（地质工程专业论文）九华山隧道工程深开挖软土地基双排围护桩作用研究.pdf

摘要 双排围护桩支护结构是上世纪9 0 年代新发展的一种基坑支护技术，它是在 基坑周围打设两排较密排桩，并在桩顶设置纵横双向大刚度圈梁或盖梁构成。这 种支护形式与常规结构相比，具有侧向刚度大，水平位移小和不需要加内支撑等 特点，而且施工方便，减少投资，具有广泛的应用前景。但是作为一种新型的支 护形式，它在理论研究上尚不成熟，目前尚无统一的设计计算方法，相应规范也 没有对该结构作出规定，特别是在前后排桩排距、桩体刚度、排桩问土体性质、 被动区土体性质等参数改变时，结构的变形和受力情况如何变化研究很少，且均 局限在二维分析计算中，对于空间门架式结构的双排围护桩结构存在较大的缺 陷。 基坑工程中，合理的侧土压力计算是设计安全、经济合理的支护结构的基本 前提，而当前采用的侧土压力计算方法仍是基于挡土墙模式的经典土压力理论， 实践证明其不能很好地反映实际土压力分布。本文以桩土结构中客观存在的土拱 效应为基础，介绍土拱效应的基本理论，分析双排围护桩结构中的土拱效应，提 出以土拱理论计算侧土压力的方法；并运用大型有限元程序a d i n a ，在前后排 桩排距、桩体刚度、排桩间土体性质、被动区土体性质变化时，计算双排围护桩 结构的三维位移场和应力场变化，为结构的优化设计提供可量化的依据：最后运 用a d i n a 程序对九华山隧道双排围护桩深基坑工程进行仿真模拟计算，将计算 值与实测值进行对比分析，证明本文侧土压力计算方法是可行和合理的，本文模 拟结果是可靠的，对类似工程提供有益帮助。 关键词：双排围护桩土拱应力拱空间效应有限元法优化最大主拉应 力最大主压应力 a b s 札a c l a b s t r a c t t h er e t a i n i n gs t m c t u r eo fd o u b l e r o wp i l e sj san e ws u p p o r t i n gt e c h n o i o g yd e v e l o p e di nt h e 1 9 9 0 so fl a s tc e n t u mw h i c hi sf 0 咖e db yc o n s t n i c t e dt 、v 0r o w sc o m p a c t n e s sp | e se n c i r c i ei h e e x c a v a t i o np i t ，a 1 1 ds e n i n gv e r t i c a la n dt r a n s v e r s en 瑚g r j da tt o po ft h ep i l e s t h es t r u c t u r ew “h i a r g el a l e r a ir i 瘩i d i t y tn oi n c r e a s ei nt h et r a n s v e r s eo fs u p p o r tt os m a l ld i s p l a c e m e n ta n dn e e dn o t i n n e rs u s t a i nc h a r a c t e r i s n c s ，a l s of a c j l i t a t et h ec o n s t r u c t i o na n d i n v e s t m e n t ， w i t hab r o a d 印p l i c a t i o np r o s p e c t sc o m p a r e dw i t hg e n e r a is “p p o r ts t c t u r e s h o 、v e v e nt h et h e o 叫r e s e a r c h i n g i sn o ti d e a la n dh a sn ou n i t i v em e t h o df o rd e s i g n i n ga san e wk l n do f r e t a i n i n gs t r u c t u r e a 1 s o ， t h e r ea r en or e s p o n s em l e p r e s c r i p ti nc f i t e r i o n s e s p e c i a l l y ，t h er e s e a r c h i n gi ss c a r c e l ya n yi nt h e e 疗毫c t so f t h ed i s t a n c eb e t w e e nf r o ma n db a c kr o wp i l e s ，r i g i d i t yo f p i i e sa | l db e a m s ，t 1 1 ep m p e r 【i e s o f s o i lb e t w e e np i l e s ，t i l es t r e n g t l l e n i n go f t h ep a s s i v es o ia r e ao ni a t e r a ld i s p l a c e m e ma n di n t e m a l f o r c eo ft h er e t a i n i n gs t c t l l r e ，f u r 七h e rm o r e 也er e s e a r c h i n ga l ll i m i t e di n2 一da n a l y s i s ，s ot l l e r e h a sl i m i t a t o no f t h e3 ds t m c t u r e ar e a s o n a b i es o 订p r e s s u r ei nr e a ri s t 1 1 ep f e c o n d i t i o nf o rs e c u r n ya n de c o n o m i c a li nd e s i g r l h o w e v e t h em e t h o di nu s i n gc u r r e n t l yi sb a s e do nr e t a i n i n gw a i lm o d e ，a l 试i ti sn o tr e n e c t 恤 s o i lp r e s s u r ei nr e a ri nr c a l i 够t h ed i s s e m t i o nb a s e d0 nt h ep o s i t i v ee x i s t e n ts o i la r c h i n gi n p i l e s o l ls t c t u r e ，i n t m d u c et h el l l e o r yo fs o i la r c h i n g ，a | l a i y z et h es o 1a r c h i n gi nd o u b l e - r o w p i l e s ，p u tf o n v a r dt h em e t l l o dc a i c u l a t es o i lp r e s s u r ei nr e a rw i t hs o 订a r c h i n gt h e o 阱a p p l y i n gt h e c u r r e n tn n i t ee i e m e n tp r o c e s s a d i n ar e a p p e a r a n c i n g t h el a t e r a l d i s p l a c e m e n ta r i di n t e m a l f o r c eo ft h er e t a i n i n gs t m c t u r ew h i l ec h a n g i n gt h ed i s t a n c eb e t 、v e e nf r o n ta 1 1 db a c km w p i i e s ， r i g i d i t yo fp i l e sa n db e a m s ，m ep m p e r t i e so fs o i lb e t 、v e e np i i e s ，t h es t r e n 掣h e n j n go ft h ep a s s i v e s o i ia r e ai n3 一d s p a c e ，b r i n g f o n v a r dan 啪e r a b l e p r o o ff o ro p t i m i z ed e s j g n a tl a s 0 a c c o m p i i s h i n gt h ee m u l a t o rs i m u l a t i n go fd e 印e x c a v a t i o nu s i n gt h er e t a i n i n gs n l l c t i l r eo f d o u b l e - m wp j i e so fj i u h u a s h a l lt u n n e l ，p m v i n gt t l em e t h o di nt h ed i s s e n a t i o ni sf e a s i b l ea n d r e 雒o n a b l e ，t h ee m u l a t o rs i m u l a t i n gi sd 印e n d a b l e ，s u p p l y i n gv a l u a b l ea s s j s tf o rs i m i i a rp r o j e c t s k e yw o r d s ： d o u b l e r o ws u p p o r tp i l e ss t r u c t u r e ，s o i l a r c h i n g ，s t r e s s ”c h i n g ， d i e n s i o n a le f f e c t ， f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，o p t i m i z e ， p r i n c i p a l s t r e s s m a x ， p r i n c i d a ls t r e s sm i n i i 学位论文独创性声明： 本人所呈交的堂位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 他已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事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。如不实，本人负全部责任。 诊文作者( 签名)：二j 4 b 塑l伊年r月彩日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘 版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容 相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部 分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论作者( 签名) ： i2 垒! 盘 沙6 年j ，月杉日 第一章前言 第一章前言 1 1 论文选题的依据、意义 随着“高、纵、深”的三维城市空间的快速发展，众多的地下工程都面临土 木工程界最为复杂的技术难题之一基坑开挖支护。 在本世纪3 0 年代，t c r z a 曲i 等人已开始研究基坑工程中的岩土工程问题。 在以后的时间里，世界各国的许多学者都投入了研究，并不断地在这一领域取得 丰硕的成果。我国高层建筑发展很快，地下空间的充分利用，促进了深基础的发 展，随之产生了深基坑支护设计与施工问题。其中，基坑的深度更为关键，目前 已深达2 0 多米，近3 0 米【”。深基坑支护的设计与施工成为当前基础工程的热点 与难点。由于基坑工程的复杂性以及设计、施工的不当，已发现有不少深基坑支 护工程的失误，导致经济上的重大损失，建设工期的重大延误。因此保证深基坑 工程安全可靠和经济合理是当前迫切的课题【2 】o 近年来，基坑围护体系的种类、 各种围护体系的设计计算方法、施工技术、监测手段以及基坑工程理论在世界各 国都有了长足的发展，已有许多成功的支护工程在各国之间和各地域之间交流。 因此对这一课题的认识和理解将更加深刻，人们也将在这一领域取得更多的成 果。 基坑开挖问题既涉及土力学中典型的强度与稳定问题，又包含了支护结构与 土体变形问题，同时还涉及到土体与支护结构的共同作用问题，因此，深基坑开 挖支护成为国内外土木工程的研究重点之一f 3 l a 为了维护坑壁稳定，常用的支护 结构有单( 多) 点锚拉支护，单( 多) 点内支撑板桩及地下连续墙等。但有时由 于场地条件限制，如基坑邻近建筑物不允许使用锚杆，或基坑宽度过大，或成本 太高，以上方法往往存在不足或不能被允许使用。因此，选用传统的方法受到许 多限制，处置不当还会酿成事故【4 】。因此，我们应高度重视对深基坑支护结构形 式与稳定坑壁方法的创新研究，不断发展更新、更有效、更台理的深基坑支护结 构，以达到保证基坑安全、经济合理的目的。 基坑工程中，合理的侧土压力计算是设计安全、经济的支护结构的基本前提， 而当前采用的侧土压力计算方法仍是基于挡土墙模式的经典朗肯或库仑土压力 理论，实践证明其不能很好地反映实际土压力分布1 5 】，因此研究更合理、更准 确的侧土压力计算方法，成为基坑工程设计中的一个重点问题。 前人在大量的土木工程实践中发现，各类桩间土体会形成类似隧洞顶和桥梁 拱圈的作用机理，这就是岩土工程中的土拱效应。土拱效应是自然界中十分常见 的一种现象。在采用桩排式支挡结构形式的基坑工程中，由于桩间土拱作用的存 在，使得支挡结构的受力不同于经典土压力理论计算得出的结果【6 】，而且，由于 土拱作用的存在，使得基坑在其两端壁处具有显著的空间效应，这些新的观点理 河海大学申请硕士学位论文 论与传统的经典土压力理论有较大的不同，对这些新观点、新理论的研究，对完 善桩排式支护结构的侧土压力计算理论，提高计算精度非常有实际意义。 本文以桩土结构中客观存在的土拱效应为基础，在阅读大量文献的基础上， 介绍土拱效应基本理论，分析本文研究对象一双排围护桩结构中的土拱效应，提 出以土拱理论计算侧土压力的方法。 基坑支护技术随着分析和计算方法的进步而日臻完善，相继出现了许多新的 支护形式与稳定坑壁的方法。本文的研究对象即为新型的深基坑支护体系深 基坑双排围护桩支护结构，双排围护桩结构是近年来新发展的一种基坑支护技 术，是在基坑周边施工两排较密排桩，并在桩顶设置纵横双向大刚度连梁，一般 桩距取1 5 倍的桩径，排距取o 3 h o 5 h ( h 为基坑开挖深度) ，根据实际工程 的工程地质条件和实际需要，双排围护桩结构前后排桩可采用多种布桩形式。这 种支护形式与其它形式支护结构相比，具有侧向刚度大、水平位移小和不需要加 内支撑等特点，而且旌工方便、投资少，目前已得到了较广泛的应用【2 】。而作为 一种新的支护形式，它的设计计算理论还不成熟，尚无统的计算方法，在相应 规范中也没有相关规定，特别是在前后排桩排距、桩体刚度、桩间土体性质、被 动区土体性质等结构参数变化的情况下，结构的变形和受力的变化特征，研究的 很少，且均局限在二维平面理论中，对于空间效应明显的基坑工程，特别是双排 围护桩空间门架式结构而言，平面分析显然存在缺陷。因此，建立合理的计算模 型，考虑各种结构参数变化对双排围护桩结构变形和受力的影响，得出结构变形 和受力三维空间变化特征，对双排围护桩结构的设计计算和广泛应用具有重要意 义。 1 2 土拱和双排围护桩结构国内外研究现状 1 2 1 土拱理论研究现状 t e r z a 曲i 于1 9 4 3 年首先提出土拱效应，并试验证明了土力学领域的土拱效 应【一。虽然土拱效应发展至今已有多年历史，并取得了显著的成果，但由于试验 条件限制等许多客观原因，土拱理论研究中仍存在一些值得探讨的问题，包括土 拱的存在条件，土拱形式及拱体的几何参数等。 1 9 4 3 年，t e ! r z a 曲i 通过著名的活动门试验【7 】在对土拱的应力分布进行描述的 基础上，得出了土拱效应存在的条件：土体之间产生不均匀位移或相对位移，作 为支撑的拱脚的存在；1 9 8 5 年，h a i l d y 在研究中假定【6 】拱起单元受剪力为零的主 要平面控制，因此力矩平衡必须要整个拱形中的应力恒定，在此假定下，得出结 论：如果一个单元密度均匀，厚度相等，则拱体形状为悬链线，其末端为铰结； 1 9 8 9 年，美国的i ( i n 琴1 c y h a r r o p w i l l i 锄s 【8 j j 通过理论研究，验证了拱的形状， 第一章前言 研究表明，实际拱形近似于悬链线，由于拱形很近似于圆弧，因而可以得出应力 恒定的假定。 上世纪末本世纪初，国内学者注意到土拱效应在岩土工程界的普遍性和重要 性，纷纷投入研究。杨雪强掣9 】( 1 9 9 4 ，1 9 9 6 ) 结合工程实际论述了成拱条件 及拱体受力机制，指出产生拱体一般需要两个条件：一个是拱座，另一个是介质 的不均匀的变形，拱座是产生介质不均匀变形的直接原因；吴子树掣i l 】( 1 9 9 5 ) ， 结合土工离心机试验、理论分析及实地调查，综合研究了土拱的形成机理及存在 条件：贾海莉等【1 2 l ( 2 0 0 3 ) 认为，土拱效应的存在还应满足第3 个条件：拱体形 成处土体中的剪应力小于其抗剪强度，因为只有在土体所受剪应力小于其抗剪强 度的条件下，土体才能调动其自身强度以抵抗外力( 剪应力) 。 近年来，很多学者将土拱理论应用到工程实际中去，并取得了一定的成就。 王成华等 1 3 】( 2 0 0 1 ) 从方桩桩间土拱形成的原理、力学特性论证入手，较全面地 分析了桩间土拱的受力、变形、力的传递和士拱破坏瞬间的最大桩间距，并建立 了最大桩间距平面计算模型：周德培等【1 4 】( 2 0 0 4 ) 在对边坡工程中抗滑桩间土拱 效应分析的基础上，提出应以桩间静力平衡条件、跨中截面强度条件以及拱脚处 截面强度条件共同控制来确定桩问距，得到了较为合理的桩间距计算公式，定量 地说明了在其它因素不变的情况下，桩间距随桩后土体粘聚力或内摩擦角的增大 而增大，却随着桩后坡体推力的增大而减小；期间还有很多学者将土拱理论应用 到工程实际中【1 6 1 【1 7 l ，取得了显著的经济和社会效益，但这些工程应用大多集 中在边坡抗滑桩和挡土墙工程中，基坑工程应用不多。 胡敏云等【1 8 】【19 】( 2 0 0 0 ) 根据基坑桩排式支护中护壁桩的受力变形特点，分 析被支护土体中的成拱作用，将间隔布桩时护壁桩侧土压力分为直接土压力和间 接土压力两部分，给出了用主应力分析计算土压力的基本原理，由此得出的桩侧 土压力与经典土压力不同，呈曲线分布，经与实测比较，能较好地反映工程实际 情况，并分析了计算误差和公式适用范围；朱碧堂等【2 0 】( 2 0 0 2 ) 采用拱形梁法对 基坑开挖和支护中的土层拱效应作了理论分析，推导出了支护排桩的最大间距。 土拱理论在我国发展迅速，短短二十年的时间已成功将理论应用到各类工程 实际，并取得显著的实践效果，说明了土拱效应的普遍性和重要性。 1 2 2 双排围护桩结构研究现状 深基坑双排围护桩结构作为一种空间组合类支护结构，在深基坑工程中的应 用在我国始于2 0 世纪9 0 年代，该结构是由中国建筑科学研究院地基研究所与北 京建工集团总公司共同研制开发的一项基坑支护新技术【2 】，该体系可以理解为将 密集的单排悬臂桩中的部分桩向后移，并在桩顶用刚性连梁、盖梁把前后排桩连 接起来，沿基坑长度方向形成双排桩支护的空间结构体系。 对于双排桩支护结构的设计计算，到目前为至已有不少的计算模型，根据不 河海大学申请硕士学位论文 同的假定，归纳起来主要有以下三类：根据经典土压力理论确定土压力的计算模 型【l 】f 2 】：根据w e n l ( 1 e r 假定的计算模型：用有限元法的计算模型瞄1 【2 3 l 。其中后 两种方法能考虑桩一土的共同作用，计算结果较为理想。其研究从开始的极限平 衡方法到弹性地基梁法，到目前采用有限元分析的数值分析方法，体现了研究水 平的逐步提高，短短十几年能取得如此大的进步，说明了双排围护桩支护结构在 工程中的优越性。 目前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，且难以估算支护结构的变形， 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，建筑基坑支护技术规程中推荐的方法是“m 法 2 4 】，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，虽然考虑支护结构的变形，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围 护桩进行数值分析时能够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。目前在应用中还存在计算参数和 计算模型难以取得的问题，暂未在双排围护桩支护结构体系设计中取得良好的效 果，但应该指出的是有限元法代表了该类问题的一个较为先进的研究方向。 在个人研究方面，余志成、施文华【2 】( 1 9 9 7 ) 通过假定的双排围护桩结构后 土体滑动面，考虑桩问土对土压力的传递作用，计算后排桩前后滑裂面以上土体 的比例系数，分别求出前后排桩的主动、被动土压力；黄强川( 1 9 9 5 ) 假定桩后 土体为刚塑体，不考虑土与桩之间的摩擦力，运用极限平衡原理计算主动土压力， 分析了由于后排桩的存在及桩排距对桩后土体剪切角的影响：曹均坚 2 5 】( 1 9 9 9 ) 在考虑圈梁对桩空间作用影响的基础上，根据变形协调原理，建立了前后排桩的 变形方程，从而推导一种新的计算方法；熊巨华【2 6 】( 1 9 9 9 ) 针对前后排桩排距小 于4 倍桩径、桩顶设置桁架式帽梁的一类双排围护桩结构，根据抗弯刚度等效原 理，提出了能运用弹性支点法( 杆系有限元法) 的简化计算方法：万智【2 日( 2 0 0 1 ) 、 戴智敏【2 8 】( 2 0 0 2 ) 等采用土拱理论和土抗力法建立了双排围护桩分析计算模型， 对已有的计算方法进行了改进，并考虑深基坑空间效应，支护桩桩顶的水平圈梁 作用，对双排围护桩结构进行分析；平杨【2 9 】( 2 0 0 1 ) 在考虑排桩、圈梁、连梁空 间协同作用的前提下，提出了一种更适合双排围护桩结构实际工作性态的计算方 法和反分析计算方法；蔡袁耐3 0 1 ( 1 9 9 7 ，1 9 9 9 ) 、吴海玲( 2 0 0 3 ) 采用有限 元法对双排围护桩结构的受力特性和变形进行了研究。 双排围护桩结构从最初应用至今短短十几年的时间内，已经有大量成功的 第一章前言 工程实例 3 3 】【3 4 j 【3 5 】【3 6 】【3 7 1 ，说明这种新的支护技术是成功的，且有着光明的应用前 景，但其设计计算方法还不成熟，结构参数如排距、桩间距等的确定经验性、人 为性因素较多，各种结构参数变化时结构工作性能的变化特征尚不明了，这些都 需要对其进行大量的、更深层次的研究，以使其能够更广泛地应用。 1 3 本文的主要工作 根据目前双排围护桩结构研究的现状和存在的问题，本论文的主要内容和拟 解决的主要问题如下： ( 1 ) 总结了目前土拱理论和双排围护桩结构国内外研究和应用的现状，提出双 排围护桩结构进一步研究、发展的方向。即完善该结构的设计计算方法，掌握在 各种结构参数如前后排桩排距、桩体刚度等变化时结构的变形和受力性能的变 化，达到对结构的最优化设计。 ( 2 ) 研究岩土工程中普遍存在的土拱效应，分析土拱效应的作用机理、作用途 径及其作用影响因素，推导土拱效应的基本计算原理。 ( 3 ) 分析双排围护桩结构中的土拱效应，应用大小主应力拱分别计算前后排桩 开挖面以上的间接土压力和直接土压力，进而计算前后排桩侧土压力，运用 w h u e r 弹性地基梁法计算开挖面以下侧土压力，完成支护结构的侧土压力计算。 ( 4 ) 分别建立前后排桩排距、桩体刚度、排桩间土体性质、被动区土体性质等 变化时的双排围护桩结构的三维有限元模型，运用大型有限元程序a d i n a 进行 三维仿真计算，计算双排围护桩结构的位移场和应力场的三维空间分布，为该结 构的优化设计提供可量化的依据。 ( 5 ) 结合九华山隧道深基坑双排围护桩工程实例，应用大型有限元程序a d i n a 模拟基坑开挖过程，通过三维有限元计算得出支护结构的位移场和应力场空间分 布，并与实测数据进行对比分析，证明本文模拟结果是可靠的；运用本文侧土压 力计算方法计算结构侧土压力，与工程实测值、朗肯土压力理论计算值对比分析， 证明本文计算方法是可行和更趋合理的。 河海火学申请硕士学位论文 第二章桩问土拱效应 前人在大量的土木工程实践中发现，各类桩间土体会形成类似隧洞顶和桥梁 拱圈的作用机理，这就是岩土工程中的土拱效应，土拱效应是自然界中十分常见 的一种现象【3 8 。t c 祝a g h i 于1 9 4 3 年首先提出土拱效应，并试验证明了土力学领 域的土拱效应。 t e r z a 曲i 这样定义土拱叽支护结构局部移动，而其余部分不动，移动部分 附近土体将随之有移动，这就造成移动土体与不动土体的相对位移趋势，而土体 间的抗剪强度的发挥将阻止这种相对位移，有保持位移土体不动的趋势，这就使 得支护结构移动部分上的土压力相对减小，而其相邻部分结构由于土体的力的传 递而受力增大，这种将移动土体压力施加到不动部分土体的作用，就是“土拱效 应”。 2 1 土拱基本理论 在岩土工程中，土拱效应的概念从提出到发 展经历了很长的历史，并取得了显著的成果。但 由于试验条件等许多客观原因，土拱理论研究中 仍存在一些值得探讨的问题，包括土拱的存在条 件，土拱形式及拱体的几何参数等。 2 1 1 土拱的存在条件 1 9 4 3 年，t c 杞卵蛳通过著名的活动门试验证 图2 1 桩间土拱示意简图 实了土力学领域土拱效应的存在，并在对土拱的应力分布进行描述的基础上，得 出了土拱效应存在的条件。 ( 1 ) 土体之间产生不均匀位移或相对位移； ( 2 ) 作为支撑的拱脚的存在。 以桩土结构为例，满足以上条件的桩土结构，在桩间便形成土拱，如图2 1 所示。 2 1 2 土拱的形状 t e 忆a p 蚯指出：在土力学方面，无论在野外，还是在实验室，土拱的作用都 是一种最普遍的现象。他用大量的篇幅来作土拱的作用论述，主要是用土拱理论 来解释了挡土墙压力的一些现象，揭示了拱带的作用，但他没有绘出拱的图形。 尽管后人在土拱方面做了大量研究，但对土拱的状认识仍然不够。如前文所述， 1 9 8 2 年，h a l l d y 得出拱体形状为悬链线，其末端铰结；1 9 8 9 年，弛g s l e y h a w i l l i 锄s 验证了拱的实际拱形近似于悬链线。 土体自发形成土拱，必然应使其最大限度的发挥效益。因此，土拱的拱形及 结构一定是最合理的。结构力学上称这种拱形为“合理拱轴线” 3 9 】。 第二章桩间土拱效应 合理拱轴线的受力特点是拱体单元剪力和弯矩处处为零，只受轴力作用。由 此不难看出，研究土拱，首先确定土体的受力状况是至关重要的。只有合理地确 定受力，才能得出合理的拱轴线方程，即拱形。 如图2 2 所示，取半个拱进行受力分析。设拱后作用均匀荷载p ，h 为所切 的另半个拱的反力，t 和v 分别为拱脚反力的分力，平衡拱的外缘为一质点拱( 即 厚度薄如质点的拱圈) 。 y t p 一上上儿上儿上上0i 。1 厂 。 h in ( x ，y ) l 岩a i v c x 图2 2 土拱拱形计算简图 该拱圈的存在有两个条件，任意截面弯矩为零和拱脚不会滑动。在基本结构 中，对任意一质点n ( x ，y ) 取矩肘。= o ，可得： 日x p v 上：0 ( 2 1 ) 2 d 肌”寺y 2 - 2 由式( 2 2 ) 可得，土拱呈抛物线形。且根据力的平衡条件有： x 方向，x = o ，有矿一p 6 = o ( 2 3 ) y 方向，r = o ，有一r = o ( 2 4 ) a 点弯矩为o ，有 。：o ，得日 一：o ( 2 5 ) 由拱脚处坑壁土体稳定有：，矿t a i l 纸，即作用在拱脚处的水平推力必须 要小于或等于垂直反力所产生的最大摩擦力，以保持拱脚的稳定，取极限状态得： ，= y t a l l 讫 ( 2 6 ) 联立方程( 2 3 ) ( 2 6 ) 得： 矿= p 6 r = j p 6 t a i l 纯胃= 尸6 t a n 吼 河海大学申请硕：匕学位论文 ：l( 2 7 ) 2 t a l l 依 其中：h 一土拱的拱高( m ) ，b 为桩间距一半。 t a l l 纯一土体综合摩擦系数；纯与土的c 、p 相关，c 、p 值越大，h 就越小， 土拱效应越明显：桩距越大，h 就越大，土拱效应就越不明显。 2 1 3 拱脚的存在形式 在t e f z a 曲i 给出的土拱的存在条件中，“作为支撑的拱脚的存在”是必不可 少的条件，可以说，土拱能否形成并稳定存在，在很大程度依赖于拱脚，在土拱 的研究中，拱脚应是一种承力结构，无论从土拱的定义还是从结构力学中拱的受 力机制都不难看出，拱就是将拱后受力传递至拱脚的结构，因此土拱的拱脚应是 一个相对“稳定”、“坚固”的结构，应足以承受由拱体传递的抑制拱体上方( 或 后方) 土体位移所产生的力，土拱的拱脚有以下几种形式： 目前的研究表明，土拱的拱脚有以下几种形式【1 2 ： ( 1 ) 直接拱脚 直接拱脚是指支护结构本身发挥其抗弯或抗压性能形成的拱脚。图2 t 3 为直 接拱脚的示意图。图2 t 3 ( a ) 所示为基坑护壁桩桩间水平土拱。以相邻两桩为拱 脚起支撑作用，并由式( 2 7 ) 可得，在土性条件确定的条件下，桩间距和桩截 面设计的合理性是土拱形成并发挥作用的重要保证。图( b ) 所示土拱为基坑护 壁桩发生局部弯曲变形时产生的，拱脚位于弯曲部位两侧，桩截面的几何参数和 强度参数决定土拱的存在与否。 桩 澎 幢) 桩间水平自土拱 ( b ，i 凸桩长拱 图2 8 直接拱脚示意图 ( 2 ) 摩擦拱脚 摩擦拱脚是指土体与外加支护结构之间的摩擦力形成的拱脚形式。 在自然界中，由摩擦力形成的拱脚的土拱效应很多，如加筋土挡墙工程中相 邻筋带之间的土拱效应【柏1 ，见图2 4 所示。1 8 8 4 年，英国科学家r o b e n s 首先发 现的“粮仓效应”，粮仓底面所承受的力在粮食堆积到一定高度后，达到最大值 并保持不变，正是谷粒与仓壁之间的摩擦力形成的土拱的作用。 第二章桩问土拱效应 ( 3 ) 土体拱脚 土体拱脚是指土拱拱脚均支撑于稳定土体 的拱脚形式。工程建设中，采用跳槽分段开挖， 正是利用土体自然成拱的原理，使拱脚位于开 挖单元两侧的稳定土体中，由稳定土体的抗剪 强度提供支撑，基坑开挖时，会形成以基坑开 挖边边长为跨度的土拱。 ( 4 ) 二异拱脚 二异拱脚是指土拱拱脚分别支撑于支护结 构和稳定土体的拱脚形式。图2 5 所示的基坑支 护桩与桩后土体之间形成的土拱就是这种形式。 与支护结构之间的摩擦力提供支撑；另一拱脚 位于主动区与稳定土体的交接面上，由稳定土 体的抗剪性能提供支撑。 本文将要研究的桩间水平土拱作用，其拱 脚形式即以直接拱脚形式存在，而竖向土拱则 以二异拱脚形式存在。 2 1 4 土拱的作用形式 在深基坑工程中，当支护结构随基坑开挖 圈24 加筋土的扒形示意图 一拱脚支在支护结构上，由土体 叽n n 、 尹 圈25 二男棋脚示意图 发生向坑内的位移和挠曲变形时，其附近的土体将滑移而变形，并与周围稳定土 体之间发生相对位移。土体内部的这种变形和位移将引起土颗粒之间的剪切摩 擦，使土体的变形受到限制。变形土体与稳定土体之间抗剪能力的发挥促使变形 土体保持在原来的位置，于是支护结构上的土压力随其位移和变形的增大而减 小，与此同时，周围稳定土体则受到变形区土体的压力作用，在这种土压力转移 的过程中，便形成水平向的土拱和竖向土拱作用，即桩问土拱的两种作用形式。 ( 1 ) 水平向土拱 基坑护壁桩之间的土体在土压 力作用下，有向前挤出的趋势。由于 桩后土体自身抗剪强度的存在，自然 形成以相邻两桩为拱脚的土拱，即桩 间水平土拱，其前提条件是支护结构 的强度足以使该拱体能够“站稳脚 跟”，从而将作用于土拱后的压力传 l 、l 土 鹾咎方向 递到拱脚及周围土体中。一股将护壁桩附近土体平面上分为三个区域，即：拱后 稳定区，土拱区及拱前自由区。图2 6 为桩问水平土拱作用示意图。 河海大学申请硕士学位论文 ( 2 ) 竖向土拱 基坑开挖时，由于护壁桩在土压力 等荷载作用下向基坑内位移，桩后土体 在土压力作用下发生变形，由土体极限 平衡可知，在桩后土体内部将形成一剪 切破坏面，该面由基坑开挖深度处延伸 至地面。桩后土体将变形下陷，此时， 桩后土体将与护壁桩背和稳定土体发生 摩擦作用，来阻挡土体的竖向收缩形 成土体中的竖向土拱，如图2 7 所示。 2 2 土拱的基本计算原理 地面沉降 篮仉 拱的最大特点是在竖向压力作用下产生水平力，从而使其受力性能不同于其 它的结构构件。所以，与一般桥涵、隧洞的拱圈相比，桩间土拱的组成、结构复 杂多了，在桩后土压力作用下，发生变形的动力学原理就更加复杂。 2 2 1 土拱受力分析 为分析桩间土拱的力学特性，建立如下计 算模型( 如图2 8 ) 。假设桩间土拱已经形成。 由图可得，土拱后土体由于自重作用，将给土 拱推力f 作用，土拱前方土体对土拱有被动土 压力p 作用，方向与拱后土体推力方向相反； 同时，土拱土体沿滑裂面也有自重和抗滑力作 用；土拱在受到拱后土体的推力作用后，要首 先克服拱前被动土压力p ，土拱本身在滑裂面 上的抗滑力，余下的力即为沿拱圈传递的有效 推力ft ；桩体受到有效推力作用，即产生桩 侧摩阻t 。 2 2 2 土拱基本计算原理 图2 8 土拱受力示意图 土拱拱后土体推力f 、拱前被动土压力p 、剩余抗滑力f ”桩侧摩阻力t 共同作用下，构成桩间土拱的受力系统，在各力的综合作用下，土拱才能正常发 挥作用。将桩问土拱拱圈按单位宽度土体进行划分，取第i 段拱圈进行受力分析： ( 1 ) 土拱被动土压力计算 设第i 段土拱前侧的被动土体重量为w i + l ，则被动土压力可用下式计算： p = ( 砟i c o s 吒+ l t a l l m i + l + c + l 厶+ 1 ) 一ls i n q + l ( 2 _ 8 ) 式中，口。，o 。，g ，k 分别为被动土体段的滑动面倾角、内摩擦角、 第二章桩问土拱效应 内聚力和被动土体的长度。 在被动土体中值很小，即抗剪强度很低时滑动面的倾角在5 。以上，由上 式可得，土拱几乎不受被动土压作用；反之，则有被动土压力存在。在实际情况 下，土拱本身允许的压缩变形较小，利用土拱前的被动土压力作为支撑力就更小， 只有当土拱临近破坏时，被动土压力才会充分利用，所以在实际分析计算时可忽 略不计。 ( 2 ) 土拱剩余抗滑力分析 由于拱后土体的推力作用，在沿滑动面方向，土拱要产生一定的变形，使土 拱存在一个剩余抗滑力的作用。取第i 段拱圈研究，由土拱受力计算模型，该段 土拱的剩余抗滑力为： f i 余= 嘭c o s a it a n 西。+ g b 一彬s i n 口 ( 2 - 9 ) 式中，彬：土拱第i 段重量，中；：土拱内摩擦角 e ：土拱的粘聚力饵：滑动面的倾角 b ：土拱沿滑动面方向宽度，即为支护桩有效侧面宽度。 ( 3 ) 土拱有效推力计算 土拱受到拱后滑动土体推力作用，在克服滑动方向的剩余抗滑力的同时，横 向上产生压缩变形，以有效推力形式将力传递到两相邻支护桩上，设第i 段土拱 有效推力为只。，则 e 有2 鼻一，余 ( 2 1 0 ) 其中：f ：第i 段土拱后土体推力，可由第i 段拱后滑动土体受力平衡条件 求得； 艮：土拱剩余抗滑力。 将艮代入式( 2 1 0 ) ： 点有= 曩一【彬c c o s 口it a n 西i s i n q ) + c 】 ( 2 1 i ) 设桩间距为d ，则由土拱中间传递到支护桩侧的有效推力为： 略= 丢d e 一【暇c c 。s 口。t a n m ，一s i n 口) + c | b 】) ( 2 1 2 ) 根据桩间土拱性质，如土体均匀性、抗剪性能强弱等，可以对该式进行适当 简化。 河海大学申请硕士学位论文 2 3 土拱效应影响因素 土拱作用发挥主要依赖于土的抗剪能力，具有一定抗剪强度的土总能提供稳 定可靠的土拱作用。当然，土拱有其自身的存在条件，且由于工程实际地质条件 的复杂性，土拱作用受许多因素的制约，诸如土的性质及种类、桩间土体的跨度、 接触面性状、土体蠕变等因素，均会对土拱作用的发挥程度产生影响。 2 3 1 桩间距对土拱效应的影响 桩间距和桩径对桩问土拱效应有影响作 用。张建勋洲等通过二维有限元计算，比较 桩间距s 和桩径d 的不同比值得出：随着s d 增大，桩的荷载分担比例越来越小，而土的 荷载分担比例越来越大，即桩间土拱效应愈 来愈不明显，当s d 大于8 时，桩问土拱效 应减弱或没有土拱效应，如图2 9 。 2 3 2 土体性质对土拱效应的影响 图2 9 不同。石下桩土衙载分担比 前人研究表明，土体的性质对土拱效应有一定的影响。土体内摩擦角越大， 粘聚力越大，土拱效应越明显。不过，当土体粘聚力较小时，在桩体附近已经发 生绕流，土体屈服区域较大，不再形成土拱。l i 柚g 和z 岔4 5 1 曾针对不同的桩径、 s d 、土体内摩擦角及粘聚力条件下，对土拱效应进行了大量的二维有限元计算， 并采用表格形式给出了各种情况下桩间土体的残余荷载分担比，来分析对土拱效 应的影响。 2 3 3 接触面性状对土拱效应的影响 张建勋f 2 4 等通过有限元程序p l a ) 【i s 模拟桩土界面特性对土拱效应的影响，用 桩土界面强度折减因子r i 。( 。= 0 为接触光滑，r m 。f 1 为接触完全粗糙) 和 桩的荷载分担比例作图分析，无论是砂土还是粘性土，桩的界面越粗糙，越有利 于桩土摩擦力发挥，越有利于位移土体内部产生不均匀位移的剪切力发挥，产生 土拱效应。 2 3 4 土体蠕变对土拱效应的影响 当土体具有蠕变特性时，随着时间的增长，土拱效应会有一定程度的减弱【舶l 。 土体蠕变特性在均布力施加及施加后一较短时间内，使桩间土拱效应远比正 常土层的桩间土拱效应要弱得多，但桩土相对位移却大得多。随着时间的增长， 伴随着桩土相对位移增大的同时，桩的荷载分担比也缓慢增大，表明由于土体的 蠕变，土体位移较大，桩身受力较大，较容易产生整体失稳破坏。同时可以得出 结论：在土体发生蠕变的情况下，工程实际的桩间距不能太大。 2 3 5 双排桩对土拱效应的影响 深基坑双排围护桩支护结构中，由于前后排桩间土体在前后排桩作用下发生 第二章桩间土拱效应 土拱效应，显然，双排桩排距对土拱效应有着一定的影响。 针对双排桩支护结构前后排桩不同的布置方式，其对桩问土拱效应的影响机 理和影响强弱程度不同。前排桩问土拱效应相对较弱，较不明显，后排桩问土拱 效应相对较强，较明显。根据最常用的前后排桩矩形排列和梅花形排列，桩排距 对土拱效应的影响分析如下： ( 1 ) 前后排桩矩形排列 随着前后排桩排距的逐渐增大，对于砂质土层，前后排桩问土拱效应逐渐增 强，前排桩问土拱效应先减弱，后慢慢增强，后排桩间土拱效应先略为增强，后 慢慢减弱；对于粘性土层，随着双排桩排距增大，排桩间土体和前排桩间土体拱 效应逐渐增强，后桩问土拱效应慢慢减弱。 ( 2 ) 前后排桩梅花形排列 前后排桩梅花形布置，随着排距的逐渐增大，对于砂质土层，桩间与前后排 桩间土拱效应变化均不大，总体上是先略减小，后略增强；对于粘性土层，随着 排桩问土拱效应的逐渐增强，前排桩土拱效应逐渐增强，后排桩间土拱效应逐渐 减弱。 综上，前后排桩矩形、梅花形排列，随着前后排桩排距的增大，土拱效应总 体变化相似。 河海大学申请硕士学位论文 第三章深基坑双排围护桩支护结构受力分析 3 1 概述 双排围护桩结构是一种新型的支护结构形式，从结构上分析，双排围护桩如 同嵌入土中的门式框架，与单墙悬臂结构、多支点混合支护结构、重力式挡土结 构等受力特征有明显差异。本章在总结学习已有的双排围护桩支护结构计算方法 的基础上，以桩土结构中客观存在的土拱效应为切入点提出计算模型，以求对双 排围护桩结构的受力分析更加符合实际。 3 1 1 双排围护桩支护结构布桩形式 双排围护桩支护结构从平面上分析，常采用如下的排列布桩形式，如图3 1 所示，双排围护桩剖面图如图3 2 所示： 爹 层摩 口) 之+ 字形市首( b ) 7 丁。字形植【c ) 三角形布置 辩瓣燃 ( c d i 锄相 ( e 】拇花形相 圈3 i 双捧怔 ； 用布桩形式 其中常用的为梅花形和矩形布桩形式，另外还有双三角形式、单拱式、连拱 式等。前后排桩也可采用不同的桩径组合，不同材料组合，不同插入土中深度等 以适应不同条件和需要。 按后排桩是否连续，双排桩在类型上也可以分为连续的双排桩，如图3 1 ( d ) ， 非连续的双排桩，如上图3 1 b ，c 等。双排围护桩结构桩间距一般取1 5 桩径， 前后排桩排距与桩径关系密切，排距一般取1 5 d 6 d 为宜，d 为桩径。 双排围护桩支护结构特点： ( 1 ) 结构刚度大，位移小，施工简便； ( 2 ) 单排悬臂式支护结构不能支护的深基坑，以双排悬臂式围护桩支护， 位移不大； ( 3 ) 节约锚杆、支撑等材料及施工工期； ( 4 ) 挖土一边只将前桩露出