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随着人们居住环境要求的提高和城市经济的高速发展,近年来国内外市政、建筑等工程得到了快速发展。在城市中,土地资源十分珍贵,所以在建筑向高空发展的同时,利用地下空间变成一个重要的方向。在城市地下空间开发和高层建筑的建设过程中,产生了大量深基坑工程,其规模和深度不断增加。双排桩支护体系是九十年代出现的新型结构,因其抗侧移刚度大,可增加无支撑排桩的支撑深度,在造价降低的同时也为后续土方开挖和主体建筑施工带来方便。目前,双排桩支护结构尚未有成熟的设计方法,所以非常有必要对双排桩的受力机理进行深入研究。
在参考了国内外大量相关文献,总结归纳以前研究成果的基础上,本文以武汉长江设计大楼深基坑为工程实例背景,对基坑开挖后的双排桩支护结构受力的监测数据进行了分析和研究,探索和讨论了双排桩支护结构的受力,得出了一些有意义的结论。主要工作和结论如下:
1、阅读了大量国内外关于深基坑双排桩研究的参考文献,总结了理论研究、模型试验以及数值模拟三方面的研究现状及进展。
2、介绍了该工程的概况以及施工监测方案,收集并整理了基坑工程现场的第一手监测数据,通过对监测资料的总结和分析,了解了一些基坑双排桩支护结构的受力规律。
3、了解了常用的双排桩支护结构计算模型。选取弹性地基梁计算模型,在考虑空间效应的基础上,对双排桩支护结构进行了计算。从位移、弯矩和剪力三方面对计算结果进行了重点分析,得到了双排桩支护结构受力规律。
4、采用MIDAS/GTS有限元数值模拟软件,对该基坑建立了三维模型。鉴于基坑现场的复杂性,为方便建模和计算,对建模进行了一定的简化,在简化的基础上对基坑开挖过程进行了数值模拟分析。对模拟后的位移、弯矩和剪力进行了分析,得到了双排桩支护结构的受力规律。
5、系统的对比分析理论计算结果、数值模拟结果和监测资料分析结果,获得了位移、弯矩和剪力三方面的结论。结论如下:
(1)在土压力作用下,前排桩的位移要比后排桩大,受到冠梁和横梁的约束作用,前排桩最大位移不在桩的顶端,而在开挖面和桩顶的中间处,后排桩最大位移发生在桩顶端,且在桩顶前、后排桩位移相同。在开挖面以下,受土体抗力作用,双排桩位移较小。受空间效应的影响,越靠近坑角处,双排桩的位移越小。
(2)前、后排桩弯矩变化基本一致,在土压力作用下,前排桩的弯矩大于后排桩的弯矩。前、后排弯矩一般具有2个反弯点。受冠梁和横梁的约束作用,第一个反弯点以上表现为背离基坑一侧受拉。且靠近坑角处的桩顶位移小,桩顶处的力得不到释放,所以造成坑角处的桩顶弯矩比中间处的弯矩大。第一个反弯点到第二个反弯点之间由于土压力作用,表现为靠近基坑一侧受拉,由于土压力在桩顶与开挖面之间不随靠近坑角而减小,所以各点在桩顶与开挖面之间弯矩基本不变。开挖面以下由于受到土体抗力作用,所以第二个反弯点以下表现为背离基坑一侧受拉,由于双排桩位移为越靠近坑角越小,且土体抗力与位移成正比,所以在第二个反弯点以下为越靠近坑角处弯矩越小。随着开挖深度的加大,弯矩逐渐增大。随着弯矩的增大,后排桩由背离基坑一侧受拉变为靠近基坑一侧受拉,数值模拟结果慢慢向理论结课靠拢。
(3)前、后排桩剪力变化基本一致,在土压力作用下,前排桩的剪力大于后排桩的剪力。前、后排剪力也具有2个反弯点。受冠梁和横梁的约束作用,靠近坑角处的桩顶位移小,桩顶处的力得不到释放,所以造成坑角处的桩顶剪力比中间处的剪力大。由于土压力在桩顶与开挖面之间不随靠近坑角而减小,所以各点在桩顶与开挖面之间剪力基本不变。由于双排桩位移为越靠近坑角越小,且土体抗力与位移成正比,所以在第二个反弯点以下为越靠近坑角处剪力越小。随着开挖深度的加大,剪力逐渐增大。