摘 要

随着城市现代化的步伐越来越快，深基坑的数量也在不断增加。为了满足设计、施工的需要，本文提出了一种新型支护形式——剪力键支护结构，并通过室内模型试验及有限元软件对其支护效果进行研究，所得结果对于基坑支护具有重要的意义。

论文主要研究了腰梁位于上部的剪力键支护结构和腰梁位于中部的剪力键支护结构的桩顶位移、坑外土沉降、桩身弯矩分布规律，并将它们与在相同开挖方案下的悬臂桩结构进行对比分析，之后利用Midas/GTS NX模拟模型试验，分析验证试验数据。研究结果表明：（1）相对于悬臂桩结构，剪力键支护结构即使在使用更少的材料下，其支护效果仍优于竖直桩结构；（2）在剪力键结构中，无论是竖直桩还是斜桩，腰梁位于上部的剪力键支护结构的弯矩最大值均小于腰梁位于中部的剪力键支护结构，但弯矩分布情况基本相同，其正向弯矩最大值随着开挖深度的增大而不断增大；（3）从模拟结果与试验结果对比来看，两者所得结果基本相同，但在细节上仍有部分差异，这一部分原因可能是试验操作存在误差，另一部分原因可能是模型参数选取并非十分合适，有限元分析尚不能完全反映试验情况。

关键词：剪力键支护结构；模型试验；有限元

Abstract

With the rapid pace of urban modernization, the number of deep foundation pits is also increasing. In order to meet the needs of engineering, a new supporting structure with shear connector is proposed in this paper, and its supporting effects are researched with the indoor model test and finite element simulation. The results obtained are of great significance to the foundation pit support.

Main researches are conducted on the supporting structure with shear connector which has waist beam located at the upper part and the middle part respectively. Their displacements of pile top, foundation settlements, and bending moment distributions are compared with those of cantilever piles under the same excavation conditions. Then Midas/GTS NX was used to analyze and verify test data. The research results show that: (1) compared with cantilever pile structure, the support effect of supporting structure with shear connector is superior even with less material; (2) both vertical pile and inclined pile, the maximum moment of the supporting structure with shear connector which has waist beam located at the upper part is less than that of waist beam at the middle part. However, the distribution of bending moment is basically the same, and their maximum forward bending moments increase with the increase of excavation depth; (3) compared the simulation results with the test results, the two results are basically the same, but there are still some differences in details. It may exist test operation errors, or the model parameters selected are not appropriate so that the finite element analysis may not fully reflect the test situation.

Key Words：supporting structure with shear connector；model test；finite element simulation

目录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究进展概况 1

1.2.1 深基坑传统支护形式研究现状 2

1.2.2 深基坑新型支护形式研究现状 2

1.3 研究内容、目标及技术路线 3

1.3.1 研究内容 3

1.3.2 研究目标 3

1.3.3 技术路线 4

第二章 优化剪力键体系模型试验 5

2.1 引言 5

2.2 试验设备及试验材料 5

2.2.1 试验槽 5

2.2.2 模型桩 5

2.2.3 试验土样 6

2.2.4 止水帷幕 7

2.2.5 应变采集仪 7

2.2.6 百分表 8

2.3 标定试验 8

2.3.1 弹性模量的标定 9

2.3.2 桩身应变与弯矩数值关系的标定 10

2.4 试验方案 11

2.5 试验现象记录 12

2.6 试验结果分析 12

2.6.1 桩顶位移分析 12

2.6.2 坑外土沉降分析 13

2.6.3 桩身弯矩分析 13

2.7 本章小结 16

第三章 优化剪力键体系数值模拟 17

3.1 引言 17

3.2 优化剪力键体系数值模拟的理论基础 17

3.2.1 有限元方法简介 17

3.2.2 有限元方法基本思想 17

3.3 Midas/GTS NX概述 17

3.3.1 Midas/GTS NX的基本介绍 17

3.3.2 Midas/GTS NX主要分析功能 18

3.3.3 Midas/GTS NX岩土本构模型 18

3.4 优化剪力键体系数值模型的建立 19

3.4.1 模型参数选取 19

3.4.2 数值模型的建立 19

3.4.3 边界荷载 20

3.4.4 施工阶段 21

3.5 模拟结果 22

3.5.1 腰梁位于上部剪力键支护结构模拟结果分析 22

3.5.2 腰梁位于中部剪力键支护结构模拟结果分析 25

3.5.3 两组剪力键支护结构模拟结果对比分析 27

3.6 试验结果与模拟结果对比 28

3.7 本章小结 31

第四章 结论与展望 33

4.1 全文总结 33

4.2研究展望 34

参考文献 36

致谢 38

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

随着我国城市化进程的加快，各项建设工程正在以前所未有的速度发展，大量高层、超高层建筑拔地而起。如建造了高420.5m、88层的上海金茂大厦；高389.3m、81层的深圳地王商业大厦和高632m的上海中心大厦等规模宏大、技术难度大的建筑物^[1-2]。此外为缩短城市间的交通距离，地铁建设方兴未艾，而且为了避免已有的地下设施，其深度也在逐渐加深，如当前上海的最大埋深已经超过30m^[3]。这些大规模的工程建设都不可避免地涉及大深度、大面积基坑工程^[4-5]。

目前国内城市深基坑工程大部分已经是两层及两层以上地下室基坑，支护深度较大，且周边环境条件较为苛刻，不具备卸载放坡的条件。在国内城市处理深、大基坑时一般采用桩 水平内支撑的支护形式，这种支护形式具有支护稳定性好、安全性高、支护刚度大、位移小等优点。但其缺点也很明显：首先基坑支护作为一种临时性工程，安全系数相比永久性结构而言本应较低，在保证安全性和满足国家相关规范的前提条件下，若是过分投资，实属有些浪费；其次，若是基坑范围较大、深度较深，此时若是将整个基坑布满对撑、角撑，其成本就会大大增加。往往一个深大基坑采用2道以上内支撑支护，从开挖到回填需要两年甚至更长的时间，影响工期^[6]。

悬臂单排桩虽然在基坑支护工程中应用也很普遍，但其桩顶水平位移较大，因此并不适用于对结构水平位移要求严格的工程。虽然采用锚拉支护或者支撑的方法可以减小桩顶水平位移，但在场地限制、工期造价或等方面下也存在一些不利因素^[7]。而且悬臂单排桩所承受的弯矩分布集中，弯矩极大值远大于桩体其他范围的弯矩值，使得大部分截面没有充分发挥作用。双排桩在条件适当时可大幅度提高悬臂支挡高度，但当基坑开挖过大时，双排桩会因桩身位移及桩身内力过大而不再适用。

本文提出的竖直桩 斜向剪力键的支护形式，对比传统设计而言避免设置常规支护方式所需的大面积水平支撑，可以有效地缩短基坑的施工工期，同时降低工程造价，并避免使用桩锚支护形式带来的占用红线外用地、难以回收、隐蔽工程无法保证施工质量等问题^[8]。在一定条件下可以代替传统水平支撑等支护形式，发挥其成本低、不影响工期，不影响主体结构施工，不占用红线外用地，不涉及回收、拆撑、换撑等工序，大大提高施工效率，符合当前国内外提倡的设计理念。

1.2 国内外研究进展概况

1.2.1 深基坑传统支护形式研究现状

近年来，我国的发展日新月异，城市化的脚步正大步向前，各个城市的高层建筑大量涌现。同时因为建设用地紧张、交通不便、空间狭小，许多大规模的地下工程不断地出现，并形成了尺度、形状各异的深大基坑。国内外众多学者对基坑支护形式做了大量的理论研究和实践探索，且已经取得了一定的理论成果和实践经验。

最早在1776年，C.A.Coulomb提出一种计算挡土墙压力的方法，这种计算方法即库伦理论，也就是最早土力学的雏形；在1969年，Peck首次提出用来反映了基坑四周地表变形和分布的相关性的经验关系曲线，这在基坑开挖支护体系变形规律研究方面具有里程碑式的意义^[9]。上世纪70年代末以前，日本、美国以及欧洲一些发达国家已经开始制定指导支护结构设计、基坑开挖与施工等相关法规。

我国地下工程建设起步相对较晚。其在我国进行广泛的研究是始于上世纪70年代末。当时我国改革开放方兴未艾，高层建筑不断涌现，所以基坑深度也就不断增加。进入21世纪后出现的大量的超高层建筑和大型的地下工程更是带来了超深的基坑工程，目前国内城市深基坑工程大部分已经是两层及两层以上地下室基坑，支护深度较大。近年来一些学者针对目前的工程实例进行研究，取得一系列具有指导性的结论。

吴旭君，郑平等针对滨海地区软土地层含水量大，基坑支护过程中流砂、流泥现象难以控制的难题，采用上部放坡、下部钻孔护坡桩 桩间止水桩 拉力分散型预应力锚索支护方案，给今后滨海地区软土地层基坑工程提供了参考^[10]。孟长江针对汉口站存在的深厚层淤泥质粉质粘土、部分夹杂粉砂透镜体的地质情况，充分考虑空间、时空效应，制定了排桩加一道钢内支撑、双排桩等支护方案，可供同类工程借鉴^[11]。廖少明，魏仕峰等以苏州某基坑为工程背景，收集该地区至少23个采用地下连续墙围护的长条形地铁车站基坑的实测数据及11个采用钻孔灌注桩围护、顺作法施工的方形基坑，全面地研究了苏州地区采用不同形状、不同挡土结构的大尺度深基坑的变形性状^[12]。张玉成，杨光华等考虑珠三角地区的软土特性，针对双排桩支护结构的受力和变形研究中存在的问题，结合两个深基坑的设计案例，提出双排桩简化的计算方法^[13]。Clogh和O’Rourke发现拉锚和内支撑的支护结构水平位移最大值的平均值为基坑深度的 0.2%，土体的地面沉降影响范围为开挖深度的2~3倍^[14-15]。Ou等通过对台湾地区10个具有代表性的基坑开挖工程进行研究，认为基坑支护结构最大水平变形位移量约为基坑实际开挖深度的0.2%~0.5%^[16]。

1.2.2 深基坑新型支护形式研究现状

随着时代的发展和工程的需要，基坑支护的设计和施工不再拘泥于以前的以“保证基坑不倒”为目的，现阶段的设计与施工更加注重于效率和经济，不断的有新的基坑支护技术和设计理念被提出，不仅提高了工程效率，同时节约了造价、节省了工期，也更有利于环保。

贾坚，谢小林等针对“上海中心大厦”塔楼区圆形基坑直径超大、开挖深度超深的特点，采用了外径为123.4m的大直径无内支撑圆形基坑，充分发挥圆筒形围护结构的“圆桶”效应和受力特性，满足基坑的安全稳定并达到减少支撑工程量、快捷挖土、降低工程造价的目的^[17]。黄茂松，王卫东等认为我国大部分深基坑工程仍采用常规的临时支护方法，费用巨大且会造成很大的材料浪费，而支护结构与主体结构相结合技术具有环保、节约社资源、缩短工期等诸多优点^[3]。

深基坑支护原位测试虽然数据准确可靠，但测试费用高、技术难度大，所以众多学者在研究深基坑支护工程理论的同时，采用室内模型试验对其作了大量的模拟研究。

李启民等通过模型试验探究挤扩支盘桩的受力机理、挤密效应、合理的结构形式以及作为支护桩的工作特性，为中等深度基坑工程提供了一种经济合理的支护手段^[18]。徐源等通过8组模型试验，模拟了开挖过程中对前排桩倾斜的双排桩的工作性状^[19]。郑刚等研究了多级支护基坑在开挖过程中的变形、桩身弯矩及土压力的变化情况，并进一步分析了试验中出现的各种破坏模式的特征^[20]。

1.3 研究内容、目标及技术路线

1.3.1 研究内容

本项目提出竖直桩 剪力键的支护形式（即剪力键支护体系），通过模型试验探究桩身内力分布及桩顶位移规律，与单排桩支护的效果进行对比，并寻求竖直桩和剪力键的优化组合型式。同时开展数值模拟分析，期望这种新型的支护结构能应用到基坑支护工程的实践中。具体的研究内容包括：

（1）剪力键支护体系的性能研究

通过模型试验，得到新型支护结构形式的桩身内力分布及桩身变形规律，并与单排桩支护形式进行对比。

（2）竖直桩和剪力键优化组合形式探究

改变腰梁在竖直桩上的作用位置，通过模型试验与有限元软件分析剪力键的作用位置与新型支护结构性能的关系，得到竖直桩与剪力键的最优组合形式。

1.3.2 研究目标

通过多组实验对比，探索优化竖直桩 剪力键的组合形式，通过科学的手段研究其在基坑土压力的作用下受力和变形规律。拟解决目前国内常规的桩 水平内支撑支护形式存在的成本高、工期长、不方便主体结构施工的问题，以期利用剪力键体系在一定情况下取代传统支护形式，发挥其效用。

1.3.3 技术路线

本文采用的技术路线见图1.1。

图1.1 技术路线图

第二章 优化剪力键体系模型试验

2.1 引言

模型试验是解决岩土工程各类问题的一种非常重要的手段。对于模型试验的方法，国内外已有很多有意义的研究。不少学者采用模型试验对特殊挡土结构或基坑开挖进行了研究。如路培毅等通过室内模型试验研究了悬臂、单支撑支护的土压力分布形式^[21]；刘国楠等则采用模型试验研究了衡重式桩板墙的受力特性并提出了建议计算方法^[22]。本章设计了两组试验分别研究了开挖过程中腰梁位于竖直桩中部和腰梁位于竖直桩中上部的桩顶位移及桩身内力分布规律。

2.2 试验设备及试验材料

2.2.1 试验槽

将实际工程常用的桩型按比例进行缩放，综合考虑实际情况，确定试验槽内净空为2.5m×1.3m×1.5m（长×宽×高）。试验槽正面设置侧壁为12mm厚的钢化玻璃观察窗，方便观察槽内土体和模型桩变化情况，其余三侧面均为红砖砌筑的砖墙。实际施工模型槽时，观察窗前设置200mm宽台阶，方便人员站立操作，最终实物如图2.1。

图2.1 模型试验槽

2.2.2 模型桩

模型桩采用PVC塑料管材，截面形状为圆形，其截面尺寸为50mm×2mm（外径×壁厚）。本次试验制作了两组剪力键支护结构：腰梁位于竖直桩80cm处（中上部）和腰梁位于竖直桩55cm处（中部）。每组剪力键支护结构由9根竖直桩、8根斜桩组成。竖直桩总长度为1.3m，有效长度为1.1m，预留一定长度以便布置检测设备。在保持斜桩底部与竖直桩底部距离为21.5cm（模拟实际工程中与施工主体结构剪力墙的距离）不变的情况下，根据腰梁的所在位置，改变斜桩的倾角及桩长，使得斜桩与竖直桩底部平齐。桩顶用50mm PVC管直通作桩帽与冠梁连接便于拆卸组装，桩与冠梁之间节点处连接均采用前后钻孔螺栓固定。腰梁在斜桩节点处用电锯切割30mm宽度，用钢钳按照要求角度拧弯并钻孔，然后与剪力键桩用螺栓连接，同时腰梁与直桩也采用螺栓固定。最终实物如图2.2所示。

图2.2 剪力键支护体系模型

为采集桩身应变，选取4根竖直桩、4根斜桩，在其内部布设应变片。将模型桩沿桩身纵向对半剖开，在临土侧按照一定间距布置。竖直桩贴片位置为桩身内壁距桩顶15cm、30cm、45cm、60cm、75cm、90cm、105cm、115cm、125cm刻度处。对于腰梁位于中上部处的剪力键体系斜桩，贴片位置为桩身内壁距桩顶4cm、14cm、24cm、34cm、44cm、54cm、64cm、74cm刻度处。对于腰梁位于中部处的剪力键体系斜桩，贴片位置为桩身内壁距桩顶5cm、12cm、19cm、26cm、33cm、40cm、47cm、54cm刻度处。同时为避免边界效应，采集应变的模型桩均在试验槽中间部位。

2.2.3 试验土样

本次实验共需要4.875m³的砂料。通过试验得到本实验所使用的砂土粘聚力，内摩擦角，重度为18.3kN/m³。经筛分试验后，得到其颗粒级配曲线如图2.4所示。根据细度模数计算公式：

（2-1）

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