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大面积深开挖对抗拔桩承载性状的影响研究

罗耀武  
【摘要】: 随着城市建设的蓬勃发展,大量的地下建筑物在沿海地区兴建,大面积深开挖工程越来越多。另一方面,我国沿海地区地下水位普遍较高,地下建筑物通常需承受巨大的浮力,抗拔桩作为抗拔基础的主要形式之一在工程中应用十分广泛。受施工限制,坑内基桩需在基坑开挖前完成,上覆土层的大面积卸荷使抗拔桩承载性状的确定很复杂。如何根据抗拔桩所在土层的物理力学特性,结合桩土界面剪切特性,对开挖前后抗拔桩的承载性状进行计算分析是一个正在引起岩土工程界高度关注的课题。 基于上述背景,本文针对大面积深开挖过程中桩~土相互作用问题进行研究。首先,进行了砂土中基坑开挖对抗拔桩极限承载力影响的模型试验,研究了开挖深度、开挖直径、坑底以下有效桩长对基坑开挖前后抗拔桩极限承载力的影响。试验结果表明:基坑开挖后桩土界面法向应力降低,导致抗拔桩极限承载力降低。开挖直径越大,抗拔桩极限承载力下降越多。当开挖直径为全开挖时,开挖卸荷后坑内土体处于超固结状态,坑内抗拔桩极限承载力大于土体为正常固结状态时。 然后,采用JCY型静止侧压力系数固结仪对砂土(不同密实度)、饱和粉土和饱和粉质粘土进行了K0加卸载试验,并采用K0加卸载模型对土体K0加卸载过程中的σv′~σb′关系进行描述,探讨了土体物理力学特性对K0加卸载模型参数的影响。 进而研制了土体超固结对抗拔桩极限侧摩阻力影响的试验装置,针对桩周土体为砂土和饱和粉土两种情况,首先采用该装置研究了抗拔桩在桩周土体K0加卸载过程中的极限承载力变化规律,进而研究了桩周土体不同OCR值对抗拔桩极限承载力的影响。试验结果表明,土体的超固结效应导致桩侧极限摩阻力增大。采用土体的K0加卸载模型计算桩周土体不同应力路径时桩土界面法向应力,进而计算抗拔桩极限承载力,计算值与实测值较为吻合。 在上述单元体试验及模型试验的基础上,结合桩土界面往返剪切特性,建立了大面积深开挖对抗拔单桩承载性状影响的一维分析模型及有限元分析模型,通过对算例的分析表明,两种分析方法对大面积深开挖前后抗拔单桩承载性状的计算结果较为接近。大面积深开挖后桩土界面法向应力降低,导致抗拔桩极限承载力及刚度降低。开挖后土体产生卸荷回弹,从而带动基桩回弹,桩身上、下部分分别承受正、负摩阻力,并在桩身产生拉力,对抗拔桩在后期承载过程中的荷载传递过程产生影响。 采用ABAQUS三维有限元分析软件,对大面积深开挖后群桩的受力及变形性状进行分析,研究了群桩的遮帘效应对基桩回弹位移及桩身拉力的影响,进而探讨了群桩的桩数、桩间距对其遮帘效应的影响。分析结果表明,由于群桩的遮帘效应,越靠近群桩中心,开挖后基桩桩身最大轴力越小。随桩间距的减小及桩数的增多,群桩的遮帘效应越来越明显。 对大面积深开挖后抗拔群桩的承载变形性状进行分析,结果表明,开挖后抗拔群桩达极限承载力时的位移远大于单桩。在相同的桩间距情况下,随桩数的增加,群桩承载效率系数下降。相同桩数情况下,桩间距越大,群桩承载效率系数越高。 最后将部分研究成果应用于上海500kV世博变电站工程的计算分析中。


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