有限元法深基坑双排高低桩支护结构稳定性分析

摘要

近些年来，有一种新支护体系广泛应用于深基坑工程中，这就是双排桩支护结构。它是在单排悬臂桩支护技术的基础上新开发的一项技术，具有施工方便、侧向刚度大、稳定性好等优点，仍属于悬臂式支护结构类型。
　　由于双排桩工作机理相对复杂，人们对其作用机理的了解程度还不够完善。在基坑设计中已经有好多人采用了双排桩支护，该支护方法虽然在基坑规范中没有，但在实际工程中经常使用。而在论证时，设计人员往往不能拿出一个令人信服的计算书，对变形计算更是千奇百怪，因此还有很大研究空间。
　　在双排桩支护结构的改良过程中，出现了一种新的双排桩支护形式。这种支护结构通过降低前排桩，使前排桩体在桩长不变的情况下有更大的埋深，后排桩体用冠梁连接，前排桩顶与后排桩身用承台连接，并在后排桩冠梁与承台之间加设斜撑，本文称之为高低双排桩支护结构。针对这种双排高低桩结构的支护形式，本文以天津奥体中心深基坑工程作为基本算例，利用 ANSYS有限元分析软件，取基坑的一部分建立模型，计算分析。最后通过计算结果来分析这种支护结构的稳定性与支护原理。然后，通过改变单个因素来进一步研究后排桩长度，桩间距，斜撑刚度，排距，桩体刚度，冠梁及承台刚度，前后排桩比例等因素对双排高低桩支护效果的影响。
　　本文得出的主要结论如下：
　　1. 坑底塑性隆起：靠近坑壁处塑性隆起量最小，由坑壁向基坑中心处逐渐增大，越远离坑壁隆起量的增量越不明显，基坑正中心处的隆起量最大。随着开挖的一步步进行，基坑底部的最大隆起量在逐渐增大。
　　2. 支护结构侧向位移：桩顶与桩底侧向位移量较小，桩体中间部分位移量较大。前后排桩的位移变化趋势基本上是一致的，随着基坑开挖，最大侧向位移逐渐下移，承台与斜撑的存在，限制了桩顶位移量，前排桩的存在，有效地限制了后排桩的位移，整体上满足稳定要求。
　　3. 桩后土体侧向位移：桩后土体的位移与支护结构侧向位移有一定关系，其沿基坑深度的分布与桩体水平位移的曲线形状类似，在排桩底标高位置位移趋势发生突变。由于支护结构的存在，有效地限制了桩后土体的侧向位移，且距离基坑越远，坑后土体的侧向位移就越不明显。
　　4. 支护结构上的土压力：基坑逐步开挖，导致后排桩的桩后土压力逐步减小，由于桩 与桩间土的共同作用，在完成承台与斜撑后，桩间土与后排桩共同受力共同变形，因此从工况2到工况4之间，作用在前后排桩上的桩间土压力几乎没有变化。由于前排桩向坑内有一定的位移，且由于开挖面卸载作用的原因，其竖向应力减小，从而导致水平应力减小，因此随着开挖的进行，前排桩桩前土压力有所增大，但仍远小于被动土压力。
　　5. 桩体应力：后排桩弯矩最大点发生在前后排桩间承台处，弯矩的反弯点发生于桩体根部，反弯点以上，右侧受拉。前排桩最大弯矩点发生于桩顶至基坑开挖面之间，应力分布连续，弯矩的反弯点发生在开挖面以下5.6m处，反弯点以上右侧受拉。
　　6. 对于土体塑性区域：随着基坑的一步步开挖，导致土体因剪切变形产生的塑性区域在不断扩大，主要集中于前排桩前开挖面以下。对桩前被动区土体采取换填、强夯等加固措施，可以控制土体的塑性变形。
　　7. 在相同的施工条件下，等高门架式双排桩作用于后排桩上的桩后土压力略有减小，桩间土压力发生了变化，其土压力大小介于静止土压力与郎肯主动土压力之间，作用于前排桩上的桩前土压力峰值有所增大。后排桩的最大应力值有所减小，前排桩的应力最大值有所增加，前排桩承受了更多的土压力。等高门架式双排桩的支护效果不如双排高低桩支护效果理想。在实际施工过程中，采用这种降低前排桩与承台高度，并在后排桩桩顶与承台之间加设斜撑的施工方法可以有效的控制支护结构的位移量。
　　8. 对于未设置斜撑的双排高低桩支护结构而言，作用于后排桩上的桩后土压力有所减小， 桩间土压力在基坑开挖面以上没有变化，在基坑开挖面以下有所减小，前排桩桩前土压力在桩体上半部分的变化不大，在桩体下半部分有所减小。其前后排桩应力最大值均小于基本算例。在相同的施工条件下，斜撑对控制桩顶桩身水平位移起到很大作用，在实际施工过程中，采用这种在后排桩桩顶与承台之间加设斜撑的施工方法可以有效的控制支护结构的位移量，从而达到良好的支护效果。
　　9. 对于适当增加排距后的双排高低桩支护结构作用于其后排桩上的桩后土压力有所增大，桩间土压力在基坑开挖面以上有所减小，在基坑开挖面以下有所增大，桩间土压力的分布形式基本一致，作用于前排桩上的桩前土压力与算例大体相一致，只是在桩底处土压力有所增大。其前后排桩应力最大值大于基本算例。在合理的范围内适当增大排距对支护结构位移能起到有效的控制作用。
　　10. 适当增大后排桩长度后，作用于支护结构上的土压力与基本算例中结果本相同，土压力曲线基本一致，其前后排桩应力最大值均小于基本算例。在实际施工过程中，出于工程造价方面的考虑，在满足整体抗倾覆要求的情况下，一般会减小后排桩长度，这对基坑支护效果的影响不大。
　　11. 在相同的施工条件下，作用于增大同排桩桩间距后的支护结构上的土压力的计算结果与基本算例中结果相差不大，只是略有减小，土压力曲线基本一致，说明了在适当范围内增大桩间距对基坑稳定性影响不大。增大桩间距对支护结构的侧向位移有一定影响，但如果在合理的范围内增大桩间距，由于冠梁、承台的作用，使同一排桩作为一个整体工作，将不会对支护结构的稳定性造成过大影响。在实际施工过程中，可以根据工程地质状况适当的增加同排桩的桩间距，从而节省材料，降低工程造价。
　　12. 在相同的施工条件下，增大斜撑密度后作用于后排桩上的桩后土压力有所增大，桩间土压力在基坑开挖面以上有所减小，在基坑开挖面以下有所增大，桩间土压力的分布形式基本一致，作用于前排桩上的桩前土压力与基本算例相比略有减小，由于桩与桩间土共同作用，在一定范围内改变斜撑密度对支护结构的稳定性有一定影响，但影响不大。增大斜撑密度对控制支护结构的侧向位移有一定效果，但如果适当的减少斜撑数量也不会对支护结构的稳定性造成过大影响。在实际施工过程中，可以根据工程实际情况，在满足稳定性要求的情况下减少斜撑数量，降低工程造价。
　　13. 桩体刚度对支护效果有明显的影响，当桩身刚度增大时，桩顶位移与桩身最大位移均有明显的减小，但其刚度超过基本算例刚度 1.5 倍时，其作用效果明显降低。适当的增加桩体的抗弯刚度的确可以减小桩身位移变形，增强支护效果，但绝对不能片面的为了控制位移增大桩身截面面积或改变桩体材料，应采用多种方法组合运用来控制桩体侧移。
　　14. 适当的增加冠梁与承台的抗弯刚度可以减小桩身位移变形，增强支护效果，但其刚度超过基本算例刚度2倍时，其作用效果明显降低。
　　15. 排距大小对支护效果有明显的影响，当排距增大时，桩体的最大侧向位移先减小后增大，减小的速度快，增大的速度慢，最大侧移量曲线大致呈“C”型。当排距等于 5 倍桩径(3.5m)时，前后排桩最大侧向位移量均达到最小值。适当的增加排距可以减小桩身位移变形，增强支护效果，但要综合考虑施工情况，和周围环境，从而选择合适的排距进行支护。

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第一章 绪论

§1-1引言

§1-2双排桩支护结构简述

§1-3 双排桩支护结构的研究现状

§1-4 双排桩支护体系研究中尚待解决的问题

§1-5 主要研究内容

第二章 基坑工程变形理论与稳定性分析

§2-1 基坑工程的基本概述

§2-2 基坑工程的变形和稳定性理论及分析方法

§2-3 基坑工程的时空效应

§2-4 本章小结

第三章 双排桩分析方法及有限元实现

§3-1 前言

§3-2 三维有限元法开挖模拟分析

§3-3 土体弹塑性本构模型的选取

§3-4 本章小结

第四章 双排高低桩支护结构稳定性分析

§4-1 简述

§4-2 基本算例三维有限元模拟

§4-3 本章小结

第五章 不同型式双排桩支护结构的对比分析

§5-1 前言

§5-2 门架式等高双排桩的算例对比

§5-3 不设斜撑的高低桩支护结构的算例对比

§5-4 增大双排桩排距的算例对比

§5-5 增大后排桩长度的算例对比

§5-6 增大同排桩间距的算例对比

§5-7 加密斜撑的算例对比

§5-8 增大开挖深度的算例对比

§5-9本章小结

第六章 双排高低桩支护结构参数敏感性分析

§6-1 前言

§6-2 桩体刚度对支护效果的影响规律

§6-3 冠梁以及承台刚度对支护效果的影响规律

§6-4 前后排桩间距对支护效果的影响规律

§6-5 本章小结

第七章 结论与展望

§7-1 结论

§7-2 展望

参考文献

致谢