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相比普通的排桩支护结构,双排桩支护结构具有较大的侧向刚度,能够很好地限制支护结构的变形,同时有工期短、施工占地少、支护深度大等特点,因此在深基坑工程中得到广泛的应用。虽然其计算模式有多种,但因为该结构体系受力较为复杂,设计计算理论尚不十分成熟,并且双排支护桩的施工必须要求基坑周边要有一定空间,因此对于场地狭小的场合,该支护形式的使用受到进一步限制。因此在实际工程中,有的工程取得了一定的成功,也有部分工程出现桩项处位移过大甚至支护结构开裂坍塌的现象,所以非常有必要对双排桩的设计参数进行深入研究,探索有效的改良方法,以便更好地推广使用。
本文以武汉地区某深基坑工程实例为背景,整理分析了现场的位移及应力监测数据,研究现有的支护结构作用成果,归纳其受力及变形规律。其次,通过结合体积比例系数法与弹性地基梁法,总结出一套适用于该工程的双排桩支护结构计算模型。最后,利用有限差分软件FLAC3D对双排桩支护结构进行数值模拟,研究其受力及变形分布规律,分析了双排桩支护结构的影响因素,进而对该支护结构提出优化改良的措施,主要研究内容及取得的成果如下:
(1)收集了大量国内外关于双排桩支护结构的参考文献,总结双排桩支护结构设计计算理论、数值模拟方法的研究现状及发展;
(2)充分收集并整理双排桩支护结构工程现场监测资料,通过对监测资料的总结和分析,掌握了双排桩支护下基坑范围土体位移及沉降变化规律,探索引起变形产生的一些可能因素;
(3)归纳了目前常用的两种计算方法——体积比例系数法及弹性地基梁法,并以这两种方法为基础总结出挠曲线理论计算方法,通过MATLAB数学软件求解,将计算结果与实测数据进行比较分析,虽然该计算方法所得的变形曲线与实测数据存在一些差异,但总体上其变化规律是基本一致的,从而验证该算法的可靠性及可行性,能够为以后类似的双排桩支护结构提供可借鉴的计算模型;为便于研究,本文基于挠曲线理论计算方法利用MATLAB的GUI函数开发出一套双排桩支护结构设计系统,该系统操作简便、可视性强、结果输出方便,计算效率及应用范围得到进一步提升,为双排桩支护结构参数优选提供了一种方便快捷的途径。
(4)运用有限差分软件FLAC3D模拟分析双排桩支护下基坑的变形,获得土体及双排桩支护结构的应力分布形式、位移及沉降变化规律,与实测值进行比较,其变化规律总体上是一致的,进而验证该模型的适用性。通过对基坑土体及桩体结构的模拟,可以看出,随着开挖过程的进行,开挖面向基坑内侧的位移逐渐增人,开挖面土体x方向应力也在逐渐增大;由于基坑周边高层建筑产生的附加荷载作用,基坑土体沉降较为明显,因此需要加强相应的监测,基坑内部土体位移方向由纵向趋于水平方向,在坑底土体位移方向则逐渐向上,极易出现土拱效应,因此开挖到坑底时应及时浇筑混凝土底板,防止坑内土体涌起加重周边土体沉降;
(5)在基本工况的基础上,利用FLAC3D软件对双排桩支护结构影响因素参数进行研究,主要分析了分别改变排间距、横梁尺寸、桩径、桩间土体刚度的条件下,双排桩前后排桩的位移及弯矩变化规律,从而对优化双排桩支护结构设计提出合理性建议。通过分析表明,伴随排距的增加,双排桩支护结构的最大水平位移减小,但是减小的速率却在不断下降,前排桩的正弯矩不断增加,后排桩的正弯矩不断减小,前后排桩的负弯矩均不断增加;伴随横梁尺寸的增加,前后排桩最大水平位移逐渐减小,且减小的速率越来越大,前后排桩桩顶正负弯矩均有所减小,但减小的幅度并不大;伴随桩径的增大,前后排桩最大水平位移逐渐减小,但减小的速率越来越缓慢,前后排桩最大正负弯矩值均增大,且增大的幅度越来越大;伴随桩间土体刚度的增加,前后排桩桩身最大水平位移不断减小,当其刚度大于1.25EI时,最大水平位移减小的速率越来越缓慢。
(6)通过综合考虑安全储备及工程造价等条件,可以分别对各影响因素进行合理优化,经过优化,其排间距应采用2d(1.6m),横梁宽度应采用800mm,桩径应采用800mm,桩间土刚度应采用EI(设计采用值),而实际设计采用的各参数值是一种偏于安全的取法。