（岩土工程专业论文）双排桩支护结构的理论分析及数值计算.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 基坑开挖与支护工程建设中出现问题比较多、且复杂、难处理，是我国土木 工程界中急需解决的焦点问题之一。现阶段基坑支护设计中，桩锚是较普遍的支 护方式，但是锚杆的施工往往越出了红线，给未来的地下施工带来了隐患。工程 实践证明，开挖深度在1 0 米以内的基坑中，采用双排桩进行基坑支护在安全和经 济效益上是非常好的支护方式。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、后两排平行的桩以及冠梁、前后排桩 桩顶之间的连梁( 或板) 形成类似门架的空间结构。与其它支护结构相比较，双排 桩支护结构避免了其它支护结构的缺陷，同时自身具备很多很优越的特点：首先 双排桩的侧向刚度较单排桩的大，桩间土体空间效应增大，受力条件和整体稳定 性好，能有效地控制结构的侧向水平位移变形；其次，采用双排桩进行支护，它 的围护深度比其它的围护结构深；双排桩支护结构不需要设置内支撑，施工比较 方便，可以缩短施工工期，还有就是在成本投资费用上，与单排桩支护结构差不 多；很多已建成的工程，表明双排桩具有很好的应用前景，特别是对于沿海一些 软土地层，会带来更好的效果。目前，双排桩基坑支护中，桩一土共同作用的机 理还没有研究清楚，尚无统一的设计计算方法，相应的规范也没有对该结构作出 规定，设计计算方法也没有一致的标准。桩距、排距、桩径、桩体不同的刚度、 桩间土体受力、变形的影响还有待进一步探讨和深入研究，冠梁和前、后排桩支 护结构三者之间的变形协调作用的研究也较少。 论文中借鉴了己有的双排桩支护结构体系与其相关的研究成果，并指出一些 计算理论中的略微不足的地方；结合土体压力的空间效应及冠梁在双排桩支护结 构体系中发挥的变形协调作用，论文中阐明了滑移面所在位置对前、后排桩土压 力分布的影响。针对于弹性地基梁方法的基本思想，提出双排桩支护结构设计计 算理论模型；并且借助于该模型对双排桩深基坑支护结构进行详细的理论计算， 对现场实际工程中采集的实测数据进行反分析，从而检验计算理论的可靠性。运 用国外f l a c 3 d 有限差分法分析软件，对双排桩深基坑的开挖和支护过程进行模拟， 开挖过程中基坑周边土体位移场的变化规律进行比较分析。 论文对前后排距，前后排桩的桩长，桩径和双排桩桩间土体刚度诸多参数的 改变对双排桩支护结构体系工作性能的影响，进行比较分析，总结出一些变化规 律，归纳出一些对工程实践颇有价值的结论。 关键词：双排桩；冠梁；f l a c ；基坑支护 湖北工业大学硕士学位论文 | 鬯，蔓，曼曼ii | 鼍 a bs t r a c t e x c a v a t i o na n ds u p p o r t i n go ff o u n d a t i o np i ti so n eh o ti s s u e s i nc o n s t r u c t i o n e n g i n e e r i n gf i e l d so fo u rc o u n t r y a n c h o rp i l e sw a sc o m m o n l vu s e di nf o u n d a t i o n s u p p o r td e s i g n sa tp r e s e n t 。b u tt h ec o n s t r u c t i o no fa n c h o ro f t e nb e y o n dt h er e dl i n e 。s oi t b r i n g sh i d d e nd a n g e rt oc o n s t r u c t i o no fu n d e r g r o u n di nt h ef u t u r e e n g i n e e r i n gp r a c t i c e h a sp r o v e dt h a t u s i n gd o u b l e r o wp i l e si nf o u n d a t i o np i ts u p p o r t i n gi saq u i t ew e l lw a y t os a f e t ya n de c o n o m i cb e n e f i t w h e ni nt h ef o u n d a t i o np i tw i t h i n10m e t e r si nd e p t h d o u b l e r o w sp i l ed o o rf l a m et y p es u p p o r t i n gs t r u c t u r e ( d o u b l e - r o wp i l e ss u p p o r t i n g s t r u c t u r e ) i sac o m m o n l yu s e ds u p p o r tp a t t e r ni nf o u n d a t i o np i te n g i n e e r i n g ，w h i c hh a s f o r m e das i m i l a rs p a t i a ls t r u c t u r eo ft h ed o o rf l a m ew i t ht h ep a r a l l e lp i l e so nf r o n ta n d b a c k ，t h et o pb e a m s ，a n dt h ec o u p l i n gb e a m s ( o rp l a t e ) b e t w e e nf r o n ta n db a c k c o m p a r e dw i t ht h es i n g l e r o wp i l ec a n t i l e v e rt y p es u p p o r t i n gs t r u c t u r e ，t h es t r u c t u r e h a sf o l l o w i n ga d v a n t a g e s ：i th a sg r e a t e rl a t e r a ls t i f f n e s sa n dl i m i td e f o r m a t i o no f r e t a i n i n gs t r u c t u r ee f f e c t i v e l y , r e s t r a i n i n gd e p t hi sd e e p e rt h a ng e n e r a lr e s t r a i n i n g s t r u c t u r e ，s h o r t e nt h ec o n s t r u c t i o np e r i o d ，c o n v e n i e n tc o n s t r u c t i o n ，n e e dn o ts u p p o r t ， t h ef o r c ec o n d i t i o n sa n dt h eo v e r a l ls t a b i l i t ya r er e l a t i v e l yi d e a la sw e l la sc o s ts a v i n g s ， e t c s oi th a sg r a d u a l l yb e c o m eo n eo ft h eo p t i m u ms c h e m e si nd e e pf o u n d a t i o np i t s u p p o r t e s p e c i a l l yi nt h es o f ts o i ll a y e r h o w e v e r , a tp r e s e n t 。t h ep i l e - s o i li n t e r a c t i o n m e c h a n i s mh a sn o ts t u d i e dc l e a r l y , a n dt h e r eh a sn ou n i f l e dc a l c u l a t i o nm e t h o do f d e s i g n 。t h ec o r r e s p o n d i n gn o r m sm a d en os t i p u l a t i o n sf o rt h i ss t r u c t u r e ，a n dh a sn o u n i f i e dc a l c u l a t i o nm e t h o do fd e s i g n p i l es p a c i n g ，r o ws p a c i n g ，p i l ed i a m e t e r , t h e i n f l u e n c eo ff o r c ea n dd e f o r m a t i o nt os u p p o r t i n gs t r u c t u r ec a u s e db yd i f f e r e n tp i l e s t i f f n e s sa n dd i f f e r e n tp i l es o i la w a i t sf u r t h e ra n a l y s i s r e s e a r c ht ot h ef u n c t i o no f d e f o r m a t i o nc o m p a t i b i l i t yt h a tt o pb e a m st ot h ed o u b l e r o wp i l e sa r ef e w e r i nt h i sp a p e r s w eg e n e r a l i z e da n da r r a n g e dt h ee x i s t i n gd o u b l e r o wp i l e ss t r u c t u r e s u p p o r t i n gs y s t e ma n dt h er e s e a r c hr e s u l t so fr e l e v a n ts t r u c t u r e ，p o i n to u tt h ed e f i c i e n c y i 1 1t h i sc a l c u l a t i o nt h e o r y s p a t i a le 行- e c to fe a r t hp r e s s u r ea n dt h ef u n c t i o no f d e f o r m a t i o nc o m p a t i b i l i t yt h a tt o pb e a m st ot h ed o u b l e r o wp i l e sh a sb e e nc o n s i d e r e d 。 a n dt h ei n f l u e n c et h a tt h ep o s i t i o no fs l i d i n gs u r f a c et ot h ee a r t hp r e s s u r eo ff r o n ta n d b a c kp i l e s ad e s i g n i n ga n dc a l c u l a t i n gt h e o r e t i c a lm o d e lh a sb e e np u tf o r w a r db a s e do n t h eb a s i ci d e ao fe l a s t i cf o u n d a t i o nb e a mm e t h o d t h ed o u b l e r o wp i l e sd e e pf o u n d a t i o n s u p p o r t i n gs t r u c t u r ew a st h e o r e t i c a l l yc a l c u l a t e db yt h i sm o d e l ，a n da c t u a l l ym e a s u r e d d a t ao ff i e l de n g i n e e r i n gw a si n v e r s ea n a l y z e d s ot h er e l i a b i l i t yo fc a l c u l a t i o nt h e o r y w a st e s t e d e x c a v a t i n ga n ds u p p o r t i n gp r o c e s so fd o u b l e r o wp i l e sd e e pf o u n d a t i o nw a s s i m u l a t e d a n dt h ec h a n g el a wo fs o i ld i s p l a c e m e n tf i e l do np i tb o u n d a r yd u r i n gt h e p r o c e s so fe x c a v a t i o nw a sa n a l y z e db yu s i n gf i n i t ed i f f e r e n c em e t h o da n a l y s i ss o f t w a r e f l a c 3 d t h ei n f l u e n c e so fm a n yf a c t o r ss u c ha sd i s t a n c eb e t w e e nt w or o w s 1 e n g t ho ff r o n t a n db a c kp i l e p i l ed i a m e t e r , s o i ls t i f i n e s sa m o n gd o u b l e r o wp i l e se t c w e r ea n a l y z e d s u m m a r i z et h ec h a n g e1 a w a n do b t a i n e dv a l u a b l ec o n c l u s i o n so fe n g i n e e r i n gp r a c t i c e k e y w o r d s ：d o u b l e r o wp i l e ，t o pp i l e ，f l a c 3 d ，f o u n d a t i o np i ts u p p o r t i n g i l 湘班二堂大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：研共日期：2 呷年f 月乡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、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。本人授权湖北工业大学可以将本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和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：群荚 日期：帅莎月罗日 指导教师签名：左恕昆 日期：叼年莎月厂日 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 基坑工程的研究现状 随着改革开放以来，社会经济迅速发展、城市人口的增长，使得在城市建设 中高层、超高层建筑物如同雨后春笋涌现，与之相应地下深基坑工程建设也出现。 同时，城市用地面积有限一寸土寸金，建构筑物的建筑要求向高、密、深度的趋 势倾发展一建筑物越建越高，地下管线、煤气管道等埋置地下的民用、工业辅助 设施越来越密集，地下基坑开挖越来越深；使得基坑开挖与维护工程建设日益成 为建筑工程界的焦点问题之一。 现代高科技突飞猛进的快速前进，更是让众多的科学家、各行业的专家学者 有这一说法，“上天容易，下地难 。面对当前深基坑工程建设这一科研课题的研 究探讨中，这一说法又得到应证：深基坑开挖深度越来越深，面积越来越大，将 涉及到影响周边已有建筑、地下复杂的土建设施的环境保护、安全使用，导致基 坑支护的问题也得到地方环保部门的广泛重视；高层建构筑物的深基坑开挖支护 是土木工程中最为具有高深、复杂、尖端的技术领域之一；除此之外深基坑工程 这门学科，不是与其它学科豁离开来，独立的学科建设，问题的研究和探讨需要 牵涉到很多基础学科：基坑支护结构设计应包括对支护结构的计算和验算、质量 检测及施工监控的要求等几方面。基坑支护结构设计首先要选型，结构选型可因 地制宜，并且还应结合基坑周边环境、基坑开挖深度、地质水文条件来确定。基 坑支护结构选型后，还应根据支护结构承载能力极限状态和正常使用极限状态按 设计要求进行计算及验算，同时还应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载力计算。可以说将涉及到土力学、工程监测、基础工程、 结构力学、土工试验与原位测试技术等多门学科知识的交汇在基坑工程学科中的 灵活运用和进一步的延伸，所以也可以说它又是- f - j 保罗万象综合性较强的系统 复杂的学科工程建设。 基坑支护结构设计的技术规范要求，既要保证整个支护结构在施工过程中的 安全，又要控制结构的变形以及周围土体变形，以保证周围建筑和地下管线的安 全使用。在满足安全使用要求的前提下，又能做到节约成本造价，文明施工，可 以保质保量的完成工程项目，给工程界各单位创造巨大的经济效益和树立良好的 社会文明单位形象。 湖北工业大学硕士学位论文 基坑围护方法很多，不同的支护方式各有其特点但也有其局限性和适用范围： 采用地下连续墙，成本造价高、施工周期长；内支撑支护现场施工不是很方便， 基坑开挖困难，成本造价高；悬臂式支护结构是常用的一种支护方法，但悬臂式 支护结构桩顶水平位移及结构本身变形很难控制，随着基坑开挖深度的不断增大， 位移变形也增大；对于在支护结构水平位移变形要求严格的工程中，特别是软土 地层中，单排桩结构支护方法就显的更是无能为力，满足不了控制变形的要求。 目前，为了解决该问题，提出了在原有的悬臂支护结构体系中进行改进的办法， 在悬臂的桩墙中加设内撑或锚拉，这一举措将会增加工程成本投资，延长施工工 期。桩锚支护也是最普遍的支护方式之一，但是锚杆的施工往往超越了红线用地， 给未来的地下空间用地带来了隐患，因此上海市、武汉市等地区做出了地方规定， 锚杆不准越出红线。 在众多的支护方法比选下，双排桩支护结构作为一种新的结构形式脱颖而出： 双排桩支护结构，它是由前、后两排桩平行或交错布置，以及连接前后两排桩的 压顶梁( 连梁) 一起构成类似门架的空间结构，结合其构造外形的特点，在工程 界又形象的称之为双排桩门架式支护结构。 与其它支护结构相比较，双排桩支护结构避免了其它支护结构的缺陷，自身 具备很多很优越的特点：首先双排桩的侧向刚度较单排桩的大，桩间土体空间效 应增大，受力条件和整体稳定性好，能有效地控制结构的侧向水平位移变形；其 次，采用双排桩进行支护，它的围护深度比其它的围护结构深；双排桩支护结构 不需要设置内支撑，施工比较方便，可以缩短施工工期；还有就是在成本投资费 用上，与单排桩支护结构差不多：很多已建成的工程，表明双排桩具有很好的应 用前景，特别是对于沿海一些软土地层，更能带来较好的效果。 工程实际证明，深度在l o 米以内的基坑，满足安全和经济效益，考虑采用双 排桩进行基坑支护是非常好的支护方式。 1 2 基坑开挖的特点 正如前面所述，基坑工程是- - 1 - j 综合很多学科知识的系统工程。绝多数的基 坑围护体系只是一种临时支护结构体系，地下工程施工结束时，基坑围护体系就 可以拆卸，退出支护体系。基坑工程具有如下特点旧引： 2 湖北工业大学硕士学位论文 1 基坑围护体系的安全储备较小，风险性较大 因为基坑支护是一种临时措施，地下室主体施工结束后，围护体系的任务已 经完成。所以与永久结构相比，安全储备的要求可适当放宽一些。基坑工程施工 过程中应做到，边施工边进行监测，同时采取相应的应急措施。 2 基坑工程环境效应 基坑工程支护体系的设计与施工，开挖与支护；要充分调查到周边构、建筑 物、及城市地下埋置的管线的位置；还要考虑土体开挖、卸载、土体扰动后，土 体变形的变化；保护周边相邻构、建筑物及地下管线、管道设施的安全使用，也 是基坑工程在设计与施工中应该考虑的因素。这就要求基坑工程要有很强环境效 应和保护环境的意识。 3 基坑工程适用性具有很强的区域性针对性 因为岩土工程中的地质条件具有很强的区域性，不同的区域中地层、水文地 质条件都不相同，同一城市的区域环境也不一样。岩土工程地质条件区域的差异 性导致基坑工程也具有很强的区域差异。所以在基坑工程的支护设计、施工中基 本要作到具体工程具体分析，具体问题具体解决，因地制宜就地取材，经验可以 借鉴，不要照搬直用。 4 基坑工程综合型学科 对于从事于土木工程界，作为一名优秀的基坑工程支护结构设计的的工程 师，必需具备丰富的岩土工程专业知识，也必须具备上部结构工程的专业知识， 同时最好也可以懂得一些施工工艺方面的知识。因为基坑工程涉及到稳定性、控 制变形量、水体渗流等方面的课题问题，需要综合处理。 5 基坑工程土压力计算的复杂性 对于作用在挡土结构上的土压力的计算以来是个很复杂的问题。首先是土压 力理论也还不成熟，静止土压力是选择按经验公式或是半经验公式，主动土压力 和被动土压力是选择按库伦土压力理论计算，还是朗肯土压力理论计算一直有不 太一致的见解；其次还有就是在计算土压力的时候是否考虑地下水的影响，采取 水土压力分算或是水土压力合算，各地方制定的技术规范也都有差异；最后由于 土具有蠕变性，作用在围护体系上的土压力还与作用时间有关但不成线性关系。 6 基坑工程具有较强的时空效应 土体是土、水、气等多相介质，由于土体开挖卸载，必将引起超静孔隙水压 力的消散，孔隙水压力的消散与时间相关；土骨架是多孔介质，具有蠕变性，蠕 变具有很强的时间效应。基坑围护体系在竖直和水平方向上的形状，对基坑的稳 定性和变形的控制都有很大的影响，所以基坑工程具有空间效应。 湖北工业大学硕士学位论文 总之，基坑工程是具备时空效应，是时i 刨效应和空i 刨效应的结合体。 7 基坑工程是系统工程 支护体系设计和施工两部分是基坑工程两个主要组成部分，两部分相辅相成。 支护结构设计应考虑是否方便施工，而施土组织是否合理又对支护工程设计是否 成功产生重要影响。合理的开挖方式、步骤、速度都可以很好的控制支护结构过 大的变形量，甚至可以保证支护体系稳定性。所以基坑工程是系统工程，是设计 与施工一体化工程。 1 3 基坑围护结构形式及其特点 基坑围护体系一般由挡土体系和止水体系两部分组成。因为基坑围护结构一 般要承受土压力和水压力，所以围护体系主要起到挡土和挡水的作用。围护结构 形式幢川大致可以分为以下几种主要情况： 1 直接放坡开挖的简易支护 当基坑开挖所遇土层的物理力学性质较好，开挖深度不大；基坑周边无建筑 物，施工现场有足够的场地可以首先考虑直接放坡开挖。放坡开挖的同时为了加 强边坡工程的稳定性，减少土方挖方，临时场地挖方土方堆积，必要时也采用一 些简易支护方式，比如在坡脚堆砌块石、或砂包草袋或在坡脚运用短桩隔板挡土 设施。放坡开挖通常需要在设置降水措施，以此来提高边坡的稳定性。 2 悬臂式支护结构 对于基坑土质较好、开挖深度不深较浅的工程，可以采用悬臂式支护结构， 这种支护结构体系是依靠板、桩等建筑实体深入到土体中一定得深度，以此来产 生结构的抗弯能力，维持结构整体的稳定性和结构变形要求，悬臂式支护结构中 实体常见到得有钢筋混凝土板桩、钢板桩、地下连续墙等形式。此支护比较容易 产生较大的变形，对周边临近建筑将产生不良影响后果。 3 水泥土重力式围护结构 水泥土重力式围护结构又可以进一步细分，根据施工工艺不一样，可以分为 高压旋喷桩加固法和注浆加固法；施工材料不一样可以分为；水泥土搅拌桩加固 法和水泥粉喷桩加固法；还有根据施工成桩外形分：网状树根桩加固法。 4 内撑式围护结构 由支护结构和内支撑体系两部分共同构成内撑式支护结构。钢筋混凝土排桩 和地下连续墙式支护结构体系常采用的形式，内支撑体系由可细分为水平支撑和 斜支撑。 4 湖北工业大学硕士学位论文 内支撑又可以常采用钢筋混凝土支撑和钢管( 或型钢) 支撑两种类型。钢筋混凝 土支撑体系具有刚度大、变形小、结点构造简单、整体性好的优点，而钢支撑具 有钢管可以回收的优点，同时加预应力也方便。各种地质条件和较深的基坑都可 以考虑选用内支撑支护体系。 5 拉锚式围护结构 支护结构体系和锚固体系两部分共同组成拉锚式支护结构，其中的锚固体系 又可细分为锚杆式和地面拉锚式两种类型。在软粘土地基中应慎用，因为拉锚式 不能提供很大的锚固力。 6 土钉墙围护结构 该方法的施工程序，通过钻孔、插筋、注浆来设置完成，基坑开挖过程中， 先需在土坡中设置土钉，然后在坡面上铺设钢筋网，再向钢筋网面上喷射混凝土 形成混凝土面板，称为土钉墙支护结构。地下水位以上、人工降水后的粘性土、 粉土、杂填土及非松散砂土、卵石等土层中可考虑选用土钉墙支护，当为淤泥质 土及未经降水处理的地下水位以下的土层中将不宜采用，慎用。 该支护施工无需大型施工机器设备，工艺简单、适用性广、造价低、竖直开 挖很方便等特点。 7 双排桩围护结构 在软土弱场地或开挖深度较大时，单桩的抗弯刚度不能满足变形控制和强度 要求。可考虑采用双排桩，钢筋混凝土灌注桩、压顶梁和联系梁形成空间类似于 门架式支护结构体系。大大增加桩体的侧向刚度，能有效的限制边坡的土体的侧 向水平变形量。 8 组合式排桩 1 ) 主桩与挡板组合 因桩距较大，所以是一种稀疏排桩的支挡结构，特点是桩间土的侧压力通过 挡板传递给主桩。 2 ) 主桩与水泥土拱组合 主桩是指钢筋混凝土桩，水泥土拱是指深层搅拌桩水泥拱；典型的主桩与水 泥土拱组合就是二者共同组合。深层水泥搅拌桩相互搭接组成平面拱来代替挡板， 平面拱再把侧压力传递给主桩上。 3 ) 排桩与混凝土防渗墙组合 对于软土地区，地下水位较高，挡土、防渗是基坑支护面临的两大课题，直 接关系支护方案的成败。将稀疏排桩( 单排或双排) 用以来挡土、水泥土搅拌桩 用以来防渗，两者共同组合，结构支护达到合理化并且经济有效。 湖北工业大学硕士学位论文 9 沉井围护结构 采用于 对于基坑平面尺寸较小而开挖深度很大的特殊基坑，沉井结构形成支护体系 比较适用，可优先考虑。 1 0 加筋水泥土墙 水泥土重力式挡墙支护深度小，是因为水泥土抗拉强度偏低，人们在水泥中 插入型钢可以提高水泥土的抗拉强度。水泥土中加入型钢形成的维护结构称之为 加筋水泥土墙。 1 1 地下连续墙 在指定位置处，通过专用的成槽机械设备开挖狭长的深槽，将膨润土泥浆进行 护壁；深槽的开挖长度满足一定要求时，形成一个单元槽段；在旁边场地预制钢 筋笼，并将预制好的钢筋笼插入槽内，将混凝土通过导管浇筑形成一个单元段； 用特制的接头方式将个单元段相互连接，现浇壁式地下连续墙形成。 地下连续墙的适应性非常广泛，各种地质条件、各种深度的基坑都可以采用。 1 4 双排桩支护结构的特点 双排桩支护结构是指在地基土中两排桩平行的分布，一般有矩形或梅花形布 置，且两排桩桩顶用刚性冠梁相接，沿坑壁的方向平行，形成类似门字形框架的 空间结构，两排支护桩呈悬臂式，具有较大的侧向刚度，可以有效的控制基坑的 侧向变形，与单排悬臂桩支护结构相比，双排桩支护结构具有很多优点h 儿5 即： ( 1 ) 单排悬臂支护桩结构的支护原理是：依靠嵌入坑底土内的足够深度来， 承受桩后侧的土压力，并保证结构的稳定性，此支护形式坑顶位移和桩身变形量 较大。双排桩支护结构由于由刚性冠梁与前后排桩组成一个空间的超静定结构， 整体刚度很大，加上前后排桩与侧压力反向作用的形成一个方向力偶，使双排桩 支护结构的位移大大减小，同时桩身的内力也有下降趋势，比单排桩支护得更深 并且可以不需要设置内支撑，可以选用较小桩径的双排桩代替单排桩中大直径桩， 成本也会有所降低。 ( 2 ) 双排桩支护结构是超静定结构，在受外部荷载复杂多变的情况下能自动 调整结构本身的内力，相比较单排悬臂桩为静定结构，不能自动调整内力的功能。 ( 3 ) 双排桩支护结构所需的场地不多，出红线的可能性很小，对环境破坏程 度比较低，与拉锚支护结构相比在密集建筑区更具可以考虑优先。 ( 4 ) 在相同的情况下，锚杆( 支撑) 双排桩比锚杆( 支撑) 单排桩要经济， 6 湖北5 - 业大学硕士学位论文 由于前者支护深度更大，所以所选用的支护桩直径更小。 ( 5 ) 双排钢板桩支护结构，前后排桩见所采用的填充材料为：水泥土或用水 泥土搅拌桩来加固双排钢筋混凝土桩支护结构，具有较好的防渗功能，可以广泛 的应用于围堰、防坡堤和码头工程建设中，从而在对防渗有严格要求的建筑物工 程建设中有具有广泛的应用前景。 1 5 双排桩支护结构研究现状及存在的问题 1 5 1 国内研究的现状 在进行双排桩支护结构分析时，一般先确定作用在前后排桩的土压力分布、 桩端连接、底端嵌固情况；然后分析桩间土对前后排桩的作用，土体滑裂面位置 改变对土压力分布状况的影响、冠梁空间协调作用，桩土之间的相互作用等因素。 许多学者对此开展了大量研究，也建立了很多计算模型。这些计算模型，大致可 以主要分为三类：第一类是基于经典土压力理论确定的计算模型饽3 ；第二类是基 于w i n k l e 假定的计算模型h 3 ；第三类是基于土拱理论建立的计算模型。其中后两 种模型考虑了桩一土的共同作用效果，计算结果较为理想。研究从极限平衡方法、 弹性地基梁法着手开始，到目前选用的有限元分析数值分析方法，研究的技术水 平逐步提高，短暂的时间内取得如此大的进步，充分体现双排桩结构在工程中有 良好的前景。 1 5 1 1 基于经典土压力的计算方法 确定作用在桩体上的土压力计算中，张弥口3 提出利用经验系数和极限土压力来 确定，将两排桩的作为一个整体来考虑，及其对土体的约束作用也考虑进来，将 桩间土近似地认是为受侧向约束的无限长弹性土体，并且考虑到双排桩顶冠梁的 作用，因为假定在深度z 处相对于水平位移而引起的横向应变为零，所以作用于 前排桩桩背的土压力为： q = 弦( 1 - g ) ( 卜1 ) 作用于前排桩前的侧向抗力e ，其大小是介于静止土压力与被动土压力之间， 对被动土压力予以折减可以简化计算，即 p r = k p p = k ，( t z kp + 2 c 邵) ( 1 2 ) 式中k ，一被动土压力折减系数，它与桩土变形的参数有关，取值范围在 o 5 0 7 之间。 后排桩的侧向抗力作用可以按式( 1 - 1 ) 式计算，桩背土压力的计算取决于桩 湖北工业大学硕士学位论文 的侧向位移。因为双排桩的刚度较大，所以假定后排土位移仍处在弹性范围内， 即桩背侧向土压力以计算值大小介于静止土压力与主动土压力之间，公式如下即 o e = k 2 p 。= k 2 ( 胚。一2 c k 。) ( 卜3 ) 式中，k ，一侧向主动土压力修正系数，一般取值范围为1 1 1 2 之间。 根据以上确定的土压力提出如图卜1 所示的计算模型。前排桩的计算按单锚 板桩来计算，在设计桩最小入土深度时，可按两端简支的板桩计算，上下两简支 点为板桩和桩端，支点的反力可以通过静力平衡求得，求出最大弯矩及其作用点 位置。后排桩桩长可采用对桩抗倾覆验算求得，进一步求出最大弯矩及其作用点。 这种计算方法为早期的双排桩设计时所选用的计算方法，在计算过程上比较 简单，但其假定与实际工程有一些出入，没有考虑与土压力反向的桩顶力偶作用， 此假定的计算结果并不能和实际的双排桩支护结构超静定结构体系相符，在多变 外力情况下超静定结构可以对内力自动调节，此计算模型只有当前后排桩排距较 大，连系梁和前后排桩连接刚度比较小的时候，比价适用。 确定前后排桩所受的侧土压力，何颐华呻3 等人提出根据双排桩前后排桩之间的 滑动土体的体积占桩后滑动土体总的体积比值来确定。 基坑开挖以后，计算假定前、后排桩主动土压力合力与被动土压力合力分别 为e 矿、e p ，、瓦和e 加( 图卜2 ) ，依据双排桩前、后排桩排列情况的不同，土压 力传递不同来计算。 一 a h ， ， ， ， ， ho ， ， ， b， o 融龋 萏 币。艘 盐 么垮 凄擎 妒 鼍 5 1 0r 争2 1p i l eg r o u p l2 x 2 p i l eg r o u p 仑3 x3p i l eg r o u p 02 04 06 08 01 0 002 04 06 08 01 0 0 p i l eh e a dd i s p l a c e m e n t ( 锄) p i l e h e a dd i s p l a c e m e n t ( e m ) ( a ) 正常固结土体试验成果( b ) 超固结土体试验成果 图1 - 1 5 单桩荷载下桩顶位移变化图( 桩间距选用3 d 情况下，d 为桩径) 通过现场试验数据比较分析：双排桩或多排桩在变形控制方面效果非常的明 显，排数越多整体刚度越大、控制变形效果越好。在受力相同水平荷载的条件下， 群桩控制变形的能力相对单排桩强，因为桩帽( 即连梁) 的存在使得群桩近似成 为一个多排刚架( 多次超静定结构) ，控制变形能力得到了增强和改善。图卜1 5 a 、 b 分别是在选用正常固结土与超固结土下试验所得曲线成果资料，在水平荷载相等 的状况下，超固结土体的位移量要明显小于正常固结土体的位移量，土体差异对 桩体位移具有一定的影响。 z)iuilq-ioj弓爵。一一舟_iu_日一。崔io 湖北工业大学硕士学位论文 1 5 3 存在问题 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，但总的看来有几下几个特点： ( 1 ) 由于双排桩支护体系的理论研究，在施工现场进行试验的成本较高、且难 以操作，及时监测等缺点，因此现阶段的理论研究主要通过室内模型试验为主， 室内模型试验具有成本低，方便操作，利于及时监测等优势，但也有模拟结果不 能完成与现实情况或条件相吻合的缺陷。 ( 2 ) 关于作用在前、后排桩的土压力模型，有很多种说法，而且各种方法都各 有各自的道理，但每种方法都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性状； ( 3 ) 尽管目前双排桩支护结构已经在基坑工程中得到了成功的应用，但对于双 排桩支护结构受力性状的探讨比较少，如何合理的阐述双排桩支护结构以及桩间 土、桩后土体的影响的探讨也比较少。 目前，双排桩的设计计算方法和理论的研究还不完善，受力机理还不明朗化， 现场收集的实测资料也不多，受力与变形的理论也还不够完善，例如前后排桩的 土压力如何分配，结构的内力与位移的计算模型和方法有待进一步完善，排间距、 桩间距、前后桩桩长、桩径和桩间土体刚度等参数的改变对支护结构稳定将有怎 样的影响，这些疑问得到解决都有待于我们进一步深入探讨。 1 6 本论文的主要研究内容 双排围护桩结构从最初应用至今短短十几年的时间内，已经有大量成功的工 程实例畸m m 7 m 8 瑚3 ，根据目前深基坑双排桩支护结构的研究现状、存在的问题和 实际工程的需要，论文从理论和实际出发，主要研究以下内容： ( 1 ) 收集了大量的与双排桩支护体系及相关结构体系的研究成果资料，对各 种双排桩计算理论方法和计算模型进行详细比较、分析，论文将进一步完善双排 桩支护的计算理论。 ( 2 ) 根据完善后的双排桩支护计算理论，选取计算模型：考虑前、后排桩的 变形协调，假定连梁与前、后排桩桩顶均为刚接。以某市高层住宅楼基坑工程为 例，监测基坑开挖过程中周围土体位移场的变化情况，得出有用的规律；通过建 立三维数值计算模型，选取不同的排间距、桩间距、前后排桩桩长、桩体刚度和 桩间土体的刚度参数，来计算双排桩支护结构位移和弯矩；归纳出变化的规律。 ( 3 ) 论文编制f l a c 3 d 有限差分法程序，对双排桩支护体系进行了三维数值 2 1 湖北工业大学硕士学位论文 ! ! 曼! ! 曼! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 鼍! 曼曼曼! ! 皇! 皇- ；- ；- 鱼i ；i ；i _ ii i 鼍 模拟分析，从经济合理的角度，分析了不同刚度的桩体、桩长、桩间距对前、后 排桩的作用力、弯矩、水平侧向位移变化的影响。在具体的工程中确定双排桩前 后排桩的桩径、桩长、桩距、桩体刚度，改善桩间土体的刚度；符合安全、经济、 合理的工程设计技术要求，最终优化支护结构设计的目的。 湖北工业大学硕士学位论文 - 一i 一一 il i 1 l 曼! ! ! ! 蔓! ! ! 1 2 1 引言 第2 章双排桩支护结构设计计算分析 将地基基础视为弹性地基梁，即“m 法在很多规范、土木工程专业高校的教 材中都有提到。基于弹性地基梁理论，结合工程实际情况，提出双排桩弹性地基 梁计算模型：土压力在空间上分布的空间效应，冠梁连接前后排桩在空间上起到 的变形协调作用，双排桩排间距地改变对支护结构受力和变形的影响；采用杆系 有限元法计算变形和内力。 2 2 双排桩弹性地基梁法计算模型 2 2 1 弹性地基梁法 杆系有限元模型所依据的理论是基于弹性地基梁m 法的弹性抗力法，同时为 了方便计算对该模型进行初步假定： ( 1 ) 在计算土体压力时，基坑开挖的底部以下土体按弹性地基算；计算桩体 受力变形和弯矩时，将桩体视为放置于地基中的梁； ( 2 ) 被动土压力计算是按土弹簧反力模拟，并且将作用在基坑底部以下的桩 体上的弹簧，具有不相关性； ( 3 ) 桩顶部和桩底部的约束条件，可根据实际情况选择约束状态；为了维持 结构的整体的稳定，简化计算，将整体结构在垂直方向的位移忽略不计，假定为o ； 桩顶部与冠梁的连接形式可采用刚接、半刚性、铰接等情况。 假定中第一个假定，桩与土在水平方向的相互作用给于了一定程度上的考虑， 同时也存在不足的地方，沿桩轴力方向没有考虑桩与土的变形协调作用。 实质上，双排桩支护结构抗倾覆能力强，主要是由于它相当于一个插入土体 的刚架，基坑底面以下桩前土的被动土压力与刚架插入土中部分的前排桩抗压， 后排桩抗拔力所形成的力偶能够共同抵抗倾覆力矩，认识到桩土之间的相互作用 不容忽略。嵌入基坑底面以下的双排桩，不能将其视为完全固定不动，也不能视 为完成自由变动，与嵌入土深度、土质好坏等情况密切相关的变量。 综合考虑以上的因素，为了更好的模拟桩端土与支护桩的相互作用，桩端假 定为固定支撑；也可以结合实际情况，将刚度大小不一的弹簧用以来模拟桩底部 湖北工业大学硕士学位论文 的桩端阻力作用。 2 2 2 弹性地基梁单元的计算方法 对于处于基坑底面以下的弹性地基梁单元的弹簧刚度值计算式为： k = 晚6 f ( 2 一1 ) 式中： 吒为地基土水平反力系数； b 为地基梁的计算宽度； ，为节点相邻单元的平均长度。 在计算地基水平反力系数时，节点可能处在土层分界处，地基水平反力系数 计算值就有可能会跳跃变化；可利用单元中点处的水平地基反力