复合土钉墙支护设计参数敏感性分析及边坡变形规律研究

由土钉和预应力锚索组成的复合土钉墙支护结构可以有效加固周围土体,控制基坑变形,被广泛应用于基坑支护设计中。以济南西客站站前广场基坑工程复合土钉墙支护设计为例,通过FLAC3D有限差分软件数值计算和现场监测分析,采用弹塑性实体单元和线性锚杆单元,考虑锚杆与土体相互作用,通过对土钉和预应力锚索组成的复合土钉支护结构进行开挖支护施工全过程的三维动态模拟分析。分析基坑坡面水平位移、坑底隆起、地表沉降、土钉轴力、预应力锚索轴力等变化规律,研究复合土钉墙的受力机制,探讨土钉和预应力锚索的共同作用机制。分析土体各种力学参数和锚杆间距、锚索预应力等设计参数对基坑变形影响的敏感性,并与监测数据进行对比分析。研究表明,锚杆与土体相互作用力学模型能较好模拟复合土钉墙支护施工过程,计算精度较高;土体黏聚力、摩擦角、土钉间距、锚索预应力等对基坑边坡变形的影响较大,计算结果可为复合土钉墙设计参数选取提供参考     

深基坑双排桩结构支护效果有限差分数值模拟

[摘 要] 由两排平行的钢筋混凝土桩以及桩顶冠梁形成的双排桩支护结构可以有效控制基坑侧 向变形,被广泛应用于基坑支护设计中。本文以济南市西区文化中心项目大剧院为工程背景,对双排桩 支护结构下基坑坡面水平位移,坑底隆起,桩身弯矩、剪力,桩土接触面切向刚度和法向刚度等特征进行 研究,并通过“实体单元桩冶和“结构单元桩冶的计算结果进行对比分析。研究表明,桩与土体相互作用 力学模型能较好模拟双排桩支护施工过程,计算精度较高;桩顶的水平位移最大,基坑开挖底面的弯矩 和剪力最大;计算结果可为双排支护桩作用机理的研究提供参考。     

盾构隧道下穿管道施工引起的管-土相互作用研究

采用Loganathan公式研究了盾构隧道下穿管道施工引起的地下管道处土体竖向位移,利用考虑土中剪力传递的Pasternak模型模拟管-土相互作用,运用修正Vlasov模型中的迭代流程计算出Pasternak模型的关键参数——弹性系数k与剪切系数gs。将计算结果与已有文献结果及工程监测数据进行对比,深入分析了迭代求解k、gs值的Pasternak模型与传统模型的计算差异,并进一步研究了土中剪力、管道与隧道的夹角、土体弹性模量及隧道半径的变化对管-土相互作用的影响。研究结果表明：迭代求解的k、gs值能提升Pasternak模型的精确度;土中剪力对管道竖向位移计算值的影响可达15.3%;随着管道与隧道夹角的减小,管道的竖向位移增大、弯矩减小;土体弹性模量与隧道半径的增大均会增加管道的竖向位移和弯矩。     

复合土钉墙支护FLAC3D数值模拟与实测结果对比

针对深基坑复合土钉墙支护的特点,运用FLAC3D软件进行深基坑开挖与土钉支护过程的数值模拟,计算中采用摩尔-库仑弹塑性模型,接触面运用接触单元来模拟土体与土钉之间的相互作用。通过计算得到了基坑不同开挖及土钉支护过程中土钉轴力沿钉长分布、墙后土体深层水平位移、周围地表沉降、坑底隆起及潜在滑动面等变化情况,并与实测结果比较发现二者吻合较好,计算结果对工程施工和设计具有一定的指导意义。同时说明所采用的FLAC3D计算模型和分析方法是可靠的,能够满足工程的精度要求,能够较好地运用于实际工程中的分析与预测。     

考虑桩桩相互作用的双排支护桩受力变形分析

双排桩支护结构的变形与内力计算是其设计计算的重要内容之一。双排支护桩结构是由前排桩、后排桩及桩顶连系梁组成的空间门架式结构。在承受水平荷载时,后排桩向坑内发生挠曲变形,挤压桩间土体,同时桩间土体又对前排桩产生推力,使得前排桩向坑内发生挠曲变形,挤压前排桩桩前土体,以致该支护结构在传递水平荷载时,前后排桩及桩间土体之间存在非常复杂的相互作用。本文基于上述双排桩支护结构受力变形特性,将前、后排桩均视为竖向放置的弹性地基梁,以欧拉伯努利双层梁理论考虑前后排桩的相互作用,以水平向弹簧模拟桩间土相互作用,以朗肯土压力计算作用于后排桩的主动土压力,以弹性抗力法计算作用于前排桩基坑底面以下的被动土压力,以基坑底面为界人为将前、后排桩分为上下部分,并通过桩身各段的受力平衡建立前后排桩的挠曲变形控制微分方程,然后通过桩端约束及基坑坑底平面处的连续条件得到方程的解析解,给出了一种考虑桩桩相互作用以及桩土相互作用的双排桩支护结构计算方法。最后结合两个实例,将本文方法计算结果与实例结果进行对比分析,验证本文方法的可行性,以期为双排桩支护结构在工程中的设计计算提供借鉴。     

土钉支护边坡动力模型的建立及地震响应分析

参照上部结构抗震设计的方法,对土钉支护边坡的抗震设计提出了3个水准的抗震设防要求和两阶段设计法。综合考虑输入地震波的特性、边坡土体特性、坡高因素,以及土体边坡在水平地震激励下,其位移响应主要为剪切型变形,建立了土钉支护边坡地震动力简化模型。该模型将同一水平层不稳定土体、稳定土体在水平地震作用下运动趋势假想为同步,两者之间相互作用很小,因此,取不稳定土体和面板为研究对象。由于面板很柔,其运动随着土体的运动而变化,其刚度只考虑剪切刚度,将土钉处理成弹性支座,建立了土钉支护边坡振动方程,求解了在简谐地震作用下土钉支护边坡动力响应的解析解,通过该模型可以得到滑移面附近土钉轴力动力响应和土钉支护边坡的弹性动位移响应。最后,结合案例进行了分析,比较了按此分析方法与用ADINA按弹性有限元方法计算的结果,两者吻合较好。故这种方法可用于土钉支护边坡的第1阶段的抗震分析与设计。     

北京某基坑阳角部位土钉支护的冗余度设计研究

以北京某基坑阳角土钉支护工程为背景,采用Midas/GTS软件建立了该基坑阳角开挖模型,以土钉轴力和土体变形为标准,计算支护体系的冗余度,并分析了腰梁加固和阳角参数对基坑支护体系冗余度影响特征。结果表明:①与无腰梁体系相比,土钉一腰梁共同工作的整体能够很好控制阳角危险位置处的位移,同时增加支护体系的传力路径,提高支护体系冗余度。腰梁的设置提高了支护体系变形冗余度。②土钉一腰梁支护体系能够降低阳角附近土钉轴力,保护危险构件,提高支护体系承载力冗余度。③基坑阳角凸出长度增大,支护体系冗余度降低;基坑阳角角度减小,支护体系冗余度相应降低。     

双基坑大直径双环梁支护体系监测与分析

双基坑大直径双环梁支护体系是一种新型的基坑支护结构形式。通过对天津铜锣湾广场基坑工程中的环梁支撑内力和坑周土体水平位移的现场施工监测和数据结果分析,讨论了基坑开挖过程中环梁结构受力的特点以及对周围环境的影响,得到了基坑周边土体水平位移的变化规律,为考虑施工因素的环梁结构设计提供了依据。     

双排桩-锚杆支护的有限元模拟

基坑支护模型往往在计算假定的基础上建立,而依据计算假定建立的模型往往不能得到和实际相符的结果。但有限元软件可以较为真实的模拟基坑开挖的过程中应力和位移的变化情况,是土工数值分析的重要手段。本文运用大型有限元软件ABAQUS建立双排桩-锚杆结构有限元模型,全面的考虑土体的特性、桩土的共同作用及桩间土对支护结构的影响等因素,分析支护结构在土体开挖荷载作用下的内力和变形,为设计和施工提供了参考。     

土钉支护结构优化设计的有限元分析

考虑土钉-土体的相互作用,建立三维有限元模型,分析计算土钉支护结构的内力和位移,提出了变形控制和应力控制相结合的优化设计方法。采用遗传算法,以应力和位移为约束条件,以工程造价为目标函数,建立了土钉支护结构的优化设计数学模型,并编制了相应的计算程序,通过算例分析,并基于规范法的优化设计结果相比较,得出本文的设计方法更为合理的参考结论。     

考虑桩土效应的双排桩模型及参数研究

双排桩作为一种新型的深基坑支护结构,目前尚无简单而有效的设计方法。首先,借助Winkler地基梁基本思想,在忽略桩土竖向摩擦效应及空间效应的前提下,对双排桩支护结构力学机制进行分析,建立了考虑桩土效应的双排桩平面杆系有限元模型。接着围绕双排桩平面杆系有限元模型的关键参数土压力分布及弹性抗力系数展开了研究,针对连梁拉力将使传统的坑后土体滑移面临界距离增加特征,利用滑动比例系数法获得了土压力分配规律;针对弹性抗力系数正分析取值不确定性,提出了采用位移反分析优化方法获得弹性抗力参数的取值。最后,根据杆系有限元及反分析中位移最优准则函数的求解步骤,分别编制了doublerowpile及doublerowpileparameter计算程序,并进行了相应的工程计算,工程计算结果表明,计算位移与监测位移趋势一致,计算内力符合规范要求,且能较准确获得弹性抗力系数取值。     

双排桩双梁组合支护刚度计算的改进与位移分析

双排桩支护组合体系作为一种新型悬臂类支护结构,其整体刚度的提升有利于保持基坑边侧的安全稳定。本文依托于张家口万全区某双排桩基坑支护工程案例,以现有双排桩冠梁刚度系数计算方法为基础,引入冠梁与连梁作用效应系数优化改进考虑连梁和冠梁作用的基坑矩形双排桩支护结构横向支撑刚度的计算方法,并对双梁组合支护体系下不同土性对双排桩前后排桩桩身最大横向位移的影响进行探讨。结果显示:（1）在双排桩结构计算中需考虑冠梁与连梁对双排支护桩的共同横向约束作用,并将冠梁与连梁的刚性连接作为一个整体以提高矩形双排桩双梁横向支撑刚度系数。（2）双梁组合支护体系组合刚度对桩顶位移有较大影响,组合刚度为40～50 MN/m下的位移与观测值较为贴近;冠梁计算长度与引入的冠梁与连梁作用效应系数对双梁组合支护体系组合刚度影响较大,计算长度对组合刚度呈负相关,效应系数对组合刚度呈正相关。（3）双梁组合支护体系下双排桩横向支撑刚度受前后排桩竖向与横向位移差影响,前后排桩桩身最大横向位移受土层内摩擦角、黏聚力和土体水平抗力比例系数影响;改变抗拉强度不会影响双排桩桩体位移。在基坑埋深以下及桩底范围内桩身存在位移拐点,拐点处各不同内摩擦角、不同黏聚力条件下位移相等。     

深基坑支护结构分析的共同变形法

在分析基坑工程通用弹性地基梁法优缺点的基础上,建立了考虑结构变形与土体相互作用的共同变形法计算模型及分析程序。通过分析及计算比较认为,运用共同变形法计算时,可采用与通用弹性地基梁法相同的地基反力系数,文中讨论了土体水平地基反力系数的取值方法对计算结果的影响。研究表明,共同变形法在实践中是可行的并较通用弹性地基梁法更合理。     

基于影像源法的基坑开挖对邻近单桩影响简化分析

邻近建筑物进行基坑开挖会使桩基产生附加变形和内力,降低其承载能力,如果桩基变形过大会威胁到上部结构的安全。针对该领域目前存在的三维有限元数值模拟法建模复杂且计算耗时的现状,同时为了充分利用基坑围护位移较易通过现场监测技术获取的优势,提出了基于影像源法的基坑开挖引起邻近单桩变形影响的两阶段简化分析方法。同时,引入了Kerr地基模型,并针对Winkler地基模型进行改进,弥补了Winkler地基不能考虑土体连续性的缺陷。在第1阶段基于影像源法,由基坑围护变形计算基坑开挖引起的土体水平自由场位移;第2阶段分别基于Winkler和Kerr地基模型,将土体自由场位移施加于桩基,建立桩基在被动位移扰动下的微分控制方程,得到基坑开挖对邻近桩基影响的简化解析解,包括基坑开挖引起桩基的水平位移、弯矩和剪力等。将计算结果与既有理论结果、监测数据以及三维有限元数值模拟结果进行对比,取得了较好的一致性,其中基于Kerr地基模型的简化解比基于Winkler地基模型的简化解更为精确。该简化方法可为有效分析基坑开挖对邻近桩基的变形影响提供一定理论依据。     

基坑悬臂支护桩双参数弹性地基杆系有限元法

对地基抗力双参数法在基坑悬臂支护桩位移和内力计算方面进行了探讨,即采用地基土抗力系数随深度按双参数非线性变化的假设,以弹性地基杆系单元模拟,支护桩则按弹性梁单元模拟。对某基坑悬臂支护桩进行数值模拟反分析表明,通过试算调整可获得适合于实际设计计算的地基抗力双参数,该法应用到福州市某基坑悬臂桩的实际分析和设计中获得了较为满意的结果,可供悬臂支护桩设计计算时参考。     

边坡土体侧移模式对抗滑桩影响分析

在开挖、降雨或地震等外部因素作用下,边坡土体很容易进入局部或瞬态大变形乃至失稳滑动,使抗滑桩产生附加位移及弯矩。基于两阶段分析方法,采用Winkler模型模拟抗滑单桩与土之间的相互作用,建立单桩水平位移控制方程组,根据内力与位移的连续条件得到考虑不同土体侧移模式下求解桩身响应的矩阵解析表达式,并采用现场监测数据及Poulos弹性理论进行验证,证明该方法是合理可行的,并通过参数分析土体侧移对抗滑桩水平承载性状的影响程度。分析结果表明,土体侧移模式包括最大侧移值、分布形状及重心、侧移势等,对抗滑桩的挠度和弯矩均有显著影响,在工程设计中应予以充分重视。     

深基坑支护双排桩计算模型的改进

当锚索超出规划红线被越来越严格限制后,双排桩支护的应用已越来越多。实践中发现现有规范方法的双排桩计算模型简单方便,但对于软土地层时存在计算位移不够合理的情况。同时,桩间土简化为压缩弹簧未能充分考虑桩和土柱之间的作用,会使计算位移偏大。为改进这些不足,建议了一个新的土压力模式,即基坑面以下的附加压力看作弹性应力,对两排桩与桩间土的作用增加一个等效土柱刚度,对基坑面以下的桩间土弹簧刚度取压缩刚度和m法刚度的大值,使计算的位移更合理,并与有限元和工程实测结果进行了比较,初步检验其合理性。     

Soil resistances for laterally loaded rigid piles in multi-layered elastic soil

ABSTRACT

Short stubby piles like monopiles and large diameter drilled shafts undergo rigid body translation and rotation when subjected to a lateral force and/or a moment at the head. A method of analysis for these piles embedded in multi-layered elastic soil is developed using the variational principles of mechanics. Using this analysis, the soil resistance against pile movement can be rigorously related to the soil elastic constants, and the pile head displacement and rotation can be quickly calculated. The equilibrium equations for pile and soil displacements are obtained using the principle of virtual work and solved using an iterative algorithm. Pile responses obtained from the analysis match well with those obtained from three-dimensional finite element analyses in which the same inputs of loads, geometry, and material properties are given. Based on the new analysis, fitted equations for soil resistance parameters are developed, which can be used to directly calculate the pile head displacement and rotation without the use of the iterative algorithm. Numerical examples are provided that demonstrate how the method can be used to analyse practical problems.     

基坑围护结构增量计算法的改进

就围护桩（或围护墙）加内支撑这一基坑支护形式而言,基于弹性地基梁理论的增量法是其围护结构内力和变形计算的常用方法。合理计算荷载增量是该方法实施的关键之一。目前,该法的荷载增量主要由土压力增量和挖除土体弹性抗力释放的反力增量两部分组成。根据弹性地基梁和增量法的基本原理,结合基坑施工过程,综合分析得出：荷载增量除上述两部分外,还应包括开挖面以下土体因开挖面下降、水平抗力系数降低而引起的土体弹性抗力部分释放的反力增量;开挖面以下围护桩（或围护墙）任意点的这部分反力增量等于该点在上一工况下的侧向位移与开挖侧土体水平抗力系数的比例系数m和本工况挖除土体厚度的乘积。工程实例理论计算结果和实测结果的对比分析表明,与传统增量法相比,采用改进增量法,围护桩（或围护墙）侧向位移的计算值与实测值更加接近,计算结果更加符合工程实际。