深基坑工程中砼芯水泥土桩水平承载机理与变形特性研究

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在软土地区进行深基坑支护设计与施工时,如何根据拟建场地的工程地质水文地质条件、周边环境条件和基坑的实际开挖深度,设计出充分体现“安全可靠、经济合理、技术先进,施工方便”的支护方案,是岩土工程师着力需要解决的问题。 本文提出了一种新型的基坑支护方法,即砼芯水泥土搅拌桩门型支护结构,它是一种适用于软土地区新的基坑支护形式,是在水泥土搅拌桩墙中插入预制钢筋混凝土桩,由前后排的预制钢筋混凝土桩和水泥土搅拌桩墙组合而成门型结构,以预制钢筋混凝土桩作为受力核心,利用大直径廉价水泥土桩的凝结力和大表面积来提供摩阻力,并利用预制钢筋混凝土桩芯的低压缩性、高强度的特点来承担荷载,其内外芯的分工尽可能地发挥了桩身材料的强度,大大改善了水泥土重力式挡墙抗压不抗拉的受力特点,同时具有承力与防渗两种功能的复合支护结构。施工方法简单,速度快,污染小,受力合理,有很好的截面效能。前后预制钢筋混凝土排桩由压顶圈梁和拉梁连接成整体,在不加撑锚条件下可以支护较深的基坑,经济效益显著。结合该支护结构型式在某工程中的实际应用,系统地研究了: (1)砼芯水泥土搅拌桩材料特性及受力机理; (2)砼芯水泥土搅拌桩支护结构设计方法; (3)砼芯水泥土搅拌桩支护结构侧向土压力的大小及分布特征; (4)砼芯水泥土搅拌桩支护结构的桩身钢筋应力及分布特征; (5)砼芯水泥土搅拌桩支护结构和外侧土体的侧向变形; (6)砼芯水泥土搅拌桩支护结构周边道路、建筑物的沉降变形特性。 研究结果表明: (1)砼芯水泥土搅拌桩门型结构对水平位移的控制优于排桩围护结构,可以将水平位移控制在理想的范围内,其拉应力远小于排桩的拉应力,结构内部应力分布相对均匀,没有出现可能导致结构破坏的应力集中区。 (2)本文中的土压力计算模型和Winkler假定的内力计算模型可用于砼芯水泥土搅拌桩支护结构的设计计算中。 (3)支护结构承受的土压力: ①砼芯水泥土支护结构主动土压力位于静止土压力与朗肯主动土压力之间,在具体设计计算时,可按朗肯主动土压力来计算取值。②其侧向土压力的分布形态与桩墙式支护结构相似,主动侧压力都随基坑挖深的不断加大而逐渐减小,被动侧压力则不断增大,上部增加幅度较大,大于朗肯被动土压力值,下部则接近或略大于朗肯被动土压力值。而在桩的下部,由于砼芯水泥土搅拌桩充分利用了格栅间水泥土体的作用,使得基坑的变形得到了很好的控制。③其格栅间的土压力和主动土压力具有相似的变化规律,至土方开挖结束,格栅间的土压力均小于朗肯土压力,但基坑开挖面以上的土压力减小的幅度远大于基坑开挖面以下的土压力。 (4)支护结构的桩身受力: ①挖深较浅时,砼芯水泥土搅拌桩支护结构前、后排桩均承受拉应力,前排桩承受的拉应力呈现出上下两端小,中间(开挖面附近)大;后排桩承受的拉应力上部最大,往下逐渐减小的特点,最大拉应力分别是钢筋设计强度的8.0%和6.4%。而挖深较大时,前、后排桩均呈现出桩身上部承受拉应力,下部承受压应力的特点,存在反弯点;前排桩的最大拉、压应力分别是钢筋设计强度的4.6%和2.3%;后排桩的最大拉、压应力分别是钢筋设计强度的2.5%和2.0%。但在开挖到预定设计深度时,前、后排桩受力的分布形态基本相似。②砼芯水泥土搅拌桩支护结构桩身钢筋应力随开挖深度的变化影响不大。③土方开挖初期,拉梁轴力增长明显,最大值超过700 kN;开挖一段时间后(垫层施工、绑扎底板钢筋阶段),轴力变化平稳,轴力值变小;基础底板浇筑完毕,形成整体刚度后,轴力几乎不再变化。 (5)支护结构和外侧土体的变形: ①砼芯水泥土搅拌桩支护结构圈梁的累计水平位移量为基坑开挖深度的3.3‰和3.5‰,与桩墙式支护结构(单支点支护结构)的位移量大体相当;但它的侧向位移(深层位移)的变位形态与桩墙式支护结构的完全不一样,与深搅桩重力式挡墙和悬臂排桩支护结构的变形形态相类似。②不同支护结构所引起的周边道路的最终累计沉降量表现为:砼芯水泥土搅拌桩的最小(14.1 mm),其次为桩墙式支护结构的(16.8 mm),最大的为深搅桩重力式挡墙的(46.8 mm),分别为基坑开挖深度的1.9‰、2.2‰、6.2‰。③砼芯水泥土搅拌桩支护结构和桩墙式支护结构外侧建筑物的最大累计沉降量分别为基坑开挖深度的1.0‰和1.3‰。在相同的开挖深度和土质条件下,砼芯水泥土搅拌桩支护结构引起的外侧建筑物的最大沉降量略小于单支点支护结构引起的外侧建筑物的沉降量。土方开挖立即引起桩墙式支护结构外侧建筑物的沉降,但砼芯水泥土搅拌桩支护结构外侧建筑物的沉降相对滞后,这与砼芯水泥土搅拌桩支护结构具有一定的宽度和混凝土小方桩的刚度有关。
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