩上的弯矩分布也更合理。 菊池喜昭等盼3 1 用离心机进行了固化土充填的双层板桩式岸坡的小型模型试验结果表 明，结构的变形和内力与排距、桩间充填材料种类、地基条件以及桩间充填材料与板桩壁 面接触条件有关，排距越大、桩间充填土与板桩壁面接触越充分、地基密度越大，桩顶位 移与板桩弯矩越小。 在国内，中国建筑科学研究院针对双排桩进行了室内模型试验，分别研究了双排桩与 单排桩的关系和双排桩排距的关系。试验结果表明双排桩的整体刚度大，相同桩数时，将 单排桩每隔一根移至后排形成双排桩后，桩身的位移与内力均减小，且桩身的弯矩分布规 律与单排桩悬臂桩不同。提出了一种双排桩支护结构的计算模式，并得出：当桩排距较小 时，前后排桩都受到交变应力，桩上段弯矩与下段弯矩符号相反，它近似于受水平力的刚 性框架；当桩排距增大到一定距离，前排桩受力与单排悬臂桩接近，后排桩受力近似于拉 锚桩；双排桩桩径的合理取值为4 0 0 m m 6 0 0 m m ，桩排距的合理取值为1 5 3 0 d ( d 为桩 径) 。 此外，国内许多学者进行了并非专门针对双排桩支护结构的试验，这些试验研究了排 桩、冠梁等的作用，得到研究成果对分析双排桩支护结构的工作原理仍有许多值得借鉴的 地方。 蓝日彦采用实物模拟试验方法对基坑排桩支护上的土压力和变形进行了系统研究。通 过配制不同土层的物理模型，模拟在密排桩支护、疏排桩支护及无支护下深基坑开挖及在 9 武汉理工大学硕上学位论文 矩形荷载下破坏的过程：测量模型支护桩上的土压力和土体应力( 包括主动区和被动区) 在不同开挖深度、不同埋深下的发展、变化过程，得到土压力和土体应力的大小、分布规 律，及桩土共同作用的一些结论啪1 。 曲力群通过室内模型试验，研究冠梁对桩顶的约束作用以及二者之间相对刚度的关 系，确定符合实际情况的支护桩的计算模式及土压力的合理计算。试验是以尼龙棒模拟支 护桩，用不同截面尺寸的扁钢模拟不同刚度的桩项圈梁，通过测得贴在尼龙棒上的应变片 的应变，间接地求得尼龙棒在不同的圈梁、开挖阶段和堆载条件下产生的随深度而变化的 应力，进而得到桩身的应力分布和弯矩分布，同时推算桩侧土压力，确定合理的土压力计 算方法。结果同样表明，处于基坑中央位置的支护桩内力和位移均较基坑角处的支护桩大， 空间效应明显；冠梁刚度对支护桩桩身内力有很大影响m 1 。 刘钊通过现场实测，验证了桩侧土压力的时间效应：桩在刚压入土中时，桩侧土压力 高达相应稳态土压的2 倍以上，而此后l d ( d 为桩径) 之中的压力下降幅度，达到总下降 量的5 7 。提出一种基于弹性抗力法的双排桩支护结构计算模式，通过计算分析，认为 w i n k l e r 弹性地基模型，能够较好地反映双排桩的受力情况例。 在计算分析双排桩结构时，首先要确定土压力在前后排桩的分布情况和桩顶端的连接 和底端的嵌固情况；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、冠梁的空间协调作用以及桩土之间的相互作用等因素n 1 。许多学者对此展开了 大量研究，也建立了多种计算模式，归纳下来，国内学者基本上采用以下几种土压力计算 方法： 张弥提出了修正系数法。该方法为早期设计双排桩时所采用，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；另外，此法采用的经验系数具有较大的地域性。但当前后排桩排距较 大、连系梁与前后排桩连接刚度较小时，运用此法的计算模式还是可行汹1 。 何颐华提出体积比例系数法。根据桩间滑动土体占桩后滑动土体总量的体积比计算土 压力分担系数，然后根据土压力分担系数将根据经典法计算的主动土压力分配到前后排 桩。这种计算模式相对计算简单，概念比较明确，是现阶段被较多的设计者所采用的方法 之一，但分配在前后排桩上的土压力尤其是被动土压力过于悬殊，对桩长和最大弯矩的确 定均有一定的影响乜引。 黄强提出的桩间土刚塑体法充分考虑了后排桩的存在对土体滑裂面的影响，但该模式 认为双排桩所受土压力是以桩间土压力为主，故从桩间土受力分析破裂面夹角，可推出当 深宽比越大即排间距越小时，破裂角越大，当排距为0 时，破裂角趋于9 0 。，与单桩的实 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 际破裂面不相符合；此外，由于滑裂面的变化，前排桩与后排桩分别受到的主动土压力强 度之和并不等于朗肯主动土压力强度旧。黄强提出的计算模式中没有考虑土体的粘聚力， 因而另有学者提出了改进后的桩间土刚塑性法，即考虑桩间土体与桩之间有摩擦力，得出 粘性土破裂面夹角的解析表达，实质上是使桩间土刚塑性法对于粘性土和无粘性土都适 用。 程知言认为后排桩改变了土体的滑裂面夹角，该夹角是深宽比和土体内摩擦角的函 数，将桩后土体作为独立的刚塑性体进行分析。该方法虽然考虑了后排桩对剪切破裂面的 影响，但和修正系数法一样，没有考虑双排桩的力偶作用，也不能考虑双排桩支护结构体 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。此外，该计算模式以桩后土 体的土压力为主，没有考虑桩间土体的传递作用和对前后排桩的影响啪1 。 熊巨华提出的等效弯矩刚度法是将前后排桩和桩间土体等效为相同刚度的挡土体系， 再利用弹性支点法来计算组合桩内力。该计算模式适用于小排距情况，其计算方法简单、 概念鲜明。应用该法求解小排距双排桩内力问题不失为一个好办法，但小排距情况适用范 围有限侧。 上述几种方法都是根据经典土压力的思想计算，桩体受到的土压力为极限状态下的土 压力，并忽略冠梁与梁体变形协调的关系。极限平衡状态时土体接近破坏时的应力状况， 用于分析工作状态下的情形不太合适；此外，经典土压力法也不能计算支护结构的变形。 目前对双排桩支护结构的计算探讨中意见较为一致的是依据w i n k l e r 假定的计算模式，即 以w i n k l e r 假定为基础，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，在开挖面以上假定后排桩承受主动土压力，桩间土压力根 据土体泊松比进行折减，开挖面以下土体抗力按w i n k l e r 地基梁假定采用“m 法计算， 以弹性地基梁和结构力学分析的方法为基础，即可求出门架式双排桩支护结构