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深基坑双排桩支护结构体系若干问题分析和研究

作　者: 朱庆科
导　师: 莫海鸿
学　校: 华南理工大学
专　业: 结构工程
关键词: 双排桩滑裂面冠梁刚度空间效应影响长度稳定加固
分类号: TU753
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

双排桩支护结构是近年来兴起的一种新型深基坑支护结构,其侧向刚度大,能有效控制支护结构的变形,而且受力条件和整体稳定性好、施工方便,逐渐成为深基坑支护结构的优选方案之一。国内外学者对双排桩支护结构进行了大量的研究,研究成果对实际工程中的许多方面具有很好的指导意义,但由于双排桩支护结构受力复杂,在一些方面实践先行,理论滞后,从而限制了该种支护结构的发展。目前阶段而言‘,在考虑桩顶冠梁平面外实际刚度计算方面、空间效应冠梁的影响长度方面、不同潜在滑动面安全系数的极限平衡数值积分求解方面、滑动面的分布规律以及基坑加固等方面研究有所欠缺,本文在归纳整理了现有双排桩支护结构体系的国内外研究成果基础上,基于均质粘性土层的地质条件,通过理论推导、分析和数值模拟等方法,对深基坑双排桩支护结构体系研究中存在的上述薄弱环节进行了有益的补充和完善,本文主要开展的研究工作和成果如下：1.提出了考虑冠梁平面外实际刚度计算双排桩支护结构的内力和变形的理论计算方法,并对比分析冠梁平面外假设无限刚与实际有限刚对桩身内力和位移的影响。该方法基于winkle假定,引入冠梁平面外实际刚度的影响因素,对双排桩支护结构进行理论分析,在此基础上建立各段桩体的挠曲微分方程,然后根据各段桩体端点在几何变形和内力上的连续性关系以及相应的边界条件,采用数学近似方法幂级数求解各段挠曲微分方程,并求导各段挠曲方程的解得出双排桩各点的内力及变形,通过分析冠梁平面外假设无限刚与实际有限刚的计算结果可以得出：1)冠梁的刚度增大可减少前、后排桩的位移,但会增大前、后排桩桩身弯矩；2)冠梁刚度的变化对后排桩桩身弯矩的影响比前排桩稍大；3)冠梁的刚度变化对桩身弯矩的影响幅度和对位移的影响幅度比较接近。该方法与现行假设冠梁无限刚的理论计算方法相比更符合工程实际情况,为考虑冠梁实际刚度求解双排桩的变形和内力提供了一种可行的理论计算方法；2.对双排桩支护结构进行了三维数值模拟,研究了双排桩支护结构在空间效应下的受力和变形特性,在此基础上,研究了冠梁与支护桩的刚接和铰接连接方式、基坑的长边长度、短边长度、开挖深度、冠梁刚度、土层粘聚力和摩擦角、支护结构排距和桩距等主要设计参数与空间效应冠梁影响长度的关系,通过分析不同参数变化下的冠梁影响长度的规律得出：基坑短边长度、开挖深度和支护结构排距的变化对冠梁影响长度都有较大影响；基坑长边长度、粘聚力、摩擦角、冠梁刚度以及支护结构桩距的变化对冠梁的影响长度影响很小。3.提出了双排桩支护基坑在不同潜在滑动面的简化整体稳定安全系数积分计算方法,该方法以Bishop法原理为基础,建立适用于深基坑双排桩支护结构稳定分析的简单平面直角坐标系,推导出潜在滑动面经过基坑底部与前排桩交点圆弧等位置的简化整体稳定分析的安全系数积分表达式,并考虑可能出现的主动区、桩间土和被动区加固的情况,完善了安全系数在不同积分区间的积分表达式,然后编制了相应的计算程序计算基坑稳定安全系数,通过计算结果的分析可以得出,滑动面经过基坑底部与前排桩交点圆弧的安全系数为F1,滑动面经过前排桩桩底圆弧的安全系数为F2,滑动面经过后排桩桩底圆弧的安全系数为F3,而F1略大于F2,F2略大于F3,与有限元计算结果进行对比分析,验证了所提出方法的可行性,完善了极限平衡法数值积分求解安全系数在深基坑双排桩支护结构中的应用。4.对双排桩支护结构的基坑稳定性进行了数值分析,系统研究了基坑稳定安全系数随土层的粘聚力、摩擦角以及支护结构的桩长和排距等设计参数而变化的规律得出：基坑的稳定安全系数随着粘聚力、摩擦角、支护结构桩长和排距的增加而增加,稳定安全系数受粘聚力和摩擦角的影响最大,受支护结构桩长的影响较大,受支护结构排距的影响较小。并且,总结了滑动面的分布特点和规律。5.对双排桩支护的基坑进行加固分析,系统研究了主动区、桩间土和被动区加固对桩身内力和变形特性的影响后得出：1)对于主动区加固,当加固深度超出基坑深度,加固效果不明显；2)对于被动区加固,加固深度或宽度约为基坑深度的一半时最有效。6.在以上工作基础上提出进一步开展相关研究工作的建议。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-15
第一章绪论  15-36
  1.1 引言  15
  1.2 双排桩支护结构概述  15-18
    1.2.1 双排桩支护结构布置形式  15-17
    1.2.2 双排桩支护结构特点  17-18
  1.3 双排桩支护结构研究现状  18-34
    1.3.1 双排桩支护结构理论研究  18-23
    1.3.2 双排桩支护结构试验研究  23-25
    1.3.3 双排桩支护结构数值模拟研究  25-28
    1.3.4 相关的基坑稳定研究现状  28-34
  1.4 本文研究内容  34-36
第二章考虑冠梁实际刚度的双排桩支护结构简化理论计算方法  36-57
  2.1 双排桩土压力计算的几种方法  36-48
    2.1.1 基于经典土压力的计算方法  36-39
      2.1.1.1 修正系数法  36-38
      2.1.1.2 刚塑性分析法  38
      2.1.1.3 其他经典土压力计算方法  38-39
    2.1.2 基于winkle假定的计算方法  39-44
      2.1.2.1 弹性地基梁法  39-40
      2.1.2.2 等效抗弯刚度法  40-42
      2.1.2.3 其他基于Winkle假定的计算方法  42-44
    2.1.3 基于土拱理论的计算方法  44-48
      2.1.3.1 体积比例系数法  44-47
      2.1.3.2 其他土拱理论计算方法  47-48
  2.2 考虑冠梁实际刚度的双排桩支护结构简化理论计算方法  48-55
    2.2.1 基本假定  48
    2.2.2 土压力计算  48-50
      2.2.2.1 双排桩滑裂面以上土压力计算  48-49
      2.2.2.2 双排桩滑裂面以下土压力计算  49-50
    2.2.3 考虑冠梁刚度的双排桩微分方程的建立与求解  50-55
      2.2.3.1 微分方程的建立  50-51
      2.2.3.2 求解微分方程  51-53
      2.2.3.3 通过边界条件求解方程组  53-55
  2.3 实例分析  55
  2.4 本章小结  55-57
第三章空间效应冠梁的影响长度及受力特性研究  57-95
  3.1 有限元概述  57-60
    3.1.1 MIDAS-GTS有限元软件  57
    3.1.2 涉及的材料模型  57-60
      3.1.2.1 各向同性线弹性模型  57-58
      3.1.2.2 Mohr-Coulomb弹塑性模型  58-59
      3.1.2.3 三维接触面模型  59-60
  3.2 基准模型的建立与计算分析  60-71
    3.2.1 基准模型的建立  60-63
      3.2.1.1 基准模型的几何参数  60-61
      3.2.1.2 基准模型的材料参数  61-62
      3.2.1.3 基准模型的边界条件及施工步骤  62-63
    3.2.2 基准模型变形分析  63-66
      3.2.2.1 基坑周边变形分析  63-64
      3.2.2.2 支护结构变形分析  64-66
    3.2.3 冠梁及支护桩受力分析  66-68
    3.2.4 冠梁与桩顶刚接和铰接的对比分析  68-71
  3.3 支护结构设计参数对空间效应的冠梁影响长度的影响分析  71-92
    3.3.1 基坑长边长度变化的影响分析  71-73
    3.3.2 基坑短边长度变化的影响分析  73-76
    3.3.3 基坑开挖深度变化的影响分析  76-79
    3.3.4 冠梁刚度变化的影响分析  79-82
    3.3.5 土层粘聚力变化的影响分析  82-84
    3.3.6 土层摩擦角变化的影响分析  84-87
    3.3.7 支护结构排距变化的影响分析  87-90
    3.3.8 支护结构桩距变化的影响分析  90-92
  3.4 本章小结  92-95
第四章深基坑双排桩支护结构稳定分析和简化数值求解  95-118
  4.1 极限平衡法  95-99
    4.1.1 滑移线法  95-99
      4.1.1.1 滑移线场理论  95-96
      4.1.1.2 弹性区滑移线场理论  96-97
      4.1.1.3 塑性区滑移线场理论  97-98
      4.1.1.4 临界滑裂面的确定  98-99
    4.1.2 条分法  99
  4.2 有限元法  99-101
  4.3 深基坑双排桩支护结构稳定分析的简化数值求解  101-107
    4.3.1 深基坑双排桩支护结构的稳定安全系数积分表达式的推导  101-107
      4.3.1.1 滑动面经过基坑底部与前排桩交点的圆弧  101-105
      4.3.1.2 滑动面经过前排桩桩底的圆弧  105-106
      4.3.1.3 滑动面经过后排桩桩底的圆弧  106-107
    4.3.2 实例分析  107
  4.4 双排桩支护基坑的稳定影响研究  107-116
    4.4.1 稳定性分析模型的建立  107-108
    4.4.2 土层参数对基坑稳定性的影响分析  108-112
      4.4.2.1 粘聚力对基坑稳定性的影响分析  108-110
      4.4.2.2 内摩擦角对基坑稳定性的影响分析  110-112
    4.4.3 支护参数对基坑稳定性的影响分析  112-116
      4.4.3.1 排距对基坑稳定性的影响分析  112-114
      4.4.3.2 桩长对基坑稳定性的影响分析  114-116
  4.5 本章小结  116-118
第五章基坑加固对双排桩支护结构受力和变形特性影响研究  118-133
  5.1 弹性模量的影响分析  118-121
  5.2 主动区加固对支护结构受力和变形特性的影响分析  121-124
    5.2.1 加固深度的影响分析  121-123
    5.2.2 加固宽度的影响分析  123-124
  5.3 桩间土加固对支护结构受力和变形特性的影响分析  124-127
  5.4 被动区加固对支护结构受力和变形特性的影响分析  127-131
    5.4.1 加固深度的影响分析  127-129
    5.4.2 加固宽度的影响分析  129-131
  5.5 本章小结  131-133
结论和展望  133-137
  6.1 本文的主要创新性成果  133-134
  6.2 主要研究结论  134-135
  6.3 研究展望  135-137
参考文献  137-143
攻读博士学位期间取得的研究成果  143-144
致谢  144-145
答辩委员会对论文的评定意见  145

深基坑双排桩支护结构体系若干问题分析和研究

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