双排桩复合土钉支护结构数值模拟及工作机理研究

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双排桩复合土钉支护结构具有抗侧刚度大、缩短工期、便于施工等优点,尤其适用于对变形有严格要求且基坑支护空间要求严格的深基坑工程。双排桩复合土钉支护结构是基于双排桩支护结构,在其桩间沿竖向设置土钉而形成的一种新型复合支护体系。目前,有关双排桩复合土钉支护结构受力变形方面的研究还很不系统深入。  本文采用数值模拟手段对双排桩复合土钉支护结构施工过程中的受力变形进行分析。在此基础上,针对双排桩复合土钉支护体系几何特点,考虑其桩间土的重力效应,研究其协同工作机理,建立其受力变形的简化计算方法。主要研究内容及成果如下:  (1)采用有限元方法建立双排桩复合土钉支护的数值模型,模拟基坑开挖和支护施工过程中的受力变形性状,并与双排桩支护结构受力变形对比分析。研究结果表明:采用较大排距的双排桩复合土钉支护结构,土钉不仅对前排桩产生拉锚作用,同时能够改善桩间土的强度,其整体刚度较大,桩间土发挥了其重力效应,使支护体系的整体侧移以及前、后排桩的最大弯矩值均有所减小。  (2)基于数值模拟的方法,改变前、后排桩的排距、嵌入深度、桩径以及土钉长度等设计参数,分析各参数对该复合支护结构受力变形的影响。研究结果表明:增大前、后排桩的排距、桩径以及土钉长度均能明显降低基坑的侧移变形,且各设计参数间存在基于不同优化设计目标的合理组合。  (3)采用有限元强度折减法来模拟分析基坑整体稳定性,并据上述参数变化,分析对基坑稳定性安全系数的影响。研究结果表明:基坑失稳至破坏时,滑裂面为经过桩身演变为绕桩底的楔形滑裂面。增大前、后排桩的排距、嵌入深度以及土钉长度均能明显提高基坑的整体稳定性。  (4)基于数值模拟结果,采用理论研究方法,对前、后排桩的桩前与桩后土压力进行了简化分析,同时考虑各工况,利用解析方法推导了该复合支护体系受力变形的理论计算公式,通过与数值模拟结果的对比分析,验证了本文理论计算公式的合理性。
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