深基坑开挖对工程桩承载力的影响机理研究

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随着国民经济的快速发展与城市化建设进程的加速,大量高层建筑物和地下工程不断涌现,不可避免地会触及深基坑开挖问题。大面积的深基坑坑底往往设置密集的工程桩,深开挖导致的土体卸荷回弹作用会对这些工程桩产生强烈的影响。目前,国内外对于坑底工程桩的研究尚不全面,实际工程中常因对此了解不深而开挖不合理产生工程事故或盲目打桩导致资源浪费。本文以深基坑开挖对已有工程桩承载力的影响机理研究为核心,通过有限元分析,对深开挖卸载条件下基坑变形性状和围护结构应力特征、单桩和群桩的受力特性以及影响工程桩承载力的主要因素及其影响规律进行了研究。本文首先系统地总结了国内外关于基坑开挖引起的变形的研究现状和基坑开挖对桩基影响的研究现状。对围护结构变形、坑底土体隆起、周围地表沉降、基坑开挖对邻近桩基影响以及基坑开挖对坑内桩基影响几个方面问题的研究进展和存在不足进行了归纳。其次,对基坑开挖的有限元分析理论进行了总结。简要介绍了有限单元法的基本原理、主要特点、求解方式和分析过程,并对ABAQUS软件的基本功能、建模的关键问题和建模的具体流程进行了说明。第三,通过建立平面有限元分析模型,详细研究了深开挖卸载条件下坑底桩土相互作用的机理。对比分析了坑底无桩和有桩时基坑的变形性状和围护结构应力特征,得出坑底加桩可以有效减小墙后地表位移、坑底土体隆起和围护结构变形,但是增加了基坑开挖面以下围护结构的最大弯矩以及墙前、墙后土压力。分别研究了单桩和群桩的受力特性,结果表明,桩顶部位置的桩土相对位移最大;桩身轴力沿桩身自上而下先增大后减小;桩身上部受到正摩阻力而下部为负摩阻力,两者沿桩身向下都是先增大后减小。随着开挖深度的增加,桩身上部的桩土相对位移逐渐增大;桩身轴力有一定增大,且最大值逐步下移;桩侧摩阻力中性点逐渐下移。对群桩模型,工程桩越靠近基坑中心,其桩顶处的桩土相对位移越大;各部分桩身轴力越大;桩侧摩阻力中性点位置越低,桩身上部的正摩阻力越大,桩身下部的负摩阻力数值越小。第四,通过建立平面有限元分析模型,详细研究了深开挖卸载条件下影响工程桩承载力的主要因素及其影响规律。指出桩身性质、开挖条件以及土体参数对工程桩的抗压和抗拔承载力影响比较明显。工程桩的抗压承载力随着工程桩长度、直径、开挖深度和土体有效重度的增大而增大;随着工程桩数量、重度、土体泊松比和有效内摩擦角的增大而减小。工程桩的抗拔承载力随着工程桩长度、直径、重度、开挖深度和土体泊松比、有效重度、有效内摩擦角的增大而增大;随着工程桩数量的增大而减小。其他因素对工程桩承载力的影响较小,实际工程中工程桩的设计和施工应重点考虑这些主要影响因素。
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