富水软弱地层双排桩深基坑力学特性研究.pdf

第 卷第 期 年 月 山 东 建 筑 大 学 学 报 .收稿日期:基金项目:山东建筑大学博士科研基金项目()教育部产学合作协同育人项目()作者简介:孙剑平()男 教授 硕士 主要从事深基坑支护等方面的研究:.通讯作者:./.富水软弱地层双排桩深基坑力学特性研究孙剑平孟祥旭何天武江宗宝韩健勇(.山东建筑大学 土木工程学院山东 济南.山东建筑大学工程鉴定加固研究院有限公司山东 济南)摘要:以某深基坑工程实例为依托通过双排桩锚杆支护体系受力特性的现场试验研究了不同开挖工况下双排桩桩身内力、桩顶位移、土压力、土体深层位移、锚杆内力等变化规律为双排桩锚杆支护结构的设计提供参考依据 基于现场工况建立了双排桩锚杆支护结构的三维有限元模型分析了双排桩锚杆支护结构的力学响应规律 结果表明:桩顶位移和土体深层位移均远小于规范限制位移对于黄河冲积地层下的深大基坑工程双排桩锚杆支护结构具有较好的支护效果在设置锚杆的状况下前排桩的弯矩呈 形后排桩的弯矩呈抛物线形桩后土压力受开挖深度和时间效应的共同影响显著关键词:深基坑双排桩锚杆支护结构现场试验有限元方法中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.:.:山 东 建 筑 大 学 学 报 年 引言对于富水软弱场地在基坑开挖时常遇到两个问题:()地下水位高土体软弱支护结构承受的水、土压力大结构自身的内力和变形量大()基坑降水会引起周边场地的土体固结及不均匀沉降现象对周围环境的安全和周边建筑的正常使用造成影响 为了解决上述问题通常需要提高支护结构的刚度、设置止水帷幕及采用回灌等措施双排桩支护结构是一种由两排钢筋混凝土桩、桩顶连梁和桩顶冠梁构成的空间门架结构 相较于单排悬臂桩双排桩具有更高的抗侧移刚度可以有效地控制侧向变形与桩锚支护结构相比可以有效地防止因钻孔而引起的渗漏和涌水流砂的风险而对比内支撑围护结构其施工更方便且工期更短因此采用双排桩支护结构结合水泥土搅拌桩进行截水、帷幕外回灌的支护技术已广泛用于富水软弱场地的基坑开挖 考虑到土层软弱为了更好地控制支护结构的变形可以在桩顶加一道预应力锚杆学者们针对双排桩支护结构体系力学特性的研究已开展了大量工作在计算模型、模型试验、数值模拟等方面均取得了一定的研究成果 建筑基坑支护技术规程中也给出了双排桩支护结构的设计方法 聂庆科等研究了某一双排桩支护结构的土压力、桩身内力、冠梁内力、土体位移分析了基坑开挖的空间效应、冠梁刚度对土压力的影响、支护结构的变形与土压力分布的关系 左殿军等研究了某一非等长双排桩的桩身内力并通过规范法计算后排桩不同嵌固深度下的桩身内力变化但其开挖深度较浅周鹏华等监测了双排桩的桩身内力、桩顶连梁内力、土体深层位移并结合 有限元软件展开了分析 双排桩锚杆支护结构在工程实践中也有应用学者们采用数值模拟的方法研究了受力机理和变形特征等对于现场工程实例开展了现场监测分析但尚未有系统的理论研究和较为完整的现场测试亟需对双排桩支护结构体系支护力学特性进行深入研究针对聊城市某富水软弱场地深基坑的工程特点现场监测了双排桩桩身内力、桩顶位移、土压力、土体深层位移、锚杆应力等得出了不同工况下支护结构的受力特征及变化规律结合现场试验数据通过数值模拟分析了不同工况下支护结构的内力和变形规律为同类支护结构的设计和计算提供了参考依据 工程概况.基坑工程介绍及场地周边环境条件某基坑工程位于黄河下游冲积平原地下结构外墙线长为.、宽为.基底自天然地面算起为.地下室外墙线北侧距红线.距 栋 层砌体结构住宅楼(天然地基、浅基础)外墙最近处.西侧边线距红线.距 层砌体结构住宅楼(天然地基、浅基础)外墙.东侧距人行道边缘线.南侧距已建建筑物地下室外墙线.南侧已建建筑物地上 层地下 层(桩筏基础)基坑平面布置图如图 所示图 基坑平面布置图(单位:).场地工程地质与水文地质条件场地工程地貌单元单一地形较为平坦 场地内土层主要为杂填土、粉质黏土、粉土、粉砂、粉细砂等各土层厚度及物理、力学参数见表 表 各层土物理参数土层名称层厚/重度/()摩擦角/()黏聚力/压缩模量/杂填土.粉质黏土.粉砂.粉质黏土.粉土.粉质黏土.粉土.粉细砂.第 期 孙剑平等:富水软弱地层双排桩深基坑力学特性研究 场地地下水为上部第四纪孔隙潜水和粉细砂中的弱承压水场地地下水位埋深为.基坑支护方案选择及设计概况基坑工程存在的难点有:()上部 层土体较软()地下水位偏高下部有弱承压水()基坑西侧和北侧受红线控制()西、北边的居民楼基础埋深浅、建造时间较长、整体性差 若采用桩锚支护由于预留肥槽和上部土层条件不佳锚杆长度难以达到要求而在粉砂、粉土层中钻孔后在钻孔后易出现渗漏、涌水、流砂等风险而帷幕渗漏则会因水位降低导致居民楼开裂的风险 如果采取支护桩(设止水帷幕)、咬合桩、地下连续墙结合内支撑等支护方案施工周期将延长 个月成本也将成倍增长针对现场地质条件和周边环境的情况采取了双排桩锚杆支护结构选用了三轴搅拌桩止水帷幕帷幕内管井降水帷幕外设置回灌井的地下水控制方案止水帷幕设置在坑壁外 处在后排桩处及坑内设降水井 采用该方法可有效地改善坑壁与帷幕之间的土体的物理力学性能并提高坑后土体的稳定性 由于采用了双排桩支护方式且锚杆在后排桩顶故基坑未设肥槽在前排桩采用混凝土喷面用作防水基层可减少挖土量、增加基坑与周边建筑物的距离支护桩桩径为.、桩排距为.、桩间距为.桩顶冠、连梁尺寸分别为.和.支护桩、冠梁和连梁混凝土强度等级为 预应力锚杆长.、自由段.、预加力 、间距为.场地地层及基坑支护结构剖面图如图 所示图 支护剖面图(单位:)现场试验方案设计测试了不同开挖阶段的支护桩的钢筋应力、土压力、锚杆内力、土体深层位移、桩顶水平位移、桩顶竖向位移并根据实测结果计算支护桩的弯矩研究了不同开挖阶段双排桩锚杆支护结构的内力、土压力和位移之间的关系为双排桩锚杆支护结构的设计提供了可靠资料并为双排桩锚杆设计方案的优化提供了依据沿着基坑周边布设桩顶变形监测点每间隔 设一个监测点 为了尽可能减少基坑空间效应对试验的影响以基坑边的中部为试验点测点位置(图 已标明)在试验桩处设置深层水平位移监测点并在双排桩后埋设测斜管测斜管底与桩底处于同一标高支护桩的钢筋应力用振弦式钢筋应力计测试桩身钢筋计设于前、后两排桩的内侧外侧也就是沿开挖侧及迎土侧的主筋从桩顶.起每隔.设一对钢筋计共设 对 支钢筋应力计支护桩主筋和钢筋计之间用套管连接桩间土压力测点从桩顶.处每隔.设置一个土压力计被动区土压力测点在距基坑底部.处每隔.设置一个土压力计 测试仪器布置情况如图 所示图 测试仪器布置图(单位:)现场试验结果分析.位移测试分析桩顶位移曲线图如图 所示其中为基坑开挖深度 在基坑开挖前预降水并将基坑的水位降至开挖面以下.而基坑开挖后保证水位处在 山 东 建 筑 大 学 学 报 年施工面以下.由于进行了预降水故在基坑开挖之前已有一定的竖向位移 试验点的水平和竖向位移远小于规范规定值 测点处开挖到基坑底一段时间后桩顶水平位移、竖向位移、桩身弯矩、连梁弯矩都在持续增加同时测点附近土体的卸载也会对测点产生影响这反映了基坑的时空效应图 桩顶位移曲线 双排桩后土体深层位移如图 所示 在相同位置上测斜管所得到的支护结构的顶部位移与相同部位的冠梁顶水平位移相近说明试验结果是可靠的 深层水平位移集中在基坑底部以下 范围内 由于桩顶预应力锚杆的限制作用最大变形发生在桩顶以下.处而不是在桩顶处图 双排桩后土体深层位移曲线图.桩身内力测试分析桩身的钢筋轴力图如图 所示 由图()和()可看出在前排桩迎土侧钢筋在开挖面上以上为受压而在开挖面以下则是受拉并且拉压界限有向下移动的趋势最大压应力发生在.处最大拉应力发生在.处钢筋应力图的形状为 形 当开挖深度为.和.时.处钢筋承受的压应力.处钢筋的压应力而随着开挖深度的增加.处钢筋的压应力逐渐.处的压应力 当开挖深度为.和.时.和.处的钢筋为受拉钢筋而当开挖深度为.时钢筋由受拉转为受压 前排桩开挖侧的钢筋在开挖深度为.时除了.处为受压钢筋外其他均为受拉钢筋 在.、.、.处随着开挖深度的增加钢筋从受拉转为受压并逐渐增大在基坑开挖面以上的区域单排桩在开挖侧为受拉而在该工程中由于桩顶冠梁的限制作用相当于桩顶处施加了一个横向约束力和转动弯矩使桩顶不能自由转动结构整体刚度大由于顶部设置了一道锚杆在其共同作用下双排桩开挖侧桩顶处受压其最大拉应力发生在.处由图()和()可知后桩桩开挖侧钢筋主要为受拉其最大拉力点在.处 当开挖深度为.、.时.处钢筋为受压钢筋当开挖深度继续增加转为受拉钢筋且拉应力逐渐增大 当开挖深度为.、.时.处钢筋为受拉钢筋当开挖深度为.后钢筋从受拉转为受压后排桩的迎土侧钢筋主要受压其最大的压力点在.处 由于锚杆设在后排桩顶当开挖深度增加时.处钢筋的应力增大幅度明显高于.处钢筋的应力根据材料力学关于梁的弯曲变形和应力分析理论桩身弯矩的换算由式()表示为()式中 为桩身弯矩 为桩体的复合模量 为桩截面的惯性矩为拉压测点的间距 为支护桩同一截面上两个钢筋计之间的 第 期 孙剑平等:富水软弱地层双排桩深基坑力学特性研究 轴向应变差由式()表示为()式中 为钢筋计测得的应力 为钢筋弹性模量图 钢筋轴力图 如图 所示与双排桩桩顶不设置锚杆时相比设置了锚杆的前、后排桩桩身应力出现明显变化由图()可知前排桩的桩身弯矩呈 形其反弯点随开挖深度的增加逐渐下移至开挖面附近前排桩的最大正弯矩在前排桩上部的/处而最大负弯矩在前排桩下部/处最大正弯矩是最大负弯矩的.倍由图()可知后排桩桩身弯矩基本表现为正弯矩即其前侧受拉 当开挖深度为.时由于锚杆的限制作用.处的弯矩.处的弯矩桩身弯矩呈 形在开挖.后桩身弯矩呈抛物线形在桩排距较小时双排桩表现出悬臂桩特性且前、后排桩的受力特征相似 桩排距较大时后排桩有拉锚的特征 工程的桩排距为(为桩径)前排桩弯矩为 形后排桩为抛物线形具有拉锚的特征 与后排桩弯矩相比前排桩弯矩显著大于后排桩弯矩 在测点处开挖至坑底后继续向南侧挖土桩身弯矩仍在增加而后排桩弯矩的变化更加显著因此双排桩的受力并非单纯的平面应力状态而是具有显著的空间效应在测点附近的开挖会对测点处支护结构的受力产生一定影响 山 东 建 筑 大 学 学 报 年图 桩身弯矩图.土压力测试分析双排桩的土压力如图 所示 随着开挖深度的增加桩间土压力整体呈下降趋势在土体开挖.后第 天土压力最小土体开挖.时土压力增大在其后第 天土压力逐渐降低并随后土压力略微增大并逐渐稳定 被动区土压力总体上呈减小趋势土体开挖.后第 天土压力最小开挖.后的土压力持续增大并逐渐稳定 坑内土体的卸载和土体回弹是导致土压力下降的主要原因 当开挖至.时土压力急剧增大其原因是基坑中土体卸载作用引起了桩身变形增加从而使土体受到挤压导致土压力变大之后土压力趋于稳定图 双排桩土压力图 基坑未开挖时的土压力对比图如图 所示不同开挖深度土压力对比如图 所示 土压力的分布呈三角形 从未开挖到开挖.时的土压力减小可看作从静止土压向主动土压力的转化 被动区土压力基本呈三角形但比极限平衡条件下的被动土压力()小得多 对比同一时间的被动区和桩间土压力可看出未开挖时桩间土压力比被动区的土压力要大而在开挖后桩间土压力小于被动区的土压力表明在开挖过程中桩与被动区土体产生挤压从而导致被动区土压力比桩间土压力大图 未开挖土压力对比图 第 期 孙剑平等:富水软弱地层双排桩深基坑力学特性研究 图 不同开挖深度土压力对比图 有限元模型采用 有限元程序模拟了基坑的动态开挖过程 黄河典型冲积土的强度特征与莫尔库伦屈服准则相一致且莫尔库伦模型的材料参数易于获得故文章中土体选用莫尔库伦模型 数值模拟中土体的力学参数参照岩土工程勘察报告取值 根据已有研究成果基坑开挖对周围环境的影响范围是 倍开挖深度因此在建立模型时土体采用 倍开挖深度的方法 在考虑了支护结构的布置和计算资源的前提下选择了 对支护桩(跨连梁)建立模型模型尺寸为 土体参数和支护结构参数按照实际工程参数取值 支护桩桩径为.、桩排距为 、桩间距.冠、连梁截面尺寸分别为.和.预应力锚杆的预加力为 基坑的开挖深度为.有限元分析模型图如图 所示桩后的超载取 、建筑物荷载为 其与基坑边的距离为.模型分为 步实现开挖除了第一步开挖为.外其余每一步均开挖 通过对土体的分步钝化实现了基坑的动态开挖过程开挖至基坑底部的支护结构应力云图如图 所示图 有限元分析模型图 支护结构应力云图 山 东 建 筑 大 学 学 报 年 数值模拟弯矩图如图 所示 对比实测结果与数值模拟二者之间的规律大致相同 随着基坑的开挖前、后排桩和连梁的弯矩逐渐增大其排桩和连梁的弯矩形状与实测数据大致相同图 数值模拟弯矩图 结论通过现场监测及相关研究得到以下结论:()双排桩 锚杆支护结构的桩顶位移为.土体深层最大位移为.均远小于规范限制值对于黄河冲积形成的富水软弱地层的深基坑工程双排桩锚杆支护结构具有较好的支护效果()双排桩锚杆支护结构中由于桩顶锚杆的作用加之冠梁和连梁的存在改变了双排桩的受力特性前排桩弯矩呈 形反弯点位置在开挖面附近后排桩弯矩主要为正弯矩其数值小于前排桩桩后土压力受基坑开挖深度与桩体变形影响显著支护结构的变形会对双排桩的受力产生影响双排桩支护结构的内力和变形受多种因素共同影响参考文献:何颐华 杨斌 金宝森.双排护坡桩试验与计算研究.建筑结构 ():.郑刚 李欣 刘畅 等.考虑桩土相互作用的双排桩分析.建筑结构学报 ():.杨光华 黄忠铭 姜燕 等.深基坑支护双排桩计算模型的改进.岩土力学 (增刊):.曹净 钱国伟 杨泽帅 等.基于等效框架模型的基坑双排桩结构计算模型研究.防灾减灾工程学报 ():.周一君 姚爱君 闫旭丽 等.考虑桩土摩擦的双排桩桩间有限土体土压力计算.施工技术 ():.蓝日彦.深基坑排桩支护土压力及变形的试验研究.南宁:广西大学.曲力群.不同刚度圈梁对排桩支护结构力学性状的影响.成都:西南交通大学.王可峰.双排桩支护结构数值分析与试验研究.成都:西南交通大学.陆培毅 杨靖 韩丽军 等.双排桩尺寸效应的有限元分析.天津大学学报 ():.孙涛 刘俊岩 刘燕 等.双排桩支护排距的优化研究.岩土工程学报 ():.许胜才 范秋雁 崔峰 等.基于 的特殊双排桩支护结构三维有限元分析.地下空间与工程学报 ():.张虎元 李秀祥.黄土基坑双排桩支护结构的有限元分析.地下空间与工程学报 ():.中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑基坑支护技术规程:.北京:中国建筑工业出版社:.聂庆科 胡建敏 吴刚.深基坑双排桩支护结构上的变形和土压力研究.岩土力学 ():.左殿军 邓成发.不同嵌固深度排桩受力与变形特性现场试验研究.岩土工程学报 (增刊):.周鹏华 朱海军 李继承 等.双排桩受力变形的数值模拟与现场监测对比.施工技术 (增刊):.胡杨 郭通达 龙万学 等.基于 分布式光纤传感技术的双排圆形桩变形特性及内力研究.西安建筑科技大学学报(自然科学版)():.盖文 易领兵 王宝 等.双排桩与锚索联合支护结构体系在紧邻建构筑物基坑中的应用研究.施工技术(增刊):.胡贺祥 宋福渊 油新华 等.锚杆对双排桩结构变形和受力分析.岩土力学(增刊):.季璇 高全臣 杨卓 等.型双排桩支护结构三维数值模拟分析与工程应用.施工技术():.吴才德 龚迪快 王洁栋 等.门架加锚杆复合结构在超大基坑中的应用研究.岩土工程学报(增刊):.肖俊华 孙剑平 郭道通.黄河三角洲地区基坑实例研究.山东建筑大学学报():.(学科责编:邢鲁义)