（地质工程专业论文）深基坑排桩顶圈梁作用机理研究与有限元模拟.pdf

摘要 深基坑工程是多领域相互交叉的学科，是多种因素交互影响的系统工程，目前 理论研究还不成熟，仍有大量未解决的问题。在深基坑各种支护形式中，排桩的应 用十分广泛。这其中圈梁又是个不可忽略的因素，起着非常重要的作用。当前对 圈梁作用机理与协调机制的研究仍然存在一些不足之处。本文以深基坑排桩一圈梁 体系中的顶圈梁为研究对象，在总结前人研究成果的基础上，建立排桩一圈梁协同 作用力学模型，借助计算程序分析顶圈梁的作用机理。探讨不同因素对顶圈梁作用 效应的影响，并结合工程实例运用有限元分析软件a b a q u s ，对基坑开挖过程进行 了三维模拟，得出了以下结论： ( 1 ) 圈梁作为深基坑排桩一圈梁支护结构中非常重要的部件，不仅能提高排桩 的承载能力，而且对排桩的受力及变形具有明显的改善作用。实际工程中圈梁应尽 量闭合，以使约束作用达到最大： ( 2 ) 阻粱抗弯刚度和跨度对其作用效应有较大影响，通过增加圈粱刚度或减小 圈粱跨度可以改善其效能。不同基坑工程的圈梁都存在一个临界刚度，设计时应使 圈梁的刚度大于临界刚度。 ( 3 ) 排桩桩距不仅决定桩体承受的土压力值及圈梁的跨度，还决定桩间土体拱 效应的大小。如果桩间距设置在合理范围，桩间土的拱效应和支护桩的承载力能将 得到较好发挥。 ( 4 ) 排桩桩身弯矩曲线中存在两个反弯点，随着挖澡加大第二反弯点会逐渐消 失。这在实际工程中具有重要指导意义，它预示着桩体的埋置深度已接近临界状态。 关键词：深基坑顶圈梁力学模型作用机理有限元分析 a b s t r a c t 珏e 南u n d a l i 咖p n g i n 蕊n g j sn o to n l y 锄抽t 黜e s h 呐e c t i n m 卸y 右e l d 3 ，b l l t a l as y s t 锄g m 朗f i n ge f r e c t e db ym a i i yf h c 岫a tp r e s c n t ，t l l ef 鄂e 卸c h t l l et h e 0 叮 i sa l s 0i m l a t u 坞t h e a s m lm 舡l yu n s o l v e dp m b l e i n so ni t t h e 印p l i c a 虹o no f m d 6 p i l ei sv 霉f y 州d ei nv 鲥o u ss 删i n g 如册s 虹t h i ss 弘t 锄，r i n gb 懿mi s 瓤 咖呲碰西b l ef h c t o r 锄dp i a y sav e f yi l p o r t 锄t 1 e a tp r e s c i l t ，t h e r e 盯ea l m 跚y d c f i d 髓d 鹳i nt 1 1 es t i l d yo f a c t i o n 孤dc o o r d i n a t i o nm e c h a n i s m o n 也eb 船eo f p r e v i o 璐 俺船哦hf 嘲l 扭，t a _ k i n gm er i n gb e 锄o f m l i l d - p i i es y s t e ma s 缸s 删yo b j e c ，出ea _ u t h o r e s t a b l i s h e dm e c l l a i l i c sm o d e l 曲o u t 也es y l l e r g i s t i cc f f b c to f p i l e - r i l l gh 籼，觚a l y s i s e dm e a c t i o nm e c h a l l i s mo fr i n gb 锄缸l dd i s c l l s s e dt h ee f f b c to fd i f f b r e mf - a c t o 馏m e 缸n c d o no f r i n gb e 锄f i n a l l y ，啪b i n i n g 季n r i n gm s t a 】ea n d 璐i n gf i 斑t ec l 唧e n t 觚a l 螂s 竹w a a b a q u s ，也ea u d h o r m a k en l 确 d i i n 髓s i 叩a ls i m l l l a t i o n 如r 麟c a v a t i p f o o e 豁锄dd r 州s o m ec o n c l u s i o n s ： ( 1 ) t 1 1 er i n gb 唧越av qi m p o n a n tp a r tn o to i i l ye n h a n c ec a 耐n gc 印a c i t yo f 删l t i p i l e ，b u t a l s oi l n p r 0 v e o b v i o u s l yt 1 1 ep r e s 蚰衄dd e f 0 册a t i o n i na c t i l a l 删蜘血g ，t h eb 咖s h o u l db ec l o s e d t h i si n e a s u r ec a n b eu pt 0 l el a r g e s tc o n s h 面m e f l 碗t ( 2 ) t h eb 衄d i n gs t i f 丘l 髂sa i i ds p 锄l e n g m 撕b c tt l l ea c t i o ne f f to f b e 锄，w ec 趾 i l i l p r o v ei t se 街c i 吼c yt h r o u 曲c h a n c i n gs l i 脑e s sa n dr e d u c m g 如es p a nl e l l g i h d i m 懈i t b 锄h a s 训o l l sc t i c a is t i 颤龉s ，w em 惦ts e tt l l eb 饥d i n gs t i f m 器8m o r es 扛d n g c rt i l a n 妒s 嘶t i c a ls t i f m 昭s ( 3 ) 1 1 1 ep i l es p a c i n g n o t o r d y 世瞰t l l e v a l u e o fe a n ：h p r c s 飘l r ea 1 1 d s p 姐o f b 锄，b u t a l s od e c i d et h ev a l u eo f s o i lb o d ya r d he 行b c t i f s e t1 h ep n es p a c i n gi i l t or e a s o n d b l em g e ， m ea r c he f f 酏t 锄dm e b r i n gc a p 觚i t y 啪b ep l a y e dt h el a r g e s tr o l e ( 4 ) n 屺m o m e n tc u r v eo f m m 蛀- p i l eh 勰协oc o l 灯a n e x l 篙p o 岫t ，w 蜘旺d i g 西n gd 印协 i n 蝴s o d ，t t l es o n dp o i n tw 丑ld i ed o w n t h ep h 朗l o l n o n o nh 勰av e r yi m p o r t a mg i l i d i n g s i 班6 c 锄l c e ，i t 缸洲e 岫觚e d d 印也o f p i l eh a 3 c l o s e dc r i t i c a ls t a t e k e y w o r d s ：d p 旬u n d a 廿o np i tt o pb 黜 m e c h a l l i c a lm 吠l e la c d o nm e c h a 丑i s m 御t ed 锄e n ta n a l y s i s 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学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 中不包含其他人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。 论文作者( 签名) ：越舔年b 月【。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( 含万方数据库) 、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。 论文作者( 签名) ；飞基塑鸸西年 7 月l 。日 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出 基坑问题是一个古老而又有时代特点的岩土工程课尉”，也是一个综合性的岩土 工程难题，既涉及土力学典型强度问题和变形问题，又涉及到土体与支护结构的相 互作用问题。对于这些问题的认识及其对策的研究是随着土力学理论，计算技术、 测试仪器以及施工机械、施工工艺的进步而逐步完善的。 早在2 0 世纪3 0 年代，蛔g l l i 和p e c k 等人就已经开始研究基坑工程中的岩土 工程问题并提出了预估挖方稳定程度和支撑荷载大小的总应力法。这理论一直沿 用至今，并且有了许多改进与修正。5 0 年代b j 删和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。 此后大量的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。在以后的时间里，世界各国的学者都投入了研究，并不断地在这一领域取得 丰硕成果。我国在基坑工程方面的广泛研究始于2 0 世纪8 0 年代初，在深圳市的一 个深基坑支护工程中率先应用了信息旌工法，大大节省了工程造价。进入9 0 年代后， 随着国民经济建设的迅猛发展，兴建了大量城市高层建筑、大型桥梁结构、地铁以 及地下商场等，深基坑工程越来越多。同时密集的建筑物、复杂的基坑形式，使得 基坑开挖的条件越来越复杂，这些均促进了地下空间利用规模的不断扩大。为了总 结深基坑支护设计与施工经验，我国编制了深基坑支护设计与施工的有关法规。有 些地区田，如武汉、上海、深圳等城市的建设主管部门还编制出了一些适合于本地特 定工程地质条件下的规范或指南。迄今为止，我国已建成几百栋高度超过l o o 米的 超高层建筑物，高度超过2 0 0 米的超高层建筑物已近百栋哪。其中：广州中天广场， 建筑面积3 0 6 万m 2 ，主楼地下2 层，地上8 0 层，高3 2 2 m ，加塔楼高度为3 8 9 9 m ； 深圳地王大厦，8 l 层，高3 2 5 m ，桅杆标高3 8 4 m ；上海金茂大厦，建筑面积2 9 万 m 2 ，地下3 层，地上8 8 层，建筑高度3 6 0 m ，塔尖标高4 2 0 5 m 。从发展趋势看，我 国正在建设的高层建筑越来越多，体重也越来越大。由此产生了大量的深基坑工程， 且规模和深度不断加大，这给基坑的设计和施工带来了很大的挑战【3 1 。基坑工程是岩 土工程、结构工程以及施工技术相互交叉的学科，是多种因素交互影响的系统工程， 目前理论研究上还很不成熟，存在着大量亟待解决的问题，基坑工程问题已经逐渐 第一章绪论 成为我国建筑工程界的热点问题之一。 大型深基坑工程建设需要有一个漫长和情况多变的施工过程 舯，且施工过程为一 个逐步变化的不完整结构承受不断变化的施工荷载的复杂受力过程，加上岩土本身 的几何组成、介质特性和应力的异常复杂性，要进行精确的受力分析是非常困难的。 由于深基坑工程造价高，开工数量多，是各施工单位争夺的重点，又由于技术复杂， 涉及范围广，变化因素多，事故频繁，是建筑工程中最具有挑战性的技术上的难点， 同时也是降低工程造价，确保工程质量的重点。怎样科学管理和科学施工是基坑设 计和施工单位有待继续思考的问题。 我国有许多深基坑工程处在工程地质条件比较复杂的东部沿海发达地区，这些 地区城市人口密集，基坑周围原有建筑物、地下管线及道路的安全等是深基坑工程 施工中必须考虑的重要因素。基坑工程的设计和施工不但要考虑基坑工程自身的稳 定，还应该充分考虑它对周围环境的影响。这对基坑工程的设计，计算理论和掩工 技术提出了更高的要求。 由于以上原因，我国深基坑工程事故时有发生，一般的发生率占基坑工程数量 的2 0 左右，有的城市甚至达到3 0 左右。如：位于上海黄浦区的某大厦【5 】，地上 2 9 层，地下3 层，基坑深度为1 2 3 5 m 。1 9 9 4 年9 月1 日上午7 时许，大楼靠马路一 侧约4 0 m 长基坑支护结构破坏，地下连续墙突然倒塌，马路路面下陷面积约5 0 0 忸2 ， 下陷最深达6 7 m 。路面下的地下管线，包括电力电缆、电车电缆、煤气管道、自 来水管道、雨水管道等遭受严重损坏，煤气大量外泄，大面积停气、停电和停水， 交通中断。造成重大经济损失和不良社会影响。位于珠海市拱北关前的某大厦，是 迎接澳门回归的标志性建筑。拟建2 6 层，4 层地下室，基坑深1 6 2 m 。1 9 9 8 年s 月 6 日下午4 时3 0 分，已经挖深1 5 1 6 m 的南面地下连续墙突然倒塌；晚上9 时许， 基坑北面再次倒塌，导致附近5 幢居民楼( 2 4 层) 迅速下陷倒塌，金升酒店前的 2 层办公楼滑陷进基坑内，造成很大经济损失和社会影响。类似事件很多，在此不再 一一列举。这些工程事故主要表现为支护结构产生较大位移、支护结构破坏、基坑 塌方及大面积滑坡、基坑周围道路开裂和塌陷、与基坑相邻的地下设施变位以至于 破坏，邻近建筑物开裂甚至倒塌等。因此，设计和施工人员要充分认识到软土地基 的复杂性及危害性，严格遵循基本设计原则，精心设计、认真施工保证质量，杜绝 侥幸心理。 2 河海大学硕士学位论文 1 2 基坑支护体系研究现状 上世纪3 0 年代，国外已经有学者开始研究基坑问题，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。4 0 年代，对开 挖问题提出了预估挖方稳定程度和支撑荷载大小的总应力法，这一原理一直沿用至 今，并在此基础上进行了一些改进和完善。5 0 年代又有人给出分析深基坑地板隆起 的方法。近2 0 几年来，我国各大中城市万幢高楼拔地而起，但是基坑开挖过程中常 有因支护结构内力和位移过大引起的事故发生。人们总结经验教训，在基坑工程领 域开展了一系列的研究。其中，对桩顶圈梁在发挥排桩整体效应方面认识的不断加 深，工程界专家学者对排桩一圈梁支护体系的设计计算模型进行了大量研究，并取 得了一些非常有价值的成果。 1 2 1 基坑圈梁排桩作用体系研究现状 早在上世纪6 0 年代，f 锄e l l i 等【6 l 就明确提出了t 0 p - b 锄( 顶梁、髑粱) 的概念。 丽在我国，对于深基坑圈梁一排桩相互作用的研究相对较晚，1 9 9 5 年以前几乎没有 涉及【7 】嘲，1 9 9 5 年以后，随着人们对于基坑工程研究的深入，圈梁一排桩相互作用 的研究才受到越来越多的学者的关注f 9 】。曾庆义等f 1 料通过分析和计算圈梁对支护桩 的作用力，探讨了圈梁对支护桩的作用机理和效果，并提出了一种基于结构力学原 理的计算桩顶圈梁约束作用力的计算方法。李水泉等【i l 】把圈梁对桩顶的约束作用简 化为一个侧向弹簧和一个抗扭弹簧，根据基坑的支护桩条件计算出任一处的弹簧刚 度，从而求解支护体系的内力。杨光华t 圯1 提出一种圈梁作用的简化方法，将圈梁简 化为一均布荷载作用下的简支梁，利用迭代的方法建立桩顶支承反力与支承刚度的 关系，逐步迭代至设定的收敛值，最后求得圈梁的弯矩及剪力。朱彦鹏掣1 3 1 将支护 桩和圈梁结构简化成模型框架结构进行结点、单元的划分，在简化假定的基础上应 用有限单元法计算桩身弯矩和桩顶位移。陈万祥等【1 4 】考虑圈梁与排桩在桩顶的位移 协调、考虑圈梁沿基坑的变形连续，建立了圈梁一排桩相互作用的计算模型，然后 将圈梁侧向弹簧刚度和锚杆弹簧港督引入到支护桩的整体刚度中去，以弹性地基梁 有限元为基础，编制了圈梁一排桩相互作用有限元分析程序，得出了些有用的结 论。f o o k h l 等【1 5 j 对新加坡的软土基坑所做的监测表明圈梁拐角的强化效应 可显著地减少支护变形和地层沉降，对基坑所做的反分析也验证了拐角强化效应的 显著性。同时，三维分析比二维分析更能准确地预测位移。作者还指出，基坑的拐 3 第一章绪论 角效应取决于三个因素：基坑的长深比、较硬土层的深度和支撑系统的刚度。 c 1 1 a n 乎y uo 掣1 6 1 也做了类似的工作，得出了一致的结果。此外，还有其他一些学 者提出了自己的计算方法和模型。 1 2 2 土压力理论研究现状 以极限平衡理论为基础的r a n k i n e 士压力理论和利用滑楔理论推导出的 c o l 】h 珊b 土压力理论无疑是刚性挡墙设计中的重大变革，一直到现在，在基坑和挡 墙设计中仍广泛使用。 r i c h a r dl h ( 1 9 8 5 ) 【1 刀用水平土条极限平衡原理，研究了考虑拱效应时刚性挡墙 的土压力分布，发现靠近粗糙挡墙的大主应力发生了偏转，水平侧压力超过了传统 计算方法得到的土压力。在矮墙上的土压力为土体自重应力的0 4 2 倍，国外其他学 者对主、被状态下的土压力也作了研究，多以刚性挡墙为研究对象，遵循平面滑裂 面假定。 f i t l f l ( 1 9 6 7 ) 【1 8 】等曾用极限分析方法研究了古典的c o u l o m b 直线破坏机理问题。 d a r i s ( 1 9 6 8 ) 【1 9 1 研究了由两个刚性滑块组成的稍微复杂的机理。r o s e l l 胁( 1 9 7 3 ) 和陈 惠发( 1 9 7 2 ) 在土压力极限分析中做了大量的工作【2 0 】【2 1 l ，研究了多种破坏机理下的主 动与被动土压力。 王鸿兴、孙大庆( 1 9 8 9 ) 【2 2 1 利用变分原理推导了刚性挡墙后填土滑裂面的微分方 程，并给出了简化条件下无粘性土和粘性土挡墙主、被动滑裂面的解析解。 陈文财、徐金明( 1 9 9 6 ) f 2 3 】用变分方法导出了与朗肯土压力公式完全一致的土压力 计算公式，尽管没有实质性的进展。但却是土压力理论研究的一种新尝试。 胡敏云、夏永承等( 2 0 0 0 ) 【2 4 】根据被支护土体中的成拱作用，将排桩后的土压力分 为直接土压力和间接土压力，用小主应力拱分析计算直接土压力，用大主应力拱分 析计算间接土压力，由此得到的土压力呈曲线分布，成为土压力研究的新思路。 朱碧堂等( 2 0 0 2 ) 【2 5 墚用拱形梁法对基坑开挖和支护中的土层拱效应作了初步 的理论分析，推导出了支护桩排的最大间距。 1 2 3 土体本构模型研究现状 自1 9 6 3 年r o s c o e 提出著名的剑桥模型以来，本构模型发展迅猛各种模型不计 其数，但是，广泛地被应用于实际岩土工程计算的仍只有为数不多的几个。目前常 用于基坑开挖分析的本构模型有：线弹性模型、非线性弹性模型、弹塑性模型、粘 4 河海大学硕士学位论文 弹性模型及粘弹塑性模型。 b o i t o n 等利用模型实验研究了基坑失稳前地下连续墙的性能、土与围护结构 的相互作用以及土体位移、墙体位移和空隙水压力的分布规律。 b m s b y 等唧对砂土地层中的悬臂板桩进行了室内模型实验，据以研究了板桩和 土体在开挖过程中的受力变形特性，并研究了土与挡墙之间接触面光滑程度及砂土 性质等对挡墙侧移和坑周土体沉降的影响。 陈永福、曹名葆和曾国刖删分别对土体在卸荷和再加荷等过程中的性能进行了 室内土工实验研究。结果表明： 1 软粘土的应力应变关系不但具有非线性特点，且受应力路径的影响； 2 轴向加载时的抗剪强度大于轴向卸载时的抗剪强度，表明土有严重的各向异 性。 根据应力状态，可将基坑分为两个或四个应力路径区，各区分别用一种典型的 应力路径表示，土的应力应变关系可以按双曲线拟合，并且可按某些参数加以归一。 侯学渊、刘国彬呻银据对上海软粘土的几种卸荷应力路径实验结果，提出了初始卸 荷模量以及在卸荷状态下切线模量的计算公式。将这种非线性特性的卸荷模量用于 分层总和法，计算基坑开挖引起的隆起量，有较好的实用性，在几种工程实例中计 算结果与实测值较为接近。 孙钧、谢宁【勰j 针对软粘土的流变问题进行了比较深入的理论分析和实验研究， 得到了较为丰富的成果，为软粘土流变问题的解决提供了一定的方法和建议，也为 以后对此问题的进一步研究提供了基础和方向。 时蓓玲口明根据基坑位移监测资料，建立了土体的三元件粘弹性本构模型，并由 此对基坑围护结构的变形进行了分析和预测，所获结果与实测值较接近，其成果己 在工程中得到应用。 1 2 4 基坑开挖变形与稳定性机理研究现状 基坑变形包括围护墙体变形、坑底隆起及坑周围地层移动。基坑开挖的过程是 基坑开挖面上卸荷的过程。由于卸荷丽引起坑底土体产生以向上为主的位移，同时 也引起围护墙体在两侧压力差的作用下而产生水平向位移和因此而产生的墙外侧土 体的位移。可以认为。基坑开挖引起周围地层移动的主要原因是坑底的土体移动和 围护墙体的位移。 5 第一章绪论 c l o u 曲与s c h 觚d t ( 1 9 8 1 ) 【6 7 1 根据板桩墙围护基坑的实测资料和有限元分析，研 究了地面最大沉降、墙体最大水平位移与基坑抗隆起安全系数之间的相互关系，并 将由基坑歼挖释放荷载引起的墙体位移分为两类。第一类为墙体位移较小，在此情 况下，地面最大沉降出现在墙体背后一定距离处，此时墙与土之间的摩擦力没有完 全发挥。第二类为墙体位移较大，在此情况下，摩擦力完全发挥，最大沉降发生在 墙边。黝s ，w j n 亭3 0 1 对地面沉降与基坑抗隆起安全系数之间关系的研究也得出了相 似的结论。 侯学渊、刘国彬口1 】认为，当开挖深度不大时，坑底土体在卸荷后发生垂直的弹 性隆起，其特征是坑底中部隆起最高，而且坑底隆起在开挖停止后很快停止，这种 坑底隆起基本不会引起围护墙外侧土体向坑内移动。随着开挖深度增加，基坑内外 的土面高差不断增大，当开挖到一定深度，基坑内外土面高差所形成的加载和地面 各种超载的作用，就会使围护墙外侧土体产生向基坑内移动，使基坑底产生向上的 塑性隆起，其特点是两边大中间小，同时在基坑周围产生较大的塑性区，并引起地 面沉降。当塑性隆起发展到极限状态时，基坑外侧土体便向坑内产生破坏性的滑动， 使基坑失稳，基坑周围地层产生大量沉陷。 对于基坑变形量的计算，多年来出现了很多经验、半经验公式，其中最为著名 的是p e c k 【3 2 1 ( 1 9 6 3 ) 的经验曲线。它将基坑的稳定性与地面变形相结合较全面地反映 了土体的工程性质、场地条件，施工工艺与质量对地面沉降的综合影响。同济大学 侯学渊教授在p o c k 和s d 如i d t 的基础上，借鉴三角形沉降公式的思路，依据墙体位 移和地面沉降两者的地层移动面积相关的原理，提出了确定地面沉降的地层损失法。 此法己在沿海软土地区逐步普及，加上适当的经验系数后，与量测结果较为一致。 1 3 本文的研究意义与路线 1 3 1 本文的研究意义 深基坑支护设计与施工既是我国各大城市基本建设工程中的重要关键问题，又 是岩土力学学科中比较复杂和困难的问题。我国已经有不少基建工程由于深基坑支 护失误，导致重大经济损失并延误建设工期。因此，如何保证深基坑支护工程既安 全可靠又经济合理，已成为当前城市建设中的一项重要课题。 在深基坑各种支护形式中，排桩的应用十分广泛。在排桩支护结构设计中，圈 粱是一个不可忽略的因素已经为工程界所公认，其设置也己写入规科3 3 划。但在其 6 河海大学硕士学位论文 作用机理和计算模型方面还存在一些问题： 1 我国现行的规范【3 3 l 中虽提出设置顶圈粱的要求，但对具体作法没有说明，至 今仍没有公认的考虑顶圈梁作用的排桩支护结构设计计算方法。 2 对顶圈梁的作用机理缺乏系统的研究，难以有效的指导设计和施工。 3 顶圈梁的设计在很大程度上仍是凭经验或是直接按构造要求设计，在施工中 也存在忽视圈梁作用或过分依赖其作用的现象，导致要么偏于保守，浪费投资，要 么偏于危险，引发事故的不良现象。 因此，对圈梁的作用机理和计算模型进行深入研究，不但在理论上弥补这方面 的不足，而且具有重要的实际工程指导意义。 1 3 2 本文的研究路线 总的来看，目前对排桩一项圈粱体系的计算方法比较多，也很杂，可以说仍处 于百家争鸣的状态。这些研究的特点是，注重计算模型的建立，而对于圈梁作用机 理方面的研究较少。本文拟在综合前人研究成果的基础上，主要对以下几方面进行 一些探讨： 1 分析排桩一项圈梁的作用机理，建立排桩一顶圈梁支护结构内力计算模型； 2 结合算例探讨排桩一顶圈梁支护体系中的圈梁效应，并分析圈梁刚度、桩距、 桩径、桩埋置深度等因素对圈粱效应的影响； 3 运用有限元软件a b a q u s 对深基坑分步开挖进行三维模拟，并应用于具体 工程中，以检验a b a q u s 模拟深基坑开挖的可行性与合理性。 7 河海大学硕士学位论文 第二章基坑支护技术与计算理论 2 1 基坑支护体系概述 2 1 1 基坑支护体系的分类和特点 基坑支护结构的作用主要是承受基坑开挖卸荷所产生的土压力和水压力，并将 此压力传递到支撑，它是稳定基坑的一种施工临时挡墙结构【3 5 】【4 9 1 。 基坑支护体系一般包括两部分：挡土体系和止水降水体系。基坑支护结构一般 要承受土压力和水压力，起到挡土和挡水的作用。一般情况下支护结构和止水帷幕 共同形成止水体系。此外还有两种情况，一种是止水帷幕自成止水体系，另一种是 支护结构本身也起止水帷幕的作用，如水泥土重力式挡墙和地下连续墙等。常用基 坑支护方法见表2 1 。 支护结构型式可分为下述几类川：放坡开挖及简易支护、悬臂式支护结构、重力 式支护结构、内撑式支护结构、拉锚式支护结构、土钉墙支护结构和其它型式支护 结构。 1 放坡开挖结构及适用范围 放坡开挖是通过选择合理的基坑边坡，实现无支护开挖并能保证开挖过程中边 坡稳定性的一种基坑开挖方法。放坡开挖适用于地基土质较好，开挖深度较浅，以 及旎工现场有足够放坡场所的工程。放坡开挖一般费用较低，能采用放坡开挖应尽 量采用放坡开挖。有时虽有足够放坡的场所，但挖土及回填土方量大，考虑工期、 工程费用等并不合理，也不宜采用放坡开挖。 在放坡开挖过程中，为了增加基坑边坡稳定性，减少挖土土方量，有时也采用 简易支护。如在坡脚采用草袋装土或块石堆砌挡土或者在坡脚采用短桩隔板支护， 如图2 1 所示。 2 悬臂式支护结构及适用范围 悬臂式支护结构示意图如图2 2 所示。悬臂式支护结构常采用钢筋混凝土桩排桩 墙、木板桩、钢板桩、钢筋混凝土板桩、地下连续墙等型式。钢筋混凝土桩常采用 钻孔灌注桩、人工挖孔灌注桩、沉管灌注桩及预制桩。悬臂式支护结构依靠其足够 的入土深度和结构的抗弯能力来维持整体的稳定和结构的安全。悬臂式结构对开挖 深度很敏感，容易产生较大的变形，对相邻建筑物产生不良影响。悬臂式支护结构 r 第二章基坑支护技术与计算理论 适用于土质较好、开挖深度较浅的基坑工程。 表2 - 1 基坑支护方法 序支护 号 方法 原理与应用适用范围 钢板施工简单、投资经济的支护方法由钢板桩、锚拉基坑深度达7 m 以上的软土地 l 桩支杆组成。由于本身柔性较大，如支撑或锚拉系统设层不宜采用，除非设置多层支 护 置不当，其变形会很大。撑或锚拉杆。 地下 用特制挖槽机械，泥浆护壁开挖一定深度的沟槽， 对各种地质条件及复杂施工 连续 吊放钢筋笼浇筑混凝土。连续墙形状多种多样，一 环境适应能力较强。旅工不必 2 般集挡土、承重、截水和防渗于一体并兼作地下 墙支 放坡不用支模，国内地下连续 护 室外墙。不足之处是要用专门设备施工，单位造价 墙深度已达3 6 m ，壁厚1 m 。 高。 队列式间隔布置钢筋混凝土挖孔、钻孔灌注桩，作 适用于开挖深度不超过1 0 m 的 排桩 为主要挡土结构，结构形式可分为悬臂支护或单锚 3 杆、多锚杆结构，布桩形式可分为单排或双捧布置。 粘土层，不超过8 m 的砂性土 支护层，以及不超过5 皿的淤泥质 按桩的排列与组合形式可分为柱列式、连续排桩与 组合式排桩。 土层。 深层 利用水泥作为嘲化剂，采用机械搅拌将固化剂和软适用于淤泥、淤泥质土、粘土、 4搅拌 土强制拌和，使固化剂和软土间产生一系列物理化粉土、粉质粘土、素填土等土 学反应而逐步硬化，形成具有整体性，水稳定性和层，基坑开挖深度不宜大于 支护 一定强度的水泥十桩墙。 6 m 。 土钉 采用现场钻孔放入钢筋并沿孔全艮注浆。依靠与土适用于地下水位以上或经人 5墙支 体之间的秸结力或摩擦力，在土体变形时被动承受工降水后的人工填士、粘性土 拉力作用。它由密集士钉群、被加固土体、喷射混和弱胶结砂土开挖深度为 护 凝土面层形成支护体系。5 1 0 m 。 锚杆 或喷 将锚杆锚入稳定土体中，外端与支护结构连接用不宜用于有机质土液限大于 6 以维持基坑稳定的受拉预应力杆件。支护体喷射混5 0 的粘士层及相对密度小于 锚支 护 凝土称喷锚支护。o 3 的砂土。 拱圈 拱圈挡土能承受水平方向的土压力，因拱的内力以 施工场地应适合拱圈布置，构 7 受压为主弯矩很小，因此能充分发挥混凝土抗压强 造应符合圆环受力特点。拱脚 支护 稳定性应予足够重视，并有可 度高的特性，施工方便，节省工期。 靠保证措施。 逆作 以地下各层梁板作支撑，自上而下施工，使挡土结适用于较深基坑及对周围变 8 法 构变形较小，节省临时支护结构。形有严格要求的基坑。 3 水泥土重力式支护结构及适用范围 水泥土重力式支护结构示意图如图2 3 所示。目前在工程中用得较多的水泥土重 力式支护结构，常采用深层搅拌法形成，有时也采用高压喷射注浆法形成。为了节 省投资，常采用格构体系见图2 _ 4 所示。水泥土与其包围的天然土形成重力式挡墙支 挡周围土体，保持基坑边坡稳定。深层搅拌水泥土桩重力式支护结构常用于软粘土 地区开挖深度约在6 0 m 以内的基坑工程。采用商压喷射注浆法施工可以在砂类土地 9 河海大学硕士学位论文 基中形成水泥土挡墙。近几年来也有采用较大功率的深层搅拌机械在砂土地基中形 成水泥土挡墙的工程实例。水泥土抗拉强度低，水泥土重力式支护结构适用于较浅 的基坑工程。 7 z ( 7 x 。矽 图2 一l 短桩隔板围护图2 - 2 悬臂式围护结构示意图 霪 图2 3 水泥土重力式围护结构示意图图2 _ 4 格构式重力式挡堵平面图 4 内撑式支护结构及适用范围 内撑式支护结构由支护结构体系和内撑体系两部分组成。支护结构体系常采用 钢筋混凝土桩排桩墙和地下连续墙型式。内撑体系可采用水平支撑和斜支撑。根据 不同开挖深度又可采用单层水平支撑、二层水平支撑及多层水平支撑，分别如图 2 5 a 、b 和c 所示。当基坑平面面积很大，而开挖深度不太大时，宜采用经济实用的 单层斜支撑如图2 5 d 所示。 内撑常采用钢筋混凝土支撑和钢管( 或型钢) 支撑两种。钢筋混凝土支撑体系 的优点是刚度好、变形小，而钢管支撑的优点是钢管可以回收，且施加预压力方便。 目前华东地区采用钢筋混凝土支撑体系较多。有的采用空间结构体系，图2 6 是一基 坑工程空间结构支撑体系的示意图。 5 拉锚式支护结构及适用范围 拉锚式支护结构由支护结构体系和锚固体系两部分组成。支护结构体系与内撑 式支护结构相同，常采用钢筋混凝土排桩墙和地下连续墙两种。锚固体系可分为锚 1 0 第二章基坑支护技术与计算理论 杆式和地面拉锚式两种。随基坑深度不同，锚杆式也可分为单层锚杆、二层锚杆和 多层锚杆。地面拉锚式支护结构和双层锚杆式支护结构示意图分别如图2 7 a 、b 所示 地面拉锚式需要有足够的场地设置锚桩或其它锚固物。锚杆式需要地基土能提供锚 杆较大的锚固力。锚杆式适用于砂土地基或粘土地基。由于软粘土地基不能提供锚 杆较大的锚固力，所以锚杆式在这类地基中很少被使用。 ( c ) 图2 _ 5 水平支捧和斜支撑围护结构示意图 ( a )( b ) 图2 咱空间结构支撑体系平面示意图图2 _ 7 拉锚式围护结构示意图 6 土钉墙支护结构及适用范围 土钉一般通过钻孔、插筋和注浆来设置，传统上称砂浆锚杆。也有采用打入或 射入方式设置土钉。其施工方法为边开挖基坑，边在土坡中设置土钉，在坡面上铺 设钢筋网，并通过喷射混凝土形成混凝土面板，最后形成土钉堵支护结构。土钉墙 支护结构的机理可理解为通过在基坑边坡中设置土钉，形成加筋土重力式挡墙起到 挡土作用。土钉墙支护适用于地下水位以上或人工降水后的秸性土、粉土、杂填土 及非松散砂土、卵石土等，不适用于淤泥质土及未经降水处理地下水位以下土层地 基中的基坑支护。土钉墙支护基坑深度一般不超过1 8 m ，使用期限不超过1 8 个月。 7 其它型式支护结构及适用范围 其它型式支护结构主要有门架式支护结构、拱式组合型支护结构、喷锚网支护 结构、沉井支护结构、加筋水泥土墙支护结构和冻结法支护等。 河海大学硕士学位论文 门架式支护结构适用于开挖深度己超过悬臂式支护结构的合理支护深度的基坑 工程。采用内撑式支护型式，合理应用拱式组合型支护结构可取得较好经济效益。 喷锚网支护结构常用于土坡稳定加固，不适用于含淤泥土和流砂的土层。在重力式 支护结构中，为了提高深层搅拌桩水泥土墙的抗拉强度，常在水泥土挡墙中插入毛 竹、钢筋或型钢形成加筋水泥土挡墙支护结构。冻结法支护利用冻结土抗剪强度高， 止水性能好的特性，保持基坑边坡稳定，对地基土类适用范围广，但应考虑其冻融 过程对周围的影响，电源不能中断，以及工程费用等问题。 在进行基坑支护体系设计时，对同一基坑可因地制宜采用一种或多种支护结构 相结合的型式，如放坡开挖与支护结构相结合，拉锚与内撑相结合，排桩墙与门架 式相结合，对于复杂形状的基坑工程更需综合应用多种支护结构型式。 2 1 2 支护结构的破坏形式 基坑工程事故的基本原因主要是地质模型和原理重视和认识不够，经典土压力 理论设计方法缺少针对性。具体到工程实际中，易于引发工程事故的原因主要有： 1 采用悬臂桩忽略变形控制或设计有内支撑但旌工时未及时加上，从而导致变 形过大，引起周围建筑物开裂。 2 侧壁未封闭或已封闭但帷幕失效，或锚秆深入承压含水层而未采取妥善措施， 导致坑壁或沿锚孔漏水引起建筑物开裂、道路变形。 支护体系破坏的主要形式有【3 6 1 ： 1 稳定性破坏 ( 1 ) 整体失稳包括由于支护桩入土深度过小引起的圆弧式滑动，俗称“踢脚”， 以及由于墙体截面太小引起的整体移动。 ( 2 ) 坑底隆起失稳坑底隆起失稳主要发生于粘土基坑。基坑开挖使坑底土体 卸载，所以必然发生坑底回弹，但这并不表示坑底失稳。当基坑边壁外的士体在重 力和地表超载作用下从底部挤向坑内引起剪切破坏时，即发生坑底隆起失稳。 ( 3 ) 管涌和流砂当基坑侧墙两侧有较大水头差使渗流水力梯度达到临界梯度 时，即可发生管涌。 2 强度破坏 包括支护桩( 墙) 体截面配筋不够或配筋不当，以及桩间距过大等原因导致的 支护桩( 墙) 体强度不足发生破坏和支撑杆强度不足的破坏。 第二章基坑支护技术与计算理论 3 变形破坏 此种情况一般指支护结构本身未发生破坏，但因其变形过大引起周围邻近建筑 物或地下管线发生破坏的现象。 2 1 3 支护结构与周边地层变形控制问题 在城市地区进行基坑支护工程施工，如何控制支护和周围地层的变形是设计和 施工中的难点，支护和周边地层的变形问题有时比其稳定性更为关键，也更难估算 和回答。支护与地层发生变形的原因是多方面的，主要有： 1 基坑开挖造成卸载并使土体向坑内移动。一般情况下，水平方向应力释放与 调整是构成地层位移的主要原因，所以基坑的直立侧壁必须加以支护。在饱和深层 软粘土中，基坑隆起同样不容忽视，坑底隆起一方面是由于竖向卸荷，另一方面是 由于坑壁外侧的土体在自重和地表超载的作用下从底部向坑内方向移动。对于软粘 土中的深基坑，她表沉降的大小与抗隆起稳定性验算的安全程度直接相关。基坑开 挖前期的地下连续墙或灌注桩施工，也会造成地层位移，并相应造成地表沉降。 2 由于降水引起地下水位的降低，使土中的有效应力增大，土体产生压缩或固 结造成地表沉降。 3 施工因素会对支护和地层的变形造成重大的影响。施工造成的超挖和动荷载、 开挖不符合规程，开挖分层不合理或开挖速度过快、坑底暴露时间过长等都会对地 层的稳定带来不利影响。 目前基坑工程设计时，主要是根据周围的环境要求选择基坑位移的控制等级。 如基坑邻近无永久性的工程或其他公用设施，一般保证基坑稳定即可。如果基坑周 围建筑对变形控制要求较高，则应采取措施减少基坑周围土体的位移和变形。减小 基坑周边变形的主要措施有： 1 严格按照规划的施工工序和土方开挖作业过程进行开挖和支护，考虑土体变 形的时空效应，在每步作业中尽可能缩小土体的扰动范围和无支撑暴露的时间。 2 制订好降水方案，严格控制地下水，保证止水结构的防渗效果。 3 合理选择内支撑和锚固结构。使用预应力锚杆或支撑可以减小支护结构的变 形，从而减小周围土体的变形和沉降。 4 提高基坑的抗隆起安全系数可以减小基坑变形。 5 对基坑底部或被动区土体进行加固，如注浆或深层搅拌等。 河海大学硕上学位论文 6 减少基坑和地表变形还要防止地面超载。 基坑开挖引起支护结构与周围土体的位移和变形难以准确预测和计算。因此， 在深基坑工程施工过程中应该重视现场的观测和监测，及时发现险情并采取应急措 施。 2 1 4 基坑工程的环境效应问题 近十几年来，由于基坑开挖的深度越来越大，其对周围环境带来的影响也随之 增大，深基坑工程环境影响问题已愈来愈为人们所认识和重视。 深基坑环境效应主要体现在： 1 基坑开挖和降水引起周围土体不均匀沉降，导致邻近建筑物出现沉降、倾斜、 开裂等，严重时可能发生倒塌事故。支护桩、基桩施工引起附近土体的侧移和附加 沉降。影响周边建筑物的安全。 2 基坑施工对地下管线等其它市政设旌的影响和破坏。 3 土钉、锚杆等支护结构对基坑场地外围的“入侵”和“滞留”对未来建筑将 产生难以预料的危害。 4 基坑降水对地下水位的影响。在这一点上，对于一些地下水位下降严重需要 提升地下水位或缺水的城市尤为重要。 5 基坑工程事故对自然环境的破坏。基坑施工噪音、粉尘等对周围居民的生活 和工作产生的不良影响以及施工过程中对花木植被的破坏。 环境问题对策：重视地下水作用，对基坑降水导致的土体沉降，应控制降水速 度及采取及时“回灌”等措施，防止基坑周围地区的过大沉降。另外还有，扩大基 坑调查范围，了解地质结构，研究土压力分布规律；进行支护结构设计方案优选； 支护结构位移控制；施工噪音控制；重视施工过程中的现场观测和监控量测等。 2 2 悬臂式排桩计算理论 由于基坑开挖深度及支撑情况的不同，排桩支护可分为：悬臂式( 无支撑) 排 桩；单支撑排桩；多支撑排桩。未加任何内支撑或锚杆，仅靠插入其基坑底下一定 深度，以取得嵌固和稳定的支护结构称为悬臂式支护结构。由于基坑底以上部分呈 悬臂状态，支护结构的弯矩随开挖深度成三次方增加，故与有内支撑的支护结构相 比，这种结构的桩顶位移及桩身弯矩值均较大，选用时应在以下方面慎重考虑： 1 4 第二章基坑支护技术与计算理论 1 基坑的开挖深度一般在5 l o m 左右。如果是在软土场地中，支护高度不宜 大于5 m 。 2 基坑底以下的地质情况良好，有较大的c 、伊值。有足够的作为桩体插入当 作嵌固端的能力。在基坑底部及桩底端处不是软弱土层，因为这两处是杆件平衡的 关键部位，在这两处产生的反力较大，如为软土层，将对整个支护结构的稳定非常 不利。 目前悬臂式支护结构的计算理论，因考虑因素和假定条件的不同，也就有多种 方法，大致上可分为四判翊，见表2 2 。 表2 _ 2 悬臂式支护结构计算理论分类 类别计算理论及方法方法的基本条件方法名称举例 土压力已知 古典的板桩计算理论静力平衡法 不考虑墙体变形 土压力已知 杆系有限单元法 弹性地基梁法 考虑墙体变形“m 法 土体为弹性介质 共同变形理论( 弹性)土压力随墙体变位而变化 弹性有限元法 考虑墙体变形 ( 包括土体介质) 考虑土体为非线性介质 四非线性变形理论非线性有限单元法 考虑墙体变形 ( 引自深基坑工程设计施工手册) 以上几种计算方法中，第一种最为简单而近似，第四种则比较精确，但计算复 杂并有待进一步发展。下面对第一和第二种方法作一介绍。 2 3 悬臂式支护结构计算方法简介 2 3 1 静力平衡法的基本原理 古典板桩计算理论认为，悬臂式支护结构在主动土压力作用下，将趋于绕支护 结构上的某一点发生转动，从而使土压力的分布发生变化。悬臂板桩的变位及土压 力分布如图2 - 8 所示。在图2 8 ( a ) 的支点6 处，支护结构背面承受的土压力由主动土 压力转到被动土压力，而前面承受的土压力则由被动士压力转到主动压力。在计 算6 点以下的主动及被动土压力时，可方便地把该点以上的土体当作超载来考虑。 假定支护结构底端不承受弯矩和剪力，即可由静力平衡条件，通过求解插入深度的 高次方程得到支护结构旋转点的位置、插入深度及结构的内力。图2 - 8 ( b ) 为土压力分 布实际图形，图2 8 ( c ) 为悬臂板桩计算简图。 1 5 河海大学硕士学位论文 动 区 ( a )( b )( c )( d ) 图2 _ 8 悬臂式围护结构的变位及土压力分布 上述方法求解高次方程时，往往需要通过试算，计算量较大。因此还可以根据 b 1 1 皿理论采用简化方法，计算图式如图2 8 ( d ) 所示。 2 3 2 弹性抗力法基本原理 采用弹性抗力法计算悬臂桩 时，将桩身分为两部分分别考虑。 基坑底以上部分按一般悬臂梁计 算，坑底以下部分按竖向弹性地 基梁计算。图2 - 9 所示为基坑底 以下部分桩身，坑底以上部分悬 臂梁对其产生水平力凰和弯矩 硒作用。在荷载作用下，桩将发 m o n 一 心m