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城市下穿式立交桥深基坑支护问题研究 摘要 随着城市化建设的不断发展，基坑工程不仅数量增多，而且向更大、更深 方向发展。大量基坑工程集中在市区，施工场地狭小，施工条件复杂，如何减 小基坑开挖对周围建( 构) 筑物、道路和各种市政设施的影响，发展基坑开挖扰 动环境稳定控制理论和方法将引起人们进一步的关心和重视。本文研究排桩的 优化设计问题，其主要方面如下： ( 1 ) 当土的力学性能比较差时，咬合桩是一种非常好的支护结构，对咬合 桩作为永久结构使用的咬合桩复合结构设计理论和方法进行了研究。同时，研究 了不同搭配形式咬合桩作为主体结构使用的可行性，认为荤荤搭配的咬合桩可 以作为主体结构一部分使用，但荤素搭配的咬合桩作为主体结构一部分使用要 控制素桩的裂缝发展。 ( 2 ) 当土质为粘性土时，应充分考虑土的拱效应，采用柱列式排桩进行支 护。本文利用有限元软件a n s y s 对桩后土拱效应进行二维数值分析与探讨，分 析不同桩截面、不同桩间距、不同土体参数以及桩体位移等因素对桩后土拱效 应的影响程度等问题。 ( 3 ) 结合排桩设计的解析法，进行抗滑桩与周围土体相互作用的三维数值 模拟分析与探讨，分析桩与周围土体受力特性，桩和周围土体的变形与应力变 化趋势。分析结果表明：抗滑桩的支挡作用，土拱效应是主要作用机理：粘聚力 高的土体，有利于提高抗滑桩的加固效果，桩距增加会造成最大位移和桩土相 对位移的增大，增加到一定程度会造成桩间土挤出量过大，从而使得抗滑桩支 挡失效。 ( 4 ) 利用a n s y s 二次开发技术，开发非线性的邓肯一张模型，采用不同的本 构模型，邓肯一张模型和d - p 模型，对粘性土中抗滑桩与周围土体相互作用的数 值模拟，研究了不同土的本构关系对桩间土拱的影响。 本文仅对在不同土质中如何选择合理的基坑支护方法做初步的探讨，要得 出更完善的设计方法，还要做进一步的深入研究。研究结果和相关结论为完善 基坑支护理论，以及为类似工程的设计提供依据和参考。 关键词：排桩数值模拟土的拱效应a n s y s 有限元桩土相互作用 t h e a n a l y s i so fr e t a i n i n gs t r u c t u r e so fd e e pe x c a v a t i o nu n d e r t h eb r i d g eo fu n d e r p a s s e s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec i t yc a p i t a lc o n s t r u c t i o n ，d e e pe x c a v a t i o np i t sn o t o n l yi n c r e a s e ，b u ta l s od e v e l o pf u r t h e r l a r g eq u a n t i t i e so fd e e pe x c a v a t i o np i t s e n g i n e e r i n gc o n c e n t r a t ei nt h ed o w n t o w n ，s ot h ec o n s t r u c t i o ne n g i n e e r i n gh a st h e s p e c i a lc h a r a c t e ra sb e l o w ：t h ef i r s ti sc o n s t r u c t i o nf i e l dw o u l db en a r r o wa n d s m a l l t h es e c o n di sc o n s t r u c t i o nh a sc o m p l i c i t yc o n d i t i o na n dt h et h i r di s c o n s t r u c t i o ne n g i n e e r i n ga f f e c t st h er o a d sa n dd i f f e r e n tk i n d so fm u n i c i p a l b u i l d i n g sn e a r b y ，e t c h o wt od e c r e a s et h ee f f e c t sh a sb e c o m ev e r yi m p o r t a n tf o r p e o p l e sc o n s i d e r a t i o n t h ep a p e rd e a l sw i t ht h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no f c a n t i l e v e r r o w p i l e sr e t a i n i n gs t r u c t u r e t h em a i na s p e c ti sa sf o l l o w ： ( 1 ) i ft h em e c h a n i cp r o p e r t yo fs o i li sb a d ，i t sb e t t e rt ou s es e c a n tp i l ew a l l t h e r e s e a r c ho nt h et h e o r ya n dt h ed e s i g nm e t h o do ft h es e c a n tp i l ew a l lc o m p o s i t e s t r u c t u r eu s e da sp e r m a n e n ts t r u c t u r ei ss t u d i e di nt h ep a p e r a tt h es a m et i m e ，t h e p a p e rd i s c u s s e st h ef e a s i b i l i t yo fd i f f e r e n ts e c a n tp i l e w a l lu s e da sp e r m a n e n t s t r u c t u r ea n di n c l u d e st h a tt h eh a r d h a r ds e c a n tp i l ew a l lc a nb eu s e da sp e r m a n e n t s t r u c t u r ea n dh a r d f i r ma sap a r to fp e r m a n e n ts t r u c t u r e ，t h ej o i n t sb e t w e e ns e c a n t p i l ew a l la n dt h ee x t e r i o rw a l lo f t h em a j o rs t r u c t u r ea r ea l s op r e s e n t e d ( 2 1a sf o rc l a ys o i l ，i ti sr e a s o n a b l et ou s es o l i d e rp i l e sb e c a u s eo ft h ee x i s t e n c e o fs o i la r c h i n ge f f e c t t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ep a c k a g e ，a n s y s ，i s u s e dt os t u d ys o i la r c h i n ge f f e c to fa n t i s l i d ep i l e ，a n dt h ee f f e c t so ff a c t o r so nt h e b e h a v i o ro fs o i la r c h i n ge f f e c ts u c ha sp i l es p a c i n g ，p r o p e r t i e so fs o i l ，i n t e r f a c eo f s o i l p i l ea n dt h em o v e m e n to fp i l ea r ed i s c u s s e di nd e t a i l i nt h i sp a p e r ( 3 ) c o m b i n e dw i t ht h ea n a l y s i so fa n t i s l i d i n gp i l e ，a n a l y z e dt h ei n t e r a c t i o no f a n t i s l i d i n gp i l ew i t ht h es u r r o u n d i n gs o i lb yt h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a lm o d e l i n g ， a n a l y z e dt h ec h a r a c t e r so fa n t i s l i d i n gp i l ea n ds u r r o u n d i n gs o i l ，t h ed e f o r m a t i o n t r e n do fa n t i s l i d i n gp i l ea n ds u r r o u n d i n gs o i la n ds t r e s st r e n d t h er e s u l t ss h o w e d t h a t ：t h em a i ni n f l u e n c ef a c t o r sa r et h es u s t e n t a t i o ne f f e c to fa n t i - s l i d i n gp i l ea n d t h ee a r t h a r c h e f f e c t h i g h c o h e s i o ns o i lw i l li n c r e a s ea n t i - s l i d i n g p i l e s r e i n f o r c e m e n t t h ei n c r e a s eo fp i l es p a c i n gw i l li n c r e a s et h el a r g e s td i s p l a c e m e n t a n dt h er e l a t i v ed i s p l a c e m e n tb e t w e e nt h ep i l ea n de a r t h ，a r i s ee x c e s ss o i lt h a t b e t w e e np i l e sb e i n ge x t r u d e da n dm a k et h ea n t i s l i d i n gp i l ei n v a l i dw h e nt h ee x t e n t e x c e e d st h er e q u i r e me n t ( 4 ) d e v e l o p e dt h ed u n c a n c h a n gc o n s t i t u t i v e m o d e li na n s y ss o f t w a r eb y m e a n so ft h es e c o n d a r yd e v e l o p i n gt e c h n o l o g yo fa n s y s u s i n gd i f f e r e n ts o i l c o n s t i t u t i v em o d e l si n c l u d i n gt h ed u n c a n c h a n gc o n s t i t u t i v em o d e l ，d r u k e r p r a g e r e l a s t o p l a s t i cm o d e l ，t h ep a p e ra n a l y z e dt h ei n t e r a c t i o no fa n t i s l i d i n gp i l ew i t ht h e s u r r o u n d i n gs o i li nc l a ys o i lb yn u m e r i c a lm o d e l i n gi no r d e rt oo b t a i nt h ei n f l u e n c e o fd i f f e r e n ts o i lc o n s t i t u t i v em o d e l st ot h ee a r t h - a r c he f f e c tb e t w e e np i l e s t h i sp a p e ri sju s tap r e l i m i n a r ys t u d yo nh o wt oc h o o s et h es u i t a b l es u p p o r t i n g s t r u c t u r eo fp i t ，t od e v e l o pap e r f e c td e s i g nm e t h o d ，t h e r ei ss t i l lal o to ff u r t h e r w o r kt od o t h er e s u l t so fr e s e a r c ha n dr e l a t i o n a lc o n c l u s i o nw i l lp e r f e c tt h e a n a l y s i st h e o r yo ft h ep i ts u p p o r ts t r u c t u r e ，a n dp r o v i d er e f e r e n c e sf o rt h ed e s i g n s o fs i m i l a re n g i n e e r i n gp r o j e c t s k e yw o r d s ：r o wp i l e s ，n u m e r i c a lv a l u es i m u l a t i o n ，s o i la r c h i n ge f f e c t ，a n s y s f a e ， s o i l p i l ei n t e r a c t i o n 插图清单 图1 1 排桩支护结构图3 图2 1a 、b 桩实现咬合示意图5 图2 2m z 系列摇动式全套管钻机6 图2 3 现场导墙施工6 图2 4 排桩施工工艺流程6 图2 5 不同状态裂缝发展情况和相应的等效截面8 图2 6 素桩桩惯性矩计算图9 图2 7 状态1 计算简图9 图3 1 大主应力拱应力分析图1 3 图3 2 桩间土拱效应示意图1 4 图3 3 天然及设计情况下的下滑曲线_ 1 5 图3 4 土体1 - 2 - 3 - 4 徽元体1 5 图3 5 抗滑桩静力平衡示意图1 6 图3 6 抗滑桩平衡示意图1 6 图3 7 推力桩桩后土压力的分布1 8 图3 8 土拱的受力分析模型1 8 图4 1 等向强化2 3 图4 2 随动强化2 3 图4 3d r u c k e r p r a g e r 在应力空间的屈服面2 5 图4 4v o nm i s e s 在应力空间的屈服面2 7 图5 1 边界条件3 2 图5 2 有限元网格划分3 2 图5 3s = 0 6 m ，p = 1 2 0 k p a ，平行于x 轴不同位置仃，方向的应力分布3 3 图5 4s = 0 6 m ，p = 16 0 k p a ，平行于x 轴方向，y 方向的应力分布3 3 图5 5 桩土y 方向应力云图3 4 图5 6 桩土第一主应力等值线图3 4 图5 7 不同桩间距x = 0 处x 方向的应力分布3 5 图5 8 不同桩间距桩间中心点处竖向剖面y 方向的应力分布3 5 图5 9 不同均布荷载作用下桩间中心点处竖向剖面y 向应力值3 6 图5 10 不同均布荷载作用下桩间中心点处竖向剖面x 向应力值3 6 图5 1 1p = 6 0 k p a 时土的塑性变形3 7 图5 1 2p = 1 2 0 k p a 时土的塑性变形3 7 图5 13 不同摩擦角下，x = 0 处x 方向的应力3 8 图5 14 不同摩擦角下，x - - 0 6 m 处y 方向的应力3 8 图5 15 不同的粘聚力不同均布荷载作用下x = o 处x 方向的应力一3 9 图5 1 6 不同的c ，p 情况下x - - - o 处y 方向的应力3 9 图5 1 7 不同的c ，1 3 情况下y = o 6 m 处y 方向的应力3 9 图5 18 不同的c ，p 情况下y = o 6 m 处x 方向的应力3 9 图5 1 9 不同摩擦系数时y = o 6 m 处y 方向的应力4 0 图5 2 0 桩间土体中心点处竖向剖面法向应力仃，4 1 图5 2 1 桩间土体中心点处竖向剖面x 向应力仃4 1 图5 2 2 基坑开挖后的咬合桩支护结构4 2 图5 2 3 路面以下现浇横撑和系梁的旋工4 2 图5 2 4 咬合桩顶施加钢支撑4 2 图5 2 5 咬合桩墙面及其管线施工4 2 图5 2 6 环向和径向的钢筋一4 3 图5 2 7 沿高度方向的钢筋4 3 图5 2 8b k i n 材料和d p 材料的应力一应变关系4 3 图5 2 9 咬合桩的形状4 5 图5 3 0 基坑开挖后的模型图4 5 图5 3 1 基坑开挖后土体x 方向的位移4 5 图5 3 2 基坑开挖后土体z 方向的位移4 5 图5 3 3 桩体x 方向的位移4 5 图5 3 4 桩体z 方向的应力分布4 5 图5 3 5 开挖前基坑网格划分图4 7 图5 3 6 基坑开挖后的网格划分图4 7 图5 3 7 施加重力后z 方向的位移4 7 图5 3 8 土的最大主应力等值线4 7 图5 3 9 基坑开挖后的总位移4 8 图5 4 0 基坑开挖后z 方向的位移4 8 图5 4 1 基坑开挖后y 方向的位移4 8 图5 4 2 桩体z 方向的应力云图一4 8 图5 4 3 基坑开挖后桩体y 方向位移4 8 图5 4 4 开挖后基坑边缘土体y 向的位移4 8 图5 4 5 基坑未开挖前网格划分j 4 9 图5 4 6 基坑开挖后的网格划分4 9 图5 4 7 施加重力后z 方向的位移4 9 图5 4 8 基坑开挖后z 方向的位移4 9 图5 4 9 基坑开挖后总的位移云图4 9 图5 5 0 基坑开挖后y 方向的位移4 9 图5 5 1 基坑开挖后桩体y 方向的位移5 0 图5 5 2 基坑开挖以后z 方向的应力云图5 0 图5 5 3 基坑开挖后桩体的应力云图5 0 图5 5 4 基坑旁边土体y 方向应力等值线5 0 图5 5 5s = 0 6 m 基坑开挖后上部土体的位移5 0 图5 5 6s = 1 2 m 基坑开挖后上部土体的位移5 0 图5 5 7 基坑边缘土体y 方向的位移5 1 图5 5 8 基坑开挖后桩体的应力云图5 1 图5 5 9s = o 3 m 基坑开挖后上部土体的位移5 1 图5 6 0 桩体远离基坑一侧z 方向应力沿着桩高度的变化5 1 图5 6 1 不同条件下，x = o m 处的y 方向的应力值5 3 图5 6 2 不同条件下，x = o m 处的y 方向的应力值5 4 图5 6 3 不同条件下，y = 0 6 m 处的x 方向的应力值仃5 4 表格清单 表3 1 各段计算量1 9 表3 2 各算法计算结果对照表2 0 表5 1 土体材料参数表3 3 表5 2 不同桩间距情况桩间土体y 方向最大位移3 5 表5 3 极限荷载作用下桩间土体y 方向的最大位移3 5 表5 4 不同均布荷载p 的作用下基坑周边桩间土体y 方向最大位移3 7 表5 5 不同不同摩擦角下，桩间土体y 方向的最大值位移3 8 表5 6 粘聚力对于土体的稳定，结构的极限承载力的影响4 0 表5 7 不同摩擦系数p 情况下桩间土体y 方向最大位移4 0 表5 8 桩身侧移对桩间土体y 方向最大位移的影响4 1 表5 9b k i n 材料参数表4 3 表5 1 0 基坑土体参数4 4 表5 1 1 实测桩顶位移4 6 表5 1 2 不同本构关系下桩间土体最大位移值5 4 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志和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金目巴王些太堂 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。 学位论文作者签字：殳奄乳签字日期：刈。7 年午月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、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 查阅或借阅。本人授权金起王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内 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) 学位论文者签名：殳乞舢 导师签名： 签字日期：如o 年4 月z d 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 签字日期：2 加产争月矽日 电瓢| ；6l 蔓扣 邮编： 。冬1 气 7 致谢 本文是在导师臧德胜教授的悉心指导下完成的。从论文的选题、研究、修 改最后定稿，导师自始自终给予我高度的重视和精心的指导。臧老师渊博的学 识、严谨的治学态度、忘我的工作热情激励着我；理论融会于实际的工作作风、 追求一流的创新精神深刻鼓舞着我；在学习上的严格要求，在生活上给予我无 微不至的关怀，值此论文完成之际，特向臧老师致以崇高的敬意和深深的感谢! 开展论文工作之后，臧老师经常询问论文进展情况，为论文提供参考资料，仔 细审阅初稿，提出修改意见，老师的敬业精神和卓有成效的治学方法使我受益 匪浅。论文凝聚了导师的心血，学生再次深表感谢。 感谢合肥工业大学研究生院以及土木工程与水利工程学院的各位领导和 老师，感谢他们他们这几年来的辛勤工作和热情指导，并为本文的顺利完成创 造了许多有利条件。 同时感谢熊小平、杨兴旺、李耀、刘正军、李井超等好友给予热情帮助。 另外，我要感谢我的父母。十几年寒窗，凝聚了我奋进的汗水，更印照了 背后默默注视我的目光。多年的异地求学生涯，得到了父母的理解和大力支持， 是他们用自己辛勤的劳动给了我创造一片宁静的学习环境，是他们在精神和物 质上给予的极大支持和鼓励时刻在催我奋进，这些都是我得以安心完成学业的 可靠保障，我将用一生来回报他们对我的爱。 最后，我要感谢本论文的审阅人、评议人、答辩委员和答辩秘书。他( 她) 们的审核与评定是对我这几年来学习生涯的最好检验。 作者：吴锐 2 0 0 9 年4 月 第一章绪论 1 1 引言 2 0 世纪8 0 年代以来，随着城市化建设的不断发展，对开发和利用城市三维 空间的要求越来越迫切。城市地下通道、地铁、地下车站、地下停车场、地下 商场以及地下民防工事、多种地下民用和公用设施等越来越多。大量的铁路、 公路由平交改为立交，下穿式立交桥以其更为经济的造价、同样实用的功能服 务于社会，所以在我国大多数城市中被广泛采用。据统计，下穿式立交桥约占 我国已建城市立交桥总数的7 5 以上【lj 。城市地下工程的发展，导致基坑向大 深度、大面积方向发展成为必然趋势。 在下穿式通道施工中，通道的施工涉及到深基坑的支护问题，而深基坑支 护是一个技术复杂、综合性很强的岩土工程难题，基坑开挖和支护技术涉及工 程地质勘察、水文地质条件、场地环境、支护设计方案、计算参数选取以及施 工操作等很多方面。据基坑工程事故的统计分析，有些城市和地区基坑工程事 故发生率竟高达2 5 以上【2 】，造成了极大的经济损失和社会影响。另一方面， 由于过分的强调安全、稳妥，忽视支护结构的临时特点而又造成了的惊人的浪 费。这种两难的境地给工程技术人员和研究人员提出了许多难题，因此，寻求 一种既经济又合理的深基坑支护方法，不断完善基坑设计理论，成了当前迫切 亟待解决的问题。 1 2 深基坑支护工程研究现状 迄今为止，围护型式己经发展至数十种，传统的基坑围护结构形式主要有 2 1 ： 重力式挡土墙、钢板桩、地下连续墙等，这几种围护结构形式仍然是当今地下 开挖的主要支护形式。随着城市环境、变形控制要求的提高以及节约造价方面 的需求，近年来出现了以下几种新型工法。 ( 1 ) 土钉及复合土钉墙 3 - 4 】 土钉( s o i ln a i l i n g ) 支护技术是7 0 年代发展起来的一种支护技术，该方法是 以一定的倾角成孔，然后将钢筋置入孔内，在孔内注浆形成土钉体，随后在坡 面拉钢筋网，并与土钉连接，最后在坡面喷射混凝土，土钉体与周围的土体紧 密结合，并依靠接触界面上的粘结力或摩擦力，与周围的土体形成复合土体。 复合型土钉墙支护就是以水泥土搅拌桩帷幕等超前支护措施解决土体的自 立性、隔水性以及喷射面层与土体的粘结问题，以水平向压密注浆及二次压力 灌浆解决土体加固及土钉抗拔力问题，以相对较长的插人深度解决坑底的抗隆 起、管涌和渗流等问题，形成防渗帷幕、超前支护及土钉等组成的复合型土钉 支护。土锚技术是硬土地层基坑支护的主要形式，欧美应用较多，我国北方及 南方硬土地层普遍采用锚拉排桩方式进行基坑支护。但土钉支护设计理论的研 究还远落后于工程应用，目前为止还没有一套较完善的设计计算方法，因此， 目前在软土地层中设计和施工土钉支护结构应该注意制定详细严格的施工技术 原则，以指导现场施工。 ( 2 ) s m w 工法 s m w 工法( s o i lm i x i n gw a l l ) 是以多轴型钻掘搅拌机在现场向一定深度进 行钻掘【5 】，同时在钻头处喷出水泥系强化剂而与地基土反复混合搅拌。在各施 工单元之间则采取重叠搭接施工，然后在水泥土混合体未结硬前插入h 型钢或 钢板作为其应力补强材，至水泥结硬，便形成一道具有一定强度和刚度的，连 续完整的、无接缝的地下墙体。s m w 工法的施工机械无噪声振动源，没有大量 的排出土需要处理，且通过减磨剂基本上可以做到将型钢全部回收，被称为无 公害工法。s m w 工法使用专门开发的多轴钻机及具有专利的全重叠钻削方法， 能够形成具有一定强度和刚度、连续完整、无接缝、有优良防水性能的地下连 续墙体。s m w 工法在日本、美国、法国以及东南亚和台湾等许多地方得到广 泛应用，现在上海地铁中等深度基坑( 8 - 1 3 米) 中得到推广使用。 ( 3 1 钻孔咬合桩 咬合桩围护结构是一种新型的连续排桩支护1 2 】，咬合桩围护结构是一种桩 身密排且相邻桩桩身相割形成的具有防渗作用的连续挡土支护结构【6 j ，既可全 部采用钢筋混凝土桩，也可以采用素混凝土桩与钢筋混凝土桩相间布置。其优 点在于当成槽不稳定或要求地层扰动小的场合代替连续墙的一种方案，而且其 造价相对连续墙而言要低。 国内首次应用的钻孔咬合桩是在深a 地铁一期工程1 0 标段“会展中心至购 物公园站”区间隧道工程【7 】，咬合桩围护结构应用于“会购区间”的明挖围护 结构中。随后，在深圳地铁工程香密湖站( 6 6 0 根) 和深圳地铁罗湖站北端连接 线明挖隧道的围护结构施工中均取得了成功【8 。9 】，为钻孔咬合桩在我国城市工程 施工中的规模应用开了先河。 文【8 】报道了深圳地铁一期工程采用全套管咬合桩进行围护结构施工，施工过 程中a 桩采用特缓混凝土进行浇筑，并在a 桩初凝前完成b 桩的施工，解决了 相邻桩间的切割成桩问题： 文1 1 0 。1 l 】报道杭州解放路延伸工程中利用全套管灌注桩施工机械成功地完成 了咬合桩的施工，成功解决了在钻孔过程中出现的涌砂、套管倾斜及周边地表 较大位移等众多技术难点，为全套管灌注桩在该地区的应用提供了成功的先例： 总的来说，新的基坑围护形式的发展体现了两个特点： 1 、施工快捷方便、对周边环境影响小( 钻孔咬合桩) ： 2 、尽量利用场地的条件：s m w 工法充分利用场地材料而土钉和土钉墙充分利 用土层抗力以降低造价。 1 3 问题的提出以及意义 目前，深基坑支护结构选型的常用方法是凭经验选择，而支护结构型式的 2 选择不仅要考虑深基坑的几何尺寸、场地工程地质和水文地质条件、基坑周边 环境、施工作业设备、施工季节，还要充分考虑直接费和工期要求，以使所选 择的支护结构方案满足技术合理性、施工可行性和经济性要求。同时，合理、 正确的基坑支护理论是实现安全施工且具有良好经济效益的重要保证。而现阶 段的深基坑支护理论都还处于研究发展阶段，整个设计也都处于凭经验和估计 来确定方案的阶段。现行基坑支护设计规范、手册或指南等推荐的方法并不完 全满足工程实践的需要。我国的基坑支护结构计算，对于悬臂式支护结构，在 进行结构设计时，对作用于结构上的荷载采用经典土压力进行计算，这种设计 方法已暴露出许多问题，如在悬臂抗滑桩变形计算时，计算的桩身变形值偏小。 对于土质较为软弱的情况，经典土压力理论计算悬臂式支护结构嵌固深度偏大 等问题。基坑支护型式的合理选择以及采用合适的基坑支护理论进行计算是基 坑支护设计、施工的重点。 排桩式支护结构形式简单【l2 1 ，造价较低，广泛应用于大中型深基坑。排桩 支护是把单个桩体如钻孔灌注桩【2 】，挖孔桩及其它混合式桩等并排连续起来形 成的地下挡土结构。排桩支护结构可分为： 柱列式排桩支护：当基坑土质较好、地下水位较低时，可利用土拱作用， 以稀疏钻孔灌注桩或挖孔桩支挡土坡，见图卜l ( a ) 。 连续排桩支护图卜1 ( b ) ：在软土中一般不能形成土拱，支挡桩应该连续 密排。密排的钻孔桩可以互相搭接形成咬合桩，或在桩身混凝土强度尚未形成 时，在相邻桩之间做一根素混凝土桩把钻孔桩排连起来。也可以采用钢板桩、 钢筋混凝土板桩。 组合式排桩支护：在地下水位较高的软土地区，可采用钻孔灌注桩排桩与 水泥土桩防渗墙组合的形式，见图卜1 ( c ) 。 ( 基坑内侧) 灌注桩灌 o o o o d b 0 涮 ( 基坑外侧) ( a ) 注桩水泥土桩 bo o i l o o ( b ) ( c ) 图卜1 排桩支护结构图 在对深基坑进行支护时，对于软土或地下水位较高的土体，土体一般不能 形成土拱，支挡桩应该连续密排即采用咬合桩进行支护。实践证明，应用钻孔 咬合桩围护结构，在技术上可行，在经济上比地下连续墙方案及钻孔桩+ 止水帷 幕方案有较大优势，而且成孔和浇捣桩身混凝土时，对周边土体几乎无影响。 近年来虽然在施工工艺和技术方面积累了一些有益的经验，但己有工程实践缺 乏对钻孔咬合桩的设计计算方法进行深入研究，本文在前人研究基础上对咬合 桩的设计进行了深入研究。 3 当基坑土质较好、地下水位较低时，由于稀疏桩之间土体会形成类似隧洞顶 和桥梁拱圈的作用机理即土拱效应，可以利用土拱作用，以稀疏钻孔灌注桩或挖 孔桩支挡土坡，采用一定间距的排桩，不仅能满足承载力的要求，而且可以减少桩 体的数量，从而达到提高施工进度，缩短工期，减少工程造价的作用。在土体中 设置抗滑桩，桩间土体可以形成土拱来阻止桩后土体从桩间滑出，进而起到支 护作用。土拱的形成与否，决定着抗滑桩是否发挥作用，充分利用土拱效应， 对经济合理的设置抗滑桩的排列间距具有重要意义。最大跨度的发挥土体的成 拱作用可以充分发挥土体的自承载能力，如何有效的利用土的拱效应，通过扩 大桩间距，减少桩体的数目，达到降低成本的作用，而这方面的研究在国内还 是空白。同时，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，而且使得基坑在其 两端壁处具有显著的空间效应。随着大型的商业数值模拟软件的成熟，可以采用 数值模拟的方法研究土拱理论，使其在工程中的应用得到了很大的发展。开展 桩间土拱效应的研究【3 6 】，采用土拱理论和数值模拟的方法分析桩的桩土相互作 用机理、荷载传递规律、以及疏桩桩间距的确定，将为柱列式排桩支护的设计 与使用提供参考，在工程设计与建设中具有重要的实际应用价值。 1 4 本文研究的主要内容 本文主要研究当采用排桩对深基坑进行支护时，如何对其进行优化设计， 主要内容如下： 1 ) 在前人研究基础上，阐述了咬合桩的施工工艺，进一步研究了不同类型 咬合桩的受力机理，讨论桩体弯矩的计算方法与配筋设计，讨论其优缺点。 2 ) 结合前人的研究成果，阐述了在粘性土中采用柱列式排桩支护结构时， 抗滑桩桩间的土拱的形成机理，并在此基础上分析土体中抗滑桩桩间的土拱效 应，并进一步确定抗滑桩的临界桩间距的计算方法。在理论分析基础上，采用 大型非线性有限元软件a n s y s 建立桩土的二维计算模型，用以研究土拱的成拱 机理，研究土性参数、桩土之间接触面的粗糙程度、桩间距、桩身侧移等因素 对桩间土拱形成的影响。 3 ) 通过a n s y s 软件建立基坑的三维有限元模型，对模型进行受力分析，考 虑桩土相互作用，研究当桩间距不同时基坑开挖对土拱效应以及桩体承载力的 影响，同时也研究了土体的变形和受力情况。 4 ) 应用a p d l 语言对a n s y s 进行二次开发，建立土体的d u n c a n c h a n g 模 型，考虑土体变形的非线性。在其他条件相同的条件下，与土体采用d p 模型 时的结果进行对比，研究采用不同的土体本构关系对计算结果的影响。 4 第二章咬合桩挡土结构及其设计方法研究 2 1 钻孔咬合桩的施工工艺 钻孔咬合桩采用全套管钻机施工。全套管钻机又称贝诺特( b e n o t o ) 1 3 j 钻 机是由法国贝诺特公司于二十世纪五十年代初开发和研制而成。我国大陆地区 于2 0 世纪7 0 年代开始引进摇动式全套管钻机，9 0 年代中期昆明捷程桩工有限 责任公司首先在我国开始研制m z 系列摇动式全套管钻机【l4 1 ，简称磨桩机。随 之在昆明、温州、北京、深圳、韩城等地十余个工地的基础工程桩和挡土抗滑 桩工程中应用，取得显著的技术经济效益。 钻孔咬合桩是采用全套管钻机钻孔施工，在桩与桩之间形成相互咬合排列 的一种基坑围护结构。桩的排列方式为a 桩和b 桩间隔布置。施工时，先施工b 桩，后施工a 桩，在b 桩混凝土初凝之前完成a 桩的施工。b 桩一般采用超缓凝 混凝土，a 桩采用全套管钻机，切割掉相邻b 桩相交部分的混凝土，从而实现咬合 ( 如图2 1 所示) 。 图2 1a 、b 桩实现咬合示意图 咬合桩的钻孔平面布置形式灵活【15 1 ，且两种类型的a ，b 桩可以根据基坑 开挖深度、场地的水文地质情况、是否作为永久结构的一部分等条件进行选择。 比如两种桩可以是钢筋混凝土桩和素混凝土桩的搭配，也可以是圆形钢筋笼桩 和矩形钢筋笼桩搭配，还有圆形钢筋笼桩和型钢加劲桩搭配，或者圆形钢筋笼 桩和水泥土搅拌桩搭配，国外还有钢筋混凝土桩和混合材桩搭配使用的情况。 2 1 1 单桩施工工艺 a 型( 配筋) 单桩施工工艺流程如下【1 6 】：平整场地一测放桩位一施工混凝土导 墙一套管钻机就位对中一吊装安放第一节套管一测控垂直度一压入第一节套管 一校对垂直度一抓斗取土，跟管钻进一测量孔深一清除虚土，检查孔底一a 桩吊 放钢筋笼一放入混凝土灌注导管一灌注混凝土逐次拔套一测定混凝土面一桩机 移位。具体为： ( 1 ) 钻机就位：精确测定桩中心位置，作为钻机定位的控制点。 ( 2 ) 取土成孔：在桩机就位后，吊装第1 节管在桩机钳口中，找正桩管垂直 度后，磨桩下压桩管，压入深度约为1 5 2 5 m 。用抓斗从套管内取土，一边抓 土、一边继续下压套管，始终保持套管底口超前于开挖面的深度不小于2 5 m 。 第1 节套管全部压入土中后( 地面以上要留1 2 1 5 m ，以便于接管) ，检测垂直 度，如不合格则进行纠偏调整，合格则安装第2 节套管，继续下压取土，直至达到 设计孔底高程。 ( 3 ) 钢筋笼制作与吊放 ( 4 ) 混凝土灌注： 水下混凝土灌注采用导管法，导管为中2 5 0 r a m 的法兰式钢管，埋入混凝上的 深度宜保持在2 6 m 之间，晟小埋入深度不得小于l m 。严禁将导管提出混凝土 面或埋入过深，一次拔出高度不得超过4 m 。 混凝土灌注中应防止钢筋笼上浮，当混凝土进入钢筋笼底端1 2 m 后，可适 当提升导管。导管提升要平稳，避免出料冲击过大或钩带钢筋笼。 ( 5 ) 拔管成桩：边灌注混凝土边拔管，始终保持套管底低于混凝土面不小于 2 m 。现场藏工图如图2 2 23 所示。 2 l2 排桩施工工艺 施工原则是先旖工b 桩 1 6 1 ，后施工a 桩，其施工流程为 鱼- b ：一a ，一如一a ，一b 一a 。，如图2 - 4 所示。 图2 4 排桩旆工工艺流程 往往一台钻机施工无法满足_ 【程进度，需要多台钻机分段施工，这就存在与 先施工段的接头问题。处理方法为在施工段与段的端头设置1 个砂桩( 成孔后用 砂灌满) ，待后旃工段到此接头时挖出砂子，灌上混凝土即可。 2 2 钻孔咬合桩的技术特点 1 、环保效果好 ”】；由于利用全液压强动和加压装置。使套管逐节均匀 地旋转、错动压入土层中。同时用锤式抓斗在套管内取土，振动小、噪音低： 不使用泥浆，无泥浆污染环境的忧虑，旖工现场整洁文明、很适合于在城区内 旖工。 2 、成孔和成桩质量高：自地表至孔底、整个孔壁都用套管护壁，孔壁不会 塌落：易于控制桩断面尺寸与形状：含水比例小，既方便外运，也容易处理孔底 虚土，清底效果好：充盈系数小，节约混凝土。 3 、在饱和地下水的土层中成孔作业，套管自动将地下水封闭，可继续干孔 作业，易于清除孔底虚土。 4 、直观性好：随时可查验锤式抓斗内的土质情况，便于判断桩端持力层的 位置，选择合理的桩长优化设计。 5 、在套管保护下，人员可安全下到孔底，结合冲锤或人工控制爆破的方法 清除障碍物。 6 、成孔和浇捣桩身混凝土时，对周边土体几乎无影响。 7 、与柱列式排桩支护结构相比其桩体数量较多，土体开挖量大，不能有效 的利用土的拱效应，成本较高且施工工期较长。 2 3 咬合桩受力机理分析 由于咬合桩是桩与桩相互咬合【2 们，形成墙体，共同承担止水和挡土作用， 刚度较大，变形小，一般将其作为主体结构或主体结构的一部分设计和使用。 咬合桩作为挡土结构，其破坏形