（岩土工程专业论文）深基坑带撑双排桩支护结构性状分析.pdf

浙江大学申请硕士学位论文摘要漾基坑带撑双排桩支护结构性状分析 深基坑带撑双排桩支护结构性状分析 摘要 双排桩支护结构目前在实际工程中已经得到广泛运用，但对其性状的研究都 针对悬臂双排桩结构，对带撑式双排桩性状的研究尚不多见。本文采用平面应变 有限元法对带撑式双排桩支护结构的性状展开了较深入的研究，并提出了一个基 于弹性抗力法的实用计算方法。主要工作如下： 1 总结了目前基于弹性土抗力法的悬臂双排桩支护结构常用计算模型，分 别编制了平面杆系有限差分法计算程序，以某实际工程为算例，比较了这些模型 之间计算结果的差异，通过与实测数据的对比，提出了较为合理的模型，并对悬 臂双排桩支护结构的诸多影响因素进行了计算分析，所得结论对双排桩支护结构 的优化设计有参考价值。 2 介绍了平面应变有限元法的基本理论，通用有限元程序a n s y s 的基本功 能和程序验证，以及应用a n s y s 软件进行基坑带撑双排桩支护结构有限元计算的 关键技术。 3 介绍了带撑双排桩支护结构在某实际工程中的应用，利用a n s y s 计算软 件对带撑式双排桩支护结构进行了二维弹塑性分析。进一步分析了后排桩长度、 后排桩问距、前后排桩的排距、被动区土体加固、连梁刚度、支撑刚度等因素的 影响，进而总结出桩侧土压力的分布规律。 4 根据平面应变有限元法总结的土压力分布规律，基于弹性抗力法，提出 了一个新的带撑式双排桩支护结构的实用计算方法，通过对某工程实例的计算结 果与实测数据的对比，验证了本文所提方法的合理性。 关键词：带撑双排桩支护结构；土压力：平面应变有限元法；弹性抗力法；计算 方法 新汀夫学申请硕十学位论文摘要深基坑带撑双排j = ! _ 支护结构性状分析 s t u d yo nb r a c e dr 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 w p i l e s a b s t r a c t r 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 sh a sb e e nw i d e l yu s e di nd e e p e x c a v a t i o n h o w e v e r , t h es t u d i e so nt h e i rb e h a v i o r sh a v eb e e nm o s t l yc o n c e n t r a t e d o nc a n t i l e v e rs t r u c t u r e n l er e f e r e n c e so nb r a c e dr 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 w p i l e sh a v eb e e nr a r e l yr e p o r t e d ，t h i sp a p e ri sc o n c e r n e dw i t ht h em e c h a n i c a la n d d e f o r m a t i o nb e h a v i o r so ft h eb r a c e dr 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 sb v2 d f e m am o d e lb a s e do nb e a m s p r i n gm o d e l si sp r o p o s e df o rt h ed e s i g no fr e t a i n i n g s t r u c t u r et h em a i nw o r ki n c l u d e s ： 1 a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n tc a l c u l a t i n gm o d e l so fc a n t i l e v e rr e t a i n i n gs t r u c t u r e w i 血d o u b l e 。r o wp i l e st h a tb a s e do nb e a m s p r i n gm o d e l s f i n i t ed i f i e r e n c em e t h o d p r o g r a m sa r ed e v e l o p e dr e s p e c t i v e l y t h ea p p l i c a t i o no ft h es t r u c t u r ei n a c a s ei s i n t r o d u c e d t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h ec a l c u l a t e dr e s u l t sb yt h o s em o d e l sa r e c o m p a r e d b a s e do nt h eo b s e r v a t i o nd a t a , t h em o s tr e a s o n a b l em o d e li sp r e s e n t e d a n d s o m ei n f l u e n c i n gf a c t o r sh a v eb e e na n a l y z e d 7 f h ec o n c l u s i o n sa r ev e r yh s e f u lf o r o p t i m u md e s i g no f t h ec a n t i l e v e rr 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 2 7 t h eb a s i ct h e o r yo ft h ep l a n es t r a i nf e mi si n t r o d u c e d t h ef u n c t i o n s ， p r o g r a mv e r i f i c a t i o no fs o f t w a r ea n s y sa n dt h ek e y p r o c e s s e so ft h en u m e r i c a l e x p e r i m e n t sf o re x c a v a t i o n si nw h i c hb r a c e dr 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 a r ea p p l i e da r ea l s od e s c r i b e d 3 t h ea p p l i c a t i o no ft h eb r a c e dr 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 si na c a s ei si n t r o d u c e d t h eb e h a v i o r so ft h es t r u c t u r ea r ea n a l y z e db v2 df e m t h e c o n s t i t u t i v eb e h a v i o ro fs o i li se l a s t o p l a s t i c t h ee f f e c t so ft h el e n g t ho fb a c k r o w p i l e ，b a c k r o wp i l es p a c e ，d i s t a n c eb e t w e e nt h et w or o w so fp i l e s ，r e i n f o r c e m e n to f t h es o i l ，t o pb e a ms t i f i n e s s ，b r a c es t i f f n e s sh a v eb e e na n a l y z e da sw e l l t h e d i s t r i b u t i o no f t h ee a r t hp r e s s u r ea g a i n s tt h er e t a i n i n gs t r u c t u r eh a sb e e nd e r i v e d 4 a c c o r d i n gt ot h et h e o r e t i c a ld i s t r i b u t i o no ft h ee a r t hp r e s s u r e ，am e t h o db a s e d o nb e a m s p r i n gm o d e l si sp r o p o s e df o rt h ed e s i g no fb r a c e dr e t a i n i n gs t r u c t u r ew i t h d o u b l e r o wp i l e s f i e l dm e a s u r e m e n t so fd e f o r m a t i o n sf r o mt h ee x c a v a t i o nc a s ei n h a n g z h o up r o v i d ea no p p o r t u n i t yt oa c c e s st h ev a l i d i t yo ft h em o d e l k e yw o r d s ：b r a c e dr 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 ；e a r t hp r e s s u r e ；p l a n e s t r a i nf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；b e a m s p r i n gm o d e l ；c a l c u l a t i n gm e t h o d l l 浙江大学申请硕士学位论文绪论深基坑带撑双摊桩支护结构性状分析 1 1前言 第一章绪论 随着城市建设的发展，地面空问愈加紧张，地下空问的利用受到了越来越多 的重视，诸如高层建筑地下室、地下铁道及地下车站、地下车库以及其他各种地 下民用和工业设施日益增多。 在我国的大中城市，近年来高层和超高层建筑发展迅速，这些高层建筑多有 较深的地下室，有的平面尺寸已达数万平方米，深度最深达2 6 6 8 米，大量深基 坑工程的出现，促进了设计计算理论的提高和施工工艺的发展，通过大量的工程 实践和科学研究，逐步形成了深基坑工程学这一新的学科。 基坑工程是基础工程旄工中的一个古老的传统课题，同时又是还未得到很好 解决的岩土工程问题之。从最早的放坡大开挖，到后来由于场地限制而设计附 加结构体系的开挖支护系统，基坑工程有土力学的经典课题变成一个重要的基础 工程课题。基坑工程及设计土力学典型的强度与稳定问题，又包含了变形问题， 同时还涉及到土与支护结构的共同作用。对这些问题的人士及对策的研究，是随 着土力学理论、计算分析技术、测试仪器以及施工机械、旌工技术的进步而逐步 完善的。 上世纪2 0 年代，太沙基f r e u a g h i ) 的土力学和工程地质学的先后问 世，标志着本学科走向系统和成型，带动了各国学者和工程技术人员对本门学科 和技术的各个方面的探索、深入和提高。4 0 年代t e r z a g h i 和p e c k 等人就提出预估 挖土方稳定程度和支撑荷载大小的总应力法。这一理论原理一直沿用至今，只不 过有了许多改进和修正。5 0 年代b j e r r u m 和e i d e 给出了分析深基坑底板隆起的方 法。6 0 年代开始在奥斯陆和墨西哥城软粘土深基坑中使用仪器进行监测，此后的 大量实测资料提高了预测的准确性，并从7 0 年代起产生了相应的指导开挖的法 规。北京7 0 年代初建成了深2 0 m 的地下铁道区间和东站深基坑。改革开放后， 我国经济建设高速发展，从而带动土木建设的发展使得深基坑工程得到了空前的 重视和发展。 实践表明，基坑工程这个历来被认为是实践性很强的岩土工程问题，发展至 今，己迫切需要理论来指导、充实和完善。经典的土力学已不能满足基坑工程的 需要，考虑应力路径、卸荷作用、土体各向异性、土体流变性、士的扰动、土与 结构共同作用等的计算理论以及有限元理论和系统工程等软科学逐渐应用到基坑 工程中来，逐渐形成一门专门的学科基坑工程学。 浙江大学申请顾十学位论文 结论深基坑带撑玻排桩支护结构性状分析 随着施工技术的发展，在基坑开挖工程中出现了多种形式的围护结构。以往 应用的较多的是钢板桩或拉锚板桩，但近年来各种围护型式不断出现，例如钢筋 硷板桩、旋喷桩、水泥搅拌桩、树根桩、钻孔灌注桩、地下连续墙，并且有向多 种围护型式联合使用的发展趋势，杭州广利大厦的地下室围护工程( 2 0 0 4 ) 便是 例。各种围护型式各有所长，应根据各工程特点因地制宜地选用。 双排桩门架式支护结构( 简称双排桩支护结构) 是基坑工程中常用的一种支 护型式，它由前、后两排平行的钢筋混凝土桩以及服顶梁、前后排桩桩顶之间的 连粱( 或板) 形成类似门架的空间结构( 见图1 - 1 ) 。与单排桩悬臂式支护结构相 比，双排桩支护结构具有更大的侧向刚度，可以明显减小基坑的侧向变形，因而 支护的深度一般也更大，在一些实际工程中已经取得了较好的效果。 连粱 启排桩( 基垸外 前诽槛基坑内锄 图1 - 1 双排桩支护结构示意圈 1 2 侧向受荷桩研究综述 基坑开挖过程中支护桩的变形主要是由桩侧土压力以及坑后超载导致土体侧 向变形引起的，此时支护桩属于“被动桩”范畴。所谓被动桩，是指桩基不直接 承受外荷载，只是由于桩周土体在自重或外荷载作用下发生变形或运动而导致受 力和变形受到影响。 侧向受荷桩是由于受到外来荷载如波浪力、风力、震动力、船舶的撞击力以 及车辆荷载的制动力等使桩承受较大的横向荷载，因此属于主动桩的范畴。尽管 侧向受荷桩和基坑支护桩属于不同的范畴，但二者的内力和变形的分析方法是相 似的。侧向受荷桩的研究成果值得在基坑工程中借鉴。 一、经验方法 m a r e h e 和l a c r o i x ( 1 9 8 0 ) 根据f r a n x 和b o o n s t a ，h c y m 瓶和b 0 c s m a ，h e y m a n ， 2 浙江大学申请硕士学位论文 绪论深基坑带撑双捧桩支护结构性状分析 l e u s s i n k 和w e n z ，n i c u 等报道的工程资料以及其它工程资料，建立了桩顶水平位移 和路堤竖直沉降之n a b , i 艿) 与桩相对柔度& l 4 脚的经验关系曲线，为土的不排水 抗剪强度，工为桩长，按嵌固点计算。结果表明，比值随被动桩柔度的增加而增加。 o t e o ( 1 9 7 4 ) 在h e y m m a 和b o e s m a 和h e y m a n 观测资料基础上提出了桩最大弯矩 和桩顶反力的关系曲线，j 】i 厶。= 埘厶，其中m 是0 - 3 o 5 的常数。1 9 7 7 年，他 又给出了无量纲最大桩弯矩；m 。砌耐e ) 与相对桩k h 。他的关系图，叩是考虑 桩离土堤距离和土堤形状的系数。s t e w a r t i x ( 1 9 9 3 ) 分别建立了归一化最火弯矩、归 一一化桩项水平位移与桩土相对刚度关系图及计算最大弯矩、最大桩头水平位移的 拟合关系式，即： 等= a l 芦) “ ( 1 - 1 ) 5 - n l 5 q 羞吗c 秒 m ：) 经验公式或图表法虽然比较直观、简便地求出桩的最大弯矩和水平变位，但 由于统计资料有限，考虑因素单，误差较大，很难在工程得到普遍应用。 二、压力法 压力法主要是根据弹性理论或实测土压力资料，对作用在桩的压力作比较合 理的假定，然后给出桩的变形方程和土体的变形方程，根据桩一土交界面处位移 相容条件进行求解。 1 b e g e m a n n 和d e l e e u w 法 b e g e m a n n 和d e l e e u w ( 1 9 7 3 ) 将土体表面的条形均布荷载进行傅立叶余弦变 换，用应力函数法推导出了土体中任意点的水平应力和位移。然后将桩等效为弹 性薄板墙并将沿桩身分布的土压力进布了平均后作用在桩上。当桩完全柔性时， 桩上下端由于受支撑不发生侧向位移，其他部位的变形与桩所处的土体变形相同， 桩不承受土压力作用；当桩完全刚性时，桩不发生变形，这时桩受到两倍的土压 力作用。而实际上，桩是有剐度的，因此桩上的平衡状态就是桩变形到某个位置 后，土体不再进一步施加压力，另一方面在该压力下，桩达到该位移水平。绘出 土层中点处的相容图1 2 ，用无桩时的平均水平应力和土层中点处的士体位移( 最大 位移1 确定a b 线，a 点表示受有两倍的弹性水平应力、无位移的剐性墙，b 点表示 不受水平应力、位移等于自由土体位移的柔性桩。o c 表示在均布荷载下桩的变 形，简单假定桩端固定。两条直线的交点就是桩和土位移相容时的解， 从此可以计算出最大弯矩。 3 塑望点鲎生算壁兰：鲎算蝗文 绪论 深基坑带撑双排桩支护结构性状分析 2 0h 0 水平位移 y 。 圈卜2b e g e 目n a n n 和d el e e u w 方法 2 d e b e e r 和w a l l a y s 法 d e b e e 和w a u a y s ( 1 9 8 0 ) 根据土堤安全系数提出桩的最大弯矩计算为一法。安全 系数大于1 6 时，作用于软土层范围桩上水平压力为p h = t l y h ，折减系数可按下式计 算 竹曩壁二壁! 三 玎2 一妒2 f 1 3 、 参数意义如图1 3 ( a ) 所示，晟不利的情况为垂直土堤，水平土压力等于地面荷 载。按桩顶固定，桩尖进入硬土层计算桩的最大弯矩，不能得出弯矩分布，该法 计算的最大弯矩与实测值结果很吻合。当安全系数小于i 6 时，首先确定考虑在桩 抗滑作用下的最危险滑动面，假设以桩和滑弧交点为界，桩受方向相反的极限土 压力( r a i i d o l p h 和h o u i s b y ( 1 9 8 4 ) 认为等于1 0 5 s u ) 作用。d e b e e r 和w a l l a y s 认为桩绕桩 底转动，根据力平衡条件来确定桩的有效深度( 在其以下桩不受荷载作用) ，再 利用这样得出的土压力分布计算桩的最大弯矩。该法假设当安个系数小于1 6 时， 极限土压力才出现，可能会引起较大的误差，严格意义来说只当安全系数等于1 时才完全正确。 _ 矧p h 硝。 软士 图1 - 3 a 安全系数大于1 6图1 - 3 b 安全系数小于16 4 澌扭人学申请硕士学位论文绪论深基坑带撑取排柱 ；支护结构性状分析 3 t s c h e b o t a r i o f f 法 t s c h e b o t a r i o f f ( 1 9 7 3 ) 认为作用于软土层内桩上土压力呈三角形分稚从而提出 了套计算方法。侧向压力的最大值最初按下式计算 只f ) = 2 k o y h ( 1 - 4 ) 后来根据n i e u 等( 1 9 7 1 ) 的现场资料，修改为 只f m a x l 。k o a c t( 1 5 ) 其中a o 为计算的桩处软十层中点的竖向应力增量。t s c h e b o t a r i o f f 建议当上堤衙 载小于3 时，桩侧向压力可忽略不计。 三、地基反力法 地基反力法已广泛用于桩的分析中。m a r c h e ( 1 9 7 3 ) 使用该法分析了土体侧向 位移引起荷载的桩，与p o u l o s ( 1 9 7 3 ) 的弹性方法不同，尽管合适的地基模量可以反 映共同作用，但不直接考虑地基的连续性。控制方程为： 等“( y p - y ，) ( 1 6 ) 其中女为地基反力模量。利用现场实测土体自由位移和考虑地基性状随深度变 化，该法的计算结果和实测值非常吻合。m a r c h e 和s c l m e e b e r g e r ( 1 9 7 7 ) 进行类似分 析，用弹性理论计算土体自由位移时，考虑了上的不均质性和各向异性，也得到 与实测结果非常一致的结果。 我国规范中常用“搠”法计算地基反力模量，即 一m z( 1 - 7 ) 式中：z 计算点深度； 所地基水平抗力比例系数。 1 。3 双排桩支护结构研究现状 对双排桩支护结构的工作机理，一些学者已经进行了比较深入的研究，其中 较多采用的是把围护桩、连梁和土体分别离散的平面应变有限元法，得出不少对 工程有指导意义的结论，但由于所采用的计算参数与实际工程并不一致，参数的 确定比较困难，参数变化对分析结果影响很大，目前这种方法只限于定性分析， 还无法作为实际工程的设计计算方法。 弹性抗力法和极限平衡法是我国建筑行业规程规定的支护结构计算方法，采 用前者既可计算支护结构的内力，又能粗略地考虑支护结构与土的相互作用，从 而可估算支护结构的水平位移，因此在支护结构设计计算中得到了广泛的应用， 5 浙扛大学申请硕士学位论文绪论 深肇坑带撑双排桩支护结构性状分析 相关参数的选取也积累了足够的经验。 1 方法一：平面应变有限元法 蔡元强( 1 9 9 6 ) 对于软粘土地基基坑双排支护桩提出了计算模型和基本假定： ( 1 ) 按平面应变考虑，利用对称性进行分析； ( 2 1 基坑开挖属于临时性设施，故开挖期间土体按不排水条件考虑，泊松比取 为0 4 9 ： ( 3 ) 土体采用八节点等参元，连系梁及桩假设为弹性梁单元，不考虑桩和土可 能发生的滑移； ( 4 ) 土体的初始应力按静止土压力计算，不考虑开挖以前打桩引起的土体原位 应力和性状的改变； ( 5 ) 开挖过程按分步增量法模拟，每个单元的初始杨氏模量根据初始应力计 算，随后根据应力状态的变化再作相应调整。并采用d u n c a n z h a n g 模型并利用分 步增量法模拟开挖过程，计算每一阶段的开挖荷载。 王湛( 2 0 0 1 ) 提出了一个新的计算模型，即将前、后排桩及桩问土视力一个整体； 前排桩受主动土压力，基坑深度以下的后排桩受被动土压力，并进行了桩接触面 一土的非线性分析，提出了一些具有参考价值的结论。 俞建霖( 2 0 0 4 ) 、汤翔宇( 1 9 9 5 ) 、邓小鹏( 2 0 0 2 ) 都对双排桩进行了平面应变有限 元分析，同时得出了很多研究成果。 2 方法二：杆系有限元法 连系粱 后排桩f 前排桩 e 2f =e 1 = p j i ，- m m m “ m m “ m “ ha “ 图1 - 4 双排桩弹性抗力法计算模型 浚方法按文克尔假定的计算模型以结构力学中门式刚架分析基本方法为基 础，考虑桩与土的共同作用，见图1 4 。图1 4 将双排支护桩分割成前、后排桩及连 系粱三部分。前排桩在桩背土压力e 。、连系梁作用力及开挖面以下土体弹性支撑 下工作；后排桩则在桩背土压力e 2 、连系粱作用力及开挖面以下土体弹性支撑f 工作。这样，一旦确定e 1 、e 2 及地基土水平基床系数( 我国工程界常用m 法) 后， 按弹性地基梁及结构计算中的力法，分别建立前、后排桩侧向受载下的微分方程， 6 浙江大学申请硕士学位论文绪论 深慕坑带捧双持桩立护结构林状分析 引入桩端不能承受集中剪力和集中弯矩的边界条件，同时利用前、后排桩j 连系 梁连接部位的变形协调及内力关系、联合求解桩项内力与位移，进而得到整个双 排桩的解。 潘秋元等( 1 9 9 5 ) 基于这种方法提出了作用在前后排桩桩背的土压力模型，建立 这种结构与土共同作用的模型，并编制了程序。然后，利用该程序，对各种影响 因素进行分析、比较，提出了一一些有利于工程设计的建议。 曹俊坚、平扬、朱长岐等( 1 9 9 9 ) 就是以此计算模型为基础，在考虑圈粱空问作 用的前提下，对一般双排桩结构提出了计算方法，在理论上丰富了双排支护桩的 计算理论。同时，还考虑了空间效应，假定基坑转角处影响宽度以内的土压力为 抛物线分布。如图1 5 所示 7t，tti blb 一，t 图l 一5 土压力平面分布 平扬等( 2 0 0 1 ) 在总结前文计算方法的基础上，利用实测资料反分析，对深基坑 双排桩空间协同计算理论进行修正，通过结果反分析使计算理论更为完善，计算 结果更准确。 王子辉( 2 0 0 2 ) 以该模型为基础结合工程实例介绍后排非连续双排桩的设计方 法、应用条件、应注意的问题。这种支护结构的优越性表现在：不仅具有较大的 抗侧移刚度，在桩的数量上比连续双排桩少1 4 以上。降低了造价，缩短了工期： 在施工工艺上，省去锚杆，施工程序简单比拉锚排桩质量易于保证。 3 方法三： 该法由何颐华等( 1 9 9 1 ) 提出，其计算基本假定：( 1 ) 将前后排桩与桩顶连系梁 看做+ 个底端嵌固、顶端为直角刚结点的刚架结构；( 2 ) 连系梁为没有变形的绝对 刚体；( 3 ) 基坑开挖后，在土压力作用下，连系梁不产生转角只能平移，并且前后 排桩在连系梁标高处的水平位移相等。根据不同的双排桩排列情况，可分别求得 作用的士压力。然后根据变形协调原理和静力平衡法求出双排桩的内力和变形。 4 方法四： 黄强( 1 9 9 9 ) 提出了该计算方法，该法要点如下： 双排支护桩由于后排桩的存在，改变了土体剪切破坏面，因而土压力分布与 无后排桩的情况是不同的，如图1 - 6 两者相同之处；土体均为剐塑性体、并均不 考虑土体与桩问的摩阻力；主动土压力均按极限平衡原理计算：两者不同之处： 剪切破坏面不同，由于后排桩的影响将使剪切角n 发生改变：桩排距对t 1 值的影 7 浙江大学申请硕士学位论文 绪论深基坑带撑职排桩支护缩构性状分析 响而导致主动士压力的变化影响是显著的。 豳双摊桩强b 单撵桩 图1 - 6 单排桩与双排桩土体受力图 5 方法五： 张弘( 1 9 9 3 ) 提出了该计算方法，该方法采用极限平衡法，提出作用在前、后排 桩桩前、桩背土压力。采用静力平衡法计算出前后排桩的内力。其要点如下： ( 1 ) 考虑双排桩的整体刚度及其对土体的约束作用，近似地将桩间视为受侧 向约束的无限长弹性土体，故作用于前排桩背的土压力s 吖为： = # 生 ( 1 8 ) 1 一“ 式中e o 、“为土的变形模量、泊松比。 桩前土对桩的侧向抗力一般按被动土压力考虑。当按动土压力全部发挥( 即土 处于塑性极限平衡态1 时，土的变形将很大，而为工程不允许。因此，实际土对桩 的侧向抗力介于静止土压力与被动土压力之间。为方便计算，通常对被动土压力 予以折减： p ，= k i 邙= k i ( y z k p + 2 c 坼) ( 1 - 9 ) 式中硒按动土压力折减系数，它是桩土变形的函数，一般取0 5 0 7 。 ( 2 ) 后排桩前的侧向抗力亦按式( 1 9 ) 考虑。桩背背土压力的大小取决于桩的侧 向位移，出于双排桩的刚度较大，因此假定后摊桩土位移仍处在弹性范围内，即 桩背侧向土压力( 称为弹性土压力) 介于静止土压力e o 与主动土压力e 。之间，即： e a = k 2 ( t z k , + 2 c 、q )( 1 - 1 0 ) 式中k 2 按动土压力折减系数，一般取1 1 1 2 。 1 4 本文主要工作 从上述双排桩支护结构的国内外研究现状的综述中可以发现，尽管对双排桩 支护结构的计算分析方法很多，但总的看来有以下几个特点：( 1 ) 国内关于作用在 8 浙江大学申请硕士学位论文绪论深摹坑带撑般排桩支护结构性状分析 前、后排桩上的土压力模型，有很多种说法，而虽各种方法都各有各自的道理， 但每种方法都是需要一定的假定条件，并不能真实地反映深基坑双排桩支护结构 的受力形状；( 2 ) 尽管目前带撑双排桩支护结构已经在基坑工程中得到了成功的应 用( 陈东等( 2 0 0 4 ) ) ，但对于带撑双排桩支护结构受力性状的报道比较少，如何合 理的描述支撵对双排桩支护结构以及桩间土、桩后土体的影响更少有报道。 根据目前深基坑双捧桩支护结构的研究现状和工程的实际需要，从理论和实 用两个角度出发，本文主要完成了以下几方面的工作： ( 1 1 分析目前国内常用的悬臂双排桩支护结构计算模型，并根据上述模型，考 虑前、后排桩的变形协调，假定连梁与前、后排桩桩顶连接均为刚接，编制了有 限差分法程序，对某一工程实例进行分析，得出的结果与实测资料对比，找出一 种最合适的计算模型并以该工程实例作为参考算例，进一步研究桩顶连接条件、 后排桩长度、后排桩桩间距、桩排距、被动土和排桩的桩问土加固、连粱刚度等 因素对支护结构内力和变形的影响。 f 2 ) 介绍了平面应变有限元法的基本理论，通用有限元程序a n s y s 的基本功能 和程序验证，以及应用a n s y s 软件进行基坑带撑双排桩支护结构有限元计算的关 键技术。 ( 3 ) 将平面应变有限元法应用于深基坑带撑双排桩结构的研究，采用有限元计 算软件a n s y s 对某工程实例进行分析，得出桩身变形、前、后排桩桩侧的土压力， 坑外地表沉降和坑底隆起量，总结出前、后排桩桩背土压力的分布规律；并以该 工程实例作为参考算例，进一步研究支撑刚度、后排桩长度、后排桩桩间距、桩 排距、被动土加固、连梁刚度等因素对土压力和土体位移的影响；同时，还对悬 臂式双排桩支护结构算例进行平面有限元分析，比较了带撑和悬臂双排桩结构土 压力分布的差别。 ( 4 ) 把平面应变有限元法分析的土压力规律应用到杆系有限差分法中，提出了 一个适合带撑双排桩支护结构计算的实用计算方法，该方法能考虑内支撑对桩间 土体抗力分布范围的影响，考虑前、后排桩的变形协调，假定连梁与前、后排桩 桩顶连接均为刚接，考虑支撑设置和拆除等实际施工工况的影响，并编制了计算 程序，对某工程实例进行分析，计算结果与实测资料的对比验证了该方法的合理 性。 9 浙江大学申请硕七学位论卫 第璋潦桀坑带撑粳律桩立护结构性状分机 第二章悬臂双排桩支护结构计算方法比较 及性状分析 2 1 概述 双排桩门架式支护结构( 简称双排桩支护结构) 是基坑工程中常用的一种支 护型式，它由前、后两排平行的钢筋混凝士桩以及压顶梁、莳后排桩桩顶之间的 连粱( 或板) 形成类似门架的空问结构，在基坑深度不是特别大时，通常不设撑 锚体系雨采用悬臂式。与单排桩悬臂式支护结构相比，双排桩支护结构其有更大 的侧向刚度，可以明摄减小基坑的侧向变形，因而支护的深度一般也更大，往 些实际工程中已经取得了较好的效果( 龚晓南( 1 9 9 8 ) ) 。对双排桩支护结构的工作机 理，俞建霖( 2 0 0 4 ) 、蔡袁强，阮连法( t 9 9 9 ) 、潘旭亮( 2 册4 ) 、邓小鹏等( 2 0 0 2 ) 已经进 行了比较深入的研究，其中较多采用的是把围护桩、连粱和士体分别离散的平面 应变有限元法，得出不少对工程有指导意义的结论，但由于所采用的计算参数与 实际工程并不一致，参数的确定比较困难，参数变化对分析结果影响很大，目前 这种方法只限于定性分析，还无法作为实际工程的设计计算方法。 弹性抗力法和极限平衡法是我国建筑行业规程( 1 9 9 7 ) 规定的支护结构计算方 法，采用自i 者既可计算支护结构的内力，叉能靼略地考虑支护结构与_ ! 二的相互作 用，从而可估算支护结构的水平位移，因此在支护结构设计计算中得到了广泛的 应用，相关参数的选取也积累了足够的经验。弹性抗力法用于计算坝排桩支护结 构时，由于假设作用在i j 订、后捧桩l 的土压力以及前、后排桩土抗力作用深度范 围的不同，形成了不同的计算模型，而规程中并设有相关内容的条文规定，因此 造成_ 设计者在选择双排桩支护结构计算方法时的困惑。关于常用模型之间计算 结果的差异，尚没有相关的研究成果见报道。 奉章总结了基于弹性土抗力法的双排桩支护结构常用计算模型，分别编制了 平面杆系有限差分法计算程序，介绍了双排桩支护结构在菜实际工程中的应用， 比较了这些模型之问计算结果的差异，通过与实测数据的对比，提出了较为合理 的模型，并对双排桩支护结构的诸多影响因素进行了计算分析。 2 2 常用的弹性抗力法计算模型 张弘( 1 9 9 3 ) 提出基坑开挖后，支护结构向基坑一侧发生水平位移，后排桩的桩 背十压力。将从静止压力逐渐向主动土压力发展；前、后排桩的桩问土受两排 背土压力，将从静止压力逐渐向主动土压：j j 发展；前、后排桩的桩问土受两排 浙江大学申请硕士学位论文第二章深基坑带撑双排桩支护结构性状分析 第二章悬臂双排桩支护结构计算方法比较 及性状分析 2 1 概述 双排桩门架式支护结构( 简称双排桩支护结构) 是基坑工程中常用的一种支 护型式，它由前、后两排平行的钢筋混凝士桩以及压顶梁、前后排桩桩顶之刚的 连梁( 或板) 形成类t 以f - j 架的空间结构，在基坑深度不是特别大时，通常不设撑 锚体系而采用悬臂式。与单排桩悬臂式支护结构相比，双排桩支护结构具有更大 的侧向刚度，可以明显减小基坑的侧向变形，因而支护的深度一般也更大，在一 些实际：工程中已经取得了较好的效果f 龚晓南( 1 9 9 8 ) ) 。对双排桩支护结构的工作机 理，俞建霖( 2 0 0 4 ) 、蔡袁强，阮连法( 1 9 9 9 ) 、潘旭亮( 2 0 0 4 ) 、邓小鹏等( 2 0 0 2 ) u 一经进 行了比较深入的研究，其中较多采用的是把围护桩、连梁和土体分别离散的平面 应变有限元法，得出不少对工程有指导意义的结论，但由f 所采用的计算参数与 实际工程并不一致，参数的确定比较困难，参数变化对分析结果影响很大，目前 这种方法只限于定性分析，还无法作为实际工程的设计计算方法。 弹性抗力法和极限平衡法是我国建筑行业规程( 1 9 9 7 ) 规定的支护结构计算方 法，采用前者既可计算支护结构的内力，又能粗略地考虑支护结构与士的相互作 用，从而可估算支护结构的水平位移，因此在支护结构设计计算中得到了广泛的 应用，相关参数的选取也积累了足够的经验。弹性抗力法用于计算双排桩支护结 构时，由于假设作用在前、后排桩上的土压力以及前、后排桩土抗力作用深度范 围的不同，形成了不同的计算模型，而规程中并没有相关内容的条文规定，因此 造成了设计者在选择双排桩支护结构计算方法时的困惑。关于常用模型之问计算 结果的差异，尚没有相关的研究成果见报道。 本章总结了基于弹性土抗力法的双排桩支护结构常用计算模型，分别编制了 平面杆系有限差分法计算程序，介绍了双排桩支护结构在某实际工程中的应用， 比较了这些模型之间计算结果的差异，通过与实测数据的对比，提出了较为合理 的模型，并对双排桩支护结构的诸多影响因素进行了计算分析。 2 2 常用的弹性抗力法计算模型 张弘( 1 9 9 3 ) 提出基坑开挖后，支护结构向基坑一侧发生水平位移，后排桩的桩 背土压力，将从静止土压力逐渐向主动士压力发展；前、后排桩的桩间土受两排 浙江大学申请硕士学位论文第：+ 章深基坑带撑双排桩支护结构性状分析 桩的制约，可近似认为其侧向应变为零，故前排桩的桩背士压力一般川按静止士 压力考虑。何颐华( 1 9 9 3 、1 9 9 6 、1 9 9 7 ) 则通过室内模型试验分析了双排护坡桩的内 力、变形和土压力分布特性，提出根据桩间滑裂土体在整个滑裂土体中所占的重 量比分配作用在前、后排桩上的土压力，并根据平面布桩形式列出了土压力计算 公式。对土压力的作用深度，则有整个桩长范围作用和开挖面以上范围作用两种 计算方法。 弹性抗力法采用连续布置且相互独立的七弹簧模拟桩前土体对桩的贡献，龚 晓南等( 1 9 9 8 ) 提出土抗力作用深度范围有两种不同意见：一种看法认为，无论前、 后排桩，土抗力都应该作用在开挖面以下深度；另一种看法是，前排桩士抗力作 用在开挖面以下深度，而后排桩则作用在朗肯主动滑裂面( 与水平面央角为 4 5 。+ c p 2 ，中为开挖面以上土的按层厚加权平均内摩擦角) 与后排桩的交点以下深 度。 根据作用在前、后排桩上的土压力以及前、后排桩土抗力作用深度范围的不 同，采用以下四个典型的双排桩计算模型进行比较。 模型1 ：前排桩在开挖面以上作用静止士压力，后排桩在开挖面以上作用朗肯 主动土压力，前、后排桩土抗力均作用在开挖面以下，计算简图见图2 - 1 ( a ) 。 模型2 ：前排桩桩背开挖面以上范围作用静止土压力，歼挖面以下作用在桩背 的土压力等于作用在桩背静止土压力与作用在桩前的静止土压力之差，后排桩桩 背全深度范围作用朗肯主动土压力，前排桩土抗力作用在开挖面以下，后排桩土 抗力作用在朗肯主动滑裂面与后排桩的交点以下，计算简图见图2 1 ( b ) 。 模型3 ：阿、后排桩土抗力作用范围同模型2 ，桩背土压力按何颐华( 1 9 9 3 、1 9 9 6 、 1 9 9 7 ) 的假定，即前、后排桩桩背总土压力为沿后排桩全深度分布的朗肯主动土压 力，用桩间滑裂土体占整个滑裂土体的重量比n 来分配前、后排桩的土压力，计 算筒图见圈2 1 ( c ) 。 模型3 中前排桩桩背：t 压力： 。a c t ( 2 - l a ) 后排桩桩背土压力： p a , = ( 1 一, o o o ( 2 - i b ) 其中：口一( 2 x l 0 ) 一吲l 0 ) 2 ，吼为计算深度的朗肯主动土压力强度，为排 距，工。为主动滑裂面与坑外地面的交点至坑壁的水平位移。 模型4 ：考虑到桩前土体的土压力前排桩桩背开挖面以上范围作用静止土压 力，开挖面以下作用在桩背的土压力等于作用在桩背静止土压力与作用在桩前的 静止土压力之差，后排桩桩背开挖面以上范围作用朗肯主动土压力，开挖面以t - 作用在桩背的土压力取开挖面深度处的朗肯主动土压力：前排桩土抗力作用在开 浙江大学申请硕士学位论文第二+ 章深基坑带撑双摊桩支护结构性状分析 挖面以下，后排桩土抗力作用在朗肯主动滑裂面与后排桩的交点以下，计算简图 见图2 1 ( d ) 。 ：i oao 仁 r ? 。r 。一 删 l m 、 m ，? 蠢 * g e m 二 m匕 筐 me m 卜 一匡 me m =。、| 磐 蠹灌匡 l 一苣 筐 匡 乒 ( b ) 梗登2 i j 0 o 西0 ( c ) 模型3 ( d ) 梗囊4 圈2 - i双排桩支护结构典型计算模型 地基水平基床系数取沿深度线性增加的“m ”法分布，即： 蚝一棚z 式中：z 计算点深度； i t l 地基水平抗力比例系数。 对于密排的排桩墙，用等效刚度法简化为单位宽度的连续墙。 的厚度h 为： ht o 8 3 8 d 水舰 其中：d 排桩的单桩直径； 6 k 同一排桩的相邻桩中心间距。 ( 2 2 ) 则等效连续墙 ( 2 - 3 ) 浙江大学申请碰士学位论文第二章 深基坑带撑取排桩支护结构陲状分析 2 3 工程实例 一、工程概况： 浙江新世纪广场工程设一层地下室，基坑平面形状接近矩形，平面尺寸约为 1 6 0 m 1 0 0 m 。基坑设计开挖深度为4 6 5 m - - 6 3 5 m ，基坑东侧距离城市地下河道约 2 0 m ，南侧距离煤气管道约9 m ，西侧距离既有建筑物游泳馆最近约8 m ，基坑北 侧场地开阔。 晾疑淹 世界留马甲心 图2 - 2 基坑平面布置图 二、工程地质条件 基坑所在场地主要受力层的物理、力学指标详见表2 - l 。基坑开挖面附近为较 深厚淤泥质土层，对基坑的变形和稳定不利。 注：表中3 - 1 层土考虑采用水泥士加固后的地基水平抗力比倒系数m 取3 0 0 0 k n m 4 。 三、基坑围护方案 该基坑平面规模很大，深度不深，但地基土强度低，基坑局部靠既有建筑物 浙江大学申淆硕士学位论文 第二章渫基坑带捧双排桩支护结构性状分析 较近，周围环境对基坑变形在局部范围要求较高。设计采用双排0 4 2 6 m 赢径的振 动沉管灌注桩作为挡土桩，采用一排o 7 0 m 直径的双轴水泥搅拌桩作为基坑的防 渗止水帷幕。在基坑谣侧，为控制围护体变形，保证邻近建筑的安全，局部设胃 了一道钢筋混凝土内支撑，而其余各侧均为悬臂支护。 一一18 5 ：。一 j 丛 南蒜幽吲( i t 。 垡蚝v 删 图2 - 3 围护结构剖面圈 其中前排桩的间距根据开挖深度的不同，在0 8 1 o m 之问变化，桩长1 2 6 5 m ， 而后排桩间距则为1 5 倍的前排桩间距，桩长1 0 6 5 m ，前、后排桩之间通过1 8 5 2 m 0 5 0 m 的桩顶连粱连接成剐度较好的整体。另外，在西侧、南侧的中间范围的 被动区上体采用格栅状水泥搅拌桩进行加固。同时，为充分利用有利的场地条件， 控制悬臂支护范围的基坑变形，对基坑东侧及北侧采取了大面积卸土的措施。 2 4 计算结果比较 作者根据上述三个常用的双摊桩计算模型，考虑前、后排桩与连梁的变形协 调，假定连梁与前、后摊桩桩顶连接均为剐接，编制了有限差分法程序，选取位 于南侧悬臂支护范围的典型剖面( 图2 3 ) 进行计算。 图2 4 a 和图2 4 b 分剃为翁排桩和后排桩水平位移的计算结果。从冈中曲线可 以看出，四个模型的计算曲线形态接近，模型2 和模型4 数值接近，其余模型数 值有显著差异，无论是桩身位移或内力，都表现出模垄1 的计算结果最大、模型 3 最小；对于前排桩侧向变形曲线，模型1 与模型2 和模型3 曲线分别相交在3 m 、 5 m 深度附近，交点以上模型1 大于模型2 、3 的结果，交点之下模型1 的桩身变 1 4 浙江大学申请硕士学位论文第二章 深基坑带撑双排桩支护结构性状分析 形最小，模型1 前排桩的桩身侧移最小达到3 2 m m ；对于后排桩侧向变形曲线， 模型1 与模型2 和模型3 曲线分别相交在6