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基坑开挖下单排悬臂倾斜长短组合桩模型试验与数值模拟

刘伟煌  
【摘要】:将基坑工程中常见的悬臂排桩支护中的单排桩倾斜一定的角度,得到倾斜桩这种支护结构类型,不仅提高其承受水平荷载的能力,同时抑制桩身变形及支护结构的侧向位移。另外,基坑开挖面以下,距离桩底部分,其承受弯矩较小,如果按照桩长相等的方式布置排桩,往往使得材料浪费,支护结构的潜力发挥不充分。本文首先对倾斜桩的施工方法,现场试验与室内模型试验,竖向与水平向承载特性等方面的研究现状进行了调研,基于此,设计了结合倾斜桩与长短桩的各自特点而形成倾斜长短组合桩,并对其工作性状、支护能力进行相关研究。具体包括以下几个方面:(1)基于倾斜长短组合桩支护形式,设计了一长一短和一长两短倾斜组合桩的工况,而后制定具体试验方案并通过材料力学中梁的挠曲线近似微分方程确定试验相似比。控制长桩倾角分别为0°、10°、20°;短桩由于桩长相对较短,故始终保持竖直。采集了试验过程中一长一短、一长两短、等长直桩等桩型的冠梁侧向位移,地表沉降,桩身弯矩等数据,整理分析后,结果表明:(1)倾角增大使得支护能力增强,提高了基坑极限开挖深度,支护结构性能大幅度提升,抗倾覆能力增强;(2)倾角增大后,桩身最大弯矩随之减小,斜桩与直桩在开挖面以上有小幅度减小,开挖面以下则减小较多。(3)对于等长直桩而言,减小用桩量会使得开挖面附近的桩身弯矩增长;对于长短桩而言,提高短桩的占比,使得长桩和短桩在开挖面上、下,桩身承受更大的弯矩;等长桩设置为长短桩后,基坑开挖面以上,长桩与短桩弯矩最大弯矩均有所增加,而在开挖面以下,长桩最大弯矩增加,短桩最大弯矩减小。(4)倾斜长短组合桩可以看作是受水平力的刚架,斜桩相当于对基坑放坡处理,有助于控制了土体变形,且其轴力在水平方向的分量不仅限制桩身深层水平位移,而且增大桩侧摩阻力,更好地控制土体变形。(2)基于模型试验,通过数值手段进一步研究在斜桩、直桩的总桩长一定的条件下,改变两者桩长对支护效果的影响。在保持倾角为10°、20°的条件下,具体设计了:斜桩桩长大于直桩桩长的工况;斜桩、直桩桩长相等的工况。研究结果表明:(1)倾角增大,提高了基坑极限开挖深度;不同桩长分配之间的支护效果差异随着开挖深度的增加而增加;当总桩长以及倾角相同时,倾斜长短组合桩对控制土体与支护结构变形方面,是要明显优于等长倾斜组合桩的。(2)在总桩长一定且直桩满足一定嵌入深度时,倾角存在一个临界值,当倾角小于临界值时,最佳桩长分配受倾角大小的影响,而当倾角大于临界值时,斜桩越长,支护效果越好。(3)倾斜长短组合桩和等长倾斜组合桩在基坑开挖面上、下,弯矩变化规律有所不同。(3)以实际基坑工程为背景,依托现场监测结果,通过数值手段建立原支护形式与倾斜长短组合桩支护形式的3D模型,并进行对比分析。结果表明:对于本工程来说,在倾斜长短组合桩的总桩长小于原支护形式,但其支护效果仍不弱于原先桩锚式支护。


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