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山东大学学报 (工学版) ›› 2019, Vol. 49 ›› Issue (3): 86-94.doi: 10.6040/j.issn.1672-3961.0.2019.019

• 土木工程 • 上一篇    下一篇

基坑的双排桩支护设计及变形规律

高阳1,2(),孙浩凯2,刘日成3   

  1. 1. 重庆市轨道交通(集团)有限公司, 重庆 401120
    2. 河北省大型结构健康诊断与控制重点实验室, 河北 石家庄 050043
    3. 中国矿业大学(徐州)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室, 江苏 徐州 221116
  • 收稿日期:2019-01-14 出版日期:2019-06-20 发布日期:2019-06-27
  • 作者简介:高阳(1984—),男,山东泰安人,副教授,博士,主要研究方向为隧道衬砌裂损机理分析,病害识别和加固. E-mail: gaoyang_ng_sjz@163.com
  • 基金资助:
    国家自然科学基金委青年基金资助项目(51608336);中国博士后科学基金面上基金资助项目(一等)(2017M610170);重庆市博士后研究人员特别资助(二等)(Xm2016015);河北省高等学校科学技术研究青年基金资助项目(QN2016080);西藏科技计划项目(XZ201801-GB-07)

Slope deformation and parameters sensitivity in the design of double-row supporting piles

Yang GAO1,2(),Haokai SUN2,Richeng LIU3   

  1. 1. Chongqing Rail Transit(Group) Co.Ltd., Chongqing 401120, Chongqing, China
    2. Hebei Province Key Lab of Structural Health Monitoring and Control, Shijiazhuang 050043, Hebei, China
    3. State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, Jiangsu, China
  • Received:2019-01-14 Online:2019-06-20 Published:2019-06-27
  • Supported by:
    国家自然科学基金委青年基金资助项目(51608336);中国博士后科学基金面上基金资助项目(一等)(2017M610170);重庆市博士后研究人员特别资助(二等)(Xm2016015);河北省高等学校科学技术研究青年基金资助项目(QN2016080);西藏科技计划项目(XZ201801-GB-07)

摘要:

以济南市槐荫区某基坑工程进行双排桩支护设计为例,分别采用有限差分数值软件中弹塑性实体单元和线性桩单元模拟开挖-支护-施工全过程,且考虑桩土相互作用并进行三维动态分析。对基坑坡面水平位移、桩身弯矩、桩身剪力等变化规律进行研究,分析双排桩支护体系的受力机理。通过土体力学参数、桩径、桩长、桩距、连梁等设计参数对基坑变形影响的敏感性进行对比,并就“实体”和“结构”单元桩的计算结果进行比较。研究表明,模拟过程能较好展示双排支护桩施工过程的受力机理,且计算精度较高;不可控参数中土体的黏聚力、摩擦角以及可控因素中的桩身长度、排桩距离等对支护效果影响较大,计算结果可为双排支护桩设计参数选取提供参考。

关键词: 双排支护桩, 桩土相互作用, 敏感性分析, 实体单元桩, 结构单元桩

Abstract:

This manuscript took the design of double-row pile support for a foundation pit project in Huaiyin District of Jinan City as an example. Elastoplastic solid elements and linear pile elements in finite difference numerical software was used to simulate the whole process of excavation-support-construction. The pile-soil interaction was taken into account and three-dimensional dynamic analysis carried out. In this paper, the design parameters of soil mechanics parameters, pile diameter, pile length, pile spacing, and coupling beam used to compare the sensitivity of foundation pit deformation. The calculation results for the "entity" and "structure" unit piles used for comparison. The research showed that the simulation process could better show the force mechanism of the double-row supporting pile construction process, and the calculation accuracy was high. The cohesive force, friction angle of the soil and the length of the pile and the distance of the pile in the controllable parameters had a great influence on the support effect. The calculation results could provide a reference for the selection of design parameters of double-row support piles.

Key words: double-row supporting piles, interaction between soil and pile, sensitivity analysis, entity unit pile, structural unit pile

中图分类号: 

  • TU925

图1

CFG桩、支护桩、钻孔灌注桩布置图"

图2

桩单元构件的局部坐标系及12个自由度"

图3

桩周切向弹簧的力学性质"

图4

桩单元法向材料的力学特性"

图5

基坑和支护结构模型"

图6

模型边界的约束条件"

图7

基坑水平变形情况"

表1

土体物理力学参数表"

序号土类型土层厚/m变形模量/MPa泊松比饱和密度/(kg·m-3)黏聚力/kPa内摩擦角/(°)
1粉土227.330.281 91025.723.4
2粉质黏土517.310.321 96025.021.9
3粉质黏土1120.490.301 94024.821
4黏土1026.400.301 96034.224.9
5粉质黏土1230.330.301 94045.722.9

表2

喷射混凝土面板物理力学参数"

面板类型密度/(kg·m-3)弹性模量/GPa泊松比厚度/mm
一般2 500260.380

表3

连梁力学参数"

类型层厚/m体积模量/GPa剪切模量/GPa黏聚力/MPa摩擦角/(°)饱和密度/(kg·m-3)
连梁0.420.5510.1545.722.92 500

表4

桩设计参数"

桩编号桩体类型长度/m弹性模量
/GPa
泊松比极惯性矩
/m4
Y轴的
二次矩/m4
Z轴的
二次矩/m4
法向耦合
弹簧的摩擦角/(°)
P1支护桩2230.00.190.012 80.006 40.006 49.6
P2CFG桩1425.50.190.002 60.001 30.001 39.6
P3钻孔灌注桩2431.50.190.012 80.006 40.006 49.6

表5

“不可控参数”下桩身水平位移"

计算参数参数取值前排桩最大水平位移/mm后排桩最大水平位移/mm
0.5倍原来抗拉强度9.608.21
原来抗拉强度9.207.66
土的抗拉强度/104N2倍原来抗拉强度9.337.70
5倍原来抗拉强度9.337.70
10倍原来抗拉强度9.337.70
土体摩擦角/(°)原来摩擦角9.207.66
原来摩擦角加5°8.446.86
原来摩擦角加10°8.166.50
原来摩擦角加20°8.086.39
土体黏聚力/kN原来黏聚力9.207.66
2倍原来黏聚力8.086.49
5倍原来黏聚力7.686.03
10倍原来黏聚力7.686.02

表6

“可控参数”下桩身水平位移"

计算参数参数
取值
前排桩最大
水平位移/mm
后排桩最大
水平位移/mm
1410.228.97
189.668.03
桩长/m229.207.66
269.187.65
309.167.63
1.69.118.36
2.48.787.74
桩排距/m3.29.787.77
4.09.596.72
4.89.737.31
0.29.217.69
0.49.217.69
桩径/m0.69.207.66
0.89.217.69
1.09.217.69

表7

结构单元与实体单元计算规模对比"

计算量土体支护结构整个模型
单元/个结构单元桩14 68868415 372
实体单元桩42 94463643 580
节点/个结构单元桩25 94874126 689
实体单元桩63 61568964 304
总循环/次结构单元桩57 311
实体单元桩71 327

表8

结构单元与实体单元计算结果对比"

数据
来源
桩身水
平位移/
mm
桩顶水
平位移/
mm
弯矩/
(kN·m)
剪力/
kN
切向
应力/
kPa
法向
应力/
kPa
接触面
位移/
mm
结构
单元桩
9.208.65554249
实体
单元桩
9.859.852174020.010 8

图8

实体单元桩水平位移图"

图9

结构单元桩水平位移图"

表9

分布开挖时桩身水平位移"

mm
位置结构单元桩实体单元桩
前排桩后排桩前排桩后排桩
1234123412341234
桩顶0.93.66.18.70.72.75.07.71.64.47.19.81.33.86.69.4
桩身1.33.66.19.21.12.75.07.71.64.47.19.81.33.86.69.4
桩底部0.71.01.11.60.81.11.42.10.20.50.71.10.20.50.71.1

图10

无连梁桩顶水平位移图"

图11

有连梁桩顶水平位移图"

图12

前排桩弯矩图"

图13

后排桩弯矩图"

图14

前排桩剪力图"

图15

后排桩剪力图"

图16

双排桩切向应力图"

图17

双排桩法向应力图"

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