矩形人工挖孔桩护壁土压力计算方法研究.pdf

长沙理工大学

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日期：珈易年‘月垆日 作者签名：隗男碍∥

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作者签名：、涿彩矽 日期：别>年占月严日

导师签名：

日期：加^年占月仁日

摘 要

随着我国经济社会的进步以及土木工程行业的蓬勃发展，人工挖孔桩凭借其施工设 备简单、施工过程无噪音无震动、持力层方便检查等若干优点而越来越多地被用于工程 建设之中，例如高层建筑中的桩基础，地质灾害防治中的抗滑桩，桥梁工程中承受竖向 荷载的挖孔桩等。人工挖孔桩护壁作为开挖后临空面的支护结构，主要承受着壁后土体 对其产生的侧向土压力，这一土压力的大小与挖孔桩开挖深度的关系迄今为止尚没有较 多研究，而护壁设计的安全可靠性将直接关系到挖孔桩质量和施工操作人员的安全。

本文基于人工挖孔桩护壁与护壁背后土体之间相互作用机理，重点研究护壁土压力 随开挖深度值变化的规律，结合工程实例对比现行护壁设计方法进行优化设计，以便给 实际工程中人工挖孔桩护壁设计和施工提供参考。

主要的研究内容及成果有：

(1)利用ANSYS有限元软件建立模型对开挖过程进行了模拟，分析研究了护壁承 受土压力大小随开挖深度的变化规律。将计算结果与重庆市地方标准《地质灾害防治工 程设计规范》DB5／5029．2004之规定进行了对比分析。

(2)为研究挖孔桩深度对护壁土压力的影响，本文对几种常见土质下的矩形人工挖 孔桩进行开挖模拟，发现作用在护壁上的土压力在初始状态下随着深度值的增大而加 大，该变化与主动土压力计算情况相似，但是当开挖到达一定深度以后护壁上的土压力 增长趋势变缓直至稳定状态。

(3)选取粘聚力和内摩擦角做了参数分析。通过三组模拟分析发现，在其他土体参 数不变的条件下，随着粘聚力C的增大，护壁上土压力值的临界稳定深度越来越小，且 粘聚力越大，同样深度处的护壁所受到的土压力值越小。随着内摩擦角妒的增大，护壁 上土压力值的临界稳定深度越来越小，且内摩擦角越大，相同深度处的护壁所受到的土 压力值越小。最后建立了粘聚力及内摩擦角和土压力稳定深度值之间的经验公式。

(4)列举工程实例，分别采用四种方法计算了护壁厚度。通过对计算结果的比较， 分析了现行护壁设计方法之不足，提出了更为合理的护壁设计计算方法。

关键词：人工挖孔桩；护壁；土拱效应；临界深度；内摩擦角

ABSTRACT

With the progress of China's^economicand social，and^civil engineering industry^of booming development，manual^hole digging^{pilearewidelyusedbecauseofitsadvantages，} such^as construction equipment is simple，no noise^{andnovibration} during^{theconstruction} process^and bearing^{stratumisfacilitateto} inspect．So^{wecanseeitinPilefoundationin} lligh—rise buildings，the stabilizing piles^of geological^disaster prevention，bridge Engineering withstand the vertical loads digging pile．Rectangle man-dug pile not only applies to mountainous hilly soil relatively hard and topography change larger area，can also be applied in the soft soil foundation．The wall protection of Rectangle man—dug pile as the supporting structure of the free surface after excavation，mainly under the wall of soil mass behind its lateral earth pressure，The relationship between the number of earth pressure and digging pile excavation depth hasn’t clear computing SO far,but safety and reliability of the wall protection is directly related to operating personnel safety^and digging^hole pile’S quality．

Based on the existing interaction mechanism of the Rectangle man-dug pile and soil behind wall protection，focus on the change^ruleofearth pressure^behindwall protection go along^{withtheexcavation} depth^{value．Combinedwithpractical engineering，comparedtothe} current design^{methodof wall} protection，in^orderto design^wall protection^{thicknessbetter．} So that provide a reference to^the design^{andconstructionofmanualhole} digging pile^inthe actual project．

The main research contents and results are：

(1)Using^{ANSYSbuildfinite} element^model to simulate^the excavation process， analysis^the change^{ruleof earth} pressure^behindwall protection go along^{withtheexcavation} depth^value．

Compared^{thecalculatedresultswiththelocalstandardsof} Chongqing’’Geological^disaster prevention^{engineeringdesignspecifications”DB5／5029—2004．}

(2)Through^{fivecommonsoilundertheRectangle man-dugpileexcavationsimulation，} Found the soil pressure^onthewall protection^{intheinitialstatewiththeincreaseof the} depth

¨

value increased，similar with the change of active earth pressure，but when the excavation reaches a certain depth of soil prcssure on^the growth trend^intheWall becomes^slowuntila

(3)Select^{cohesionandinternalfriction} angle^do parametric analysis，through^threesets of simulation analysis found，under the same conditions of other soil parameters，with the increase of the cohesion，the critical stable depth of earth prcssure behind wall protection is getting^{smallerandsmaller,andthe} larger^cohesive force，the^smallerearth pressure^valuesat the same depth of wall protection．With the increase of the internal friction angle，the critical stable depth of earth pressure behind wall protection is getting smaller and smaller,and the larger internal friction angle，the smaller earth pressure valuesat the sawle depth of wall protection．

(4)Listed engineering examples，use^three ways^to design^{andcalculationofthewall} protection thickness．By comparison^{ofthecalculatedresults，summarized} inadequacies^{of the} present design method，proposed^the optimal design^{methodofthewall} protection．

Keywords：manual^hole digging pile；wall protection；Soil arching^{effect；Critical} depth； internal friction angle

Ill

目 录

摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I
ABSTRACT⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．II
第一章绪论
1．1研究背景与选题依据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l
1．2国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2
1．2．1土压力理论研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2
1．2．2土拱效应研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3
1．2．3护壁与外侧土相互作用研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4
1．3本文研究的内容与意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9
1．3．1研究的意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9
1．3．2主要研究工作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l0
第二章矩形人工挖孑L桩护壁与土相互作用机理及现行护壁土压力计算方法
2．1经典土压力理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．11
2．1．1静止土压力计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．12
2．1．2朗肯土压力理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯12
2．1．3库仑土压力理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3
2．1．4分析比较经典土压力理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．13
2．2土的应力应变特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．14
2．2．1土应力应变关系的非线性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．14
2．2．2土体剪胀性和土体变形的弹塑性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15
2．2．3土的结构性和土应力应变各向异性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．17
2．3护壁土压力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．19
2．3．1矩形人工挖孔桩开挖前岩土应力状态⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．19
2．3．2人工挖孔桩开挖后土体的应力状态⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．20
2．3．3侧压拱算式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2l
2．3．4现行护壁土压力计算方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯22
2．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯24
第三章矩形人工挖孔桩护壁土压力影响因素的有限元分析

3．1建立护壁与土相互作用有限元模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．25
3．1．1材料本构模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．25
3．1．2基本假定与几何尺寸⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。26
3．1．3选取参数和选定单元⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。28
3．1．4建立有限元模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．29
3．1．5边界条件与土体开挖过程的模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯30
3．2有限元模拟结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯30
3．3本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯34
第四章矩形人工挖孔桩护壁土压力影响因素分析
4．1人工挖孔桩开挖深度值对护壁土压力的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．35
4．2粘聚力和内摩擦角对护壁土压力的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．40
4．2．1粘聚力对护壁土压力的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4l
4．2．2内摩擦角对护壁土压力的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．42
4．2．3土压力稳定深度值与内摩擦角、粘聚力的算式推导⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．44
4．3工程实例计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．44
4．3．1护壁厚度设计的思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．45
4．3．2不同计算方法下的护壁厚度设计值⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯46
4．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯48
结论与展望
5．1结j沧⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．49
5．2展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5l
参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．52
致 谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯56
附录攻读学位期间发表的论文目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯57

第一章绪论

第一章绪论

1．1研究背景与选题依据

桩基础是由基桩和承台共同构成，作为传统基础形式被广泛的应用在桥梁工程、工 业与民用建筑、水利水电工程等领域。桩基础在我国有着悠久的历史，远在七千年前的 新石器时代，我们的祖先就在沼泽地或者湖泊中打入木桩修建房屋来躲避猛兽的侵害。 发展到明清时代，桩基技术开始趋于成熟，太原晋祠圣母殿和上海龙华塔都是我国现行 保存较为完好的古桩基建筑。桩基础具有承载能力高、抗震性能好、经济等优点，是目 前国内外工程建设中较为常用的一种基础。因此桩基础正在工程建设领域发挥着无法替 代的作用【11。最早的人工挖孔桩基础起源于美国，在20世纪初美国土木工程技术人员便 采用人工挖土成孔，再辅以木板、圆形钢环或金属材质的套筒式支护方式制作承载桩， 新西南于上个世纪30年代末亦开始采用此种方式12J。

图1．1矩形人‘I：挖孔桩不恿图

．L木：一I：程建设有力推动者我国经济的发展，但是山此引发出一系列环境问题已是不 争的‘jf实。良好的牛态．I不境和经济发展总是桐辅4：11成的，我们既要强调人‘j^{f{然和谐柑{} 处的绿色M：保观念，义婴追求I：程项I_|的经济利益，呖；府在这1矛盾体l_fI找到新的j卜衡 点f31。为顺J够l：程矬设需要，我旧也JI：始翔i)现IP,人艟的人’l：挖孔桩，如图1．1所示。我Ⅲ 人一挖孔桩的jIj现钳其特殊的成l炙环境， ‘方巾i足受到了r滔层氏刚建筑列‘大．A径桩急切

硕士学位论文

需求的催化作用，另一方面是受国际上经验的启发，最终由南自北的推广开来，成为高 层民用建筑桩基、重工业厂房框架结构的深基础中一种常用桩型。与此同时，在我国道 路与铁路工程建设中，桩基础的另一种表现形式抗滑桩作为支挡及加固抗滑结构物也被 广泛应用于工程之中。矩形人工挖孔桩一直被设计人员青睐，其具有施工无振动、无噪 声、扩底承载能力高，无环境污染、持力层方便检查、施工质量易保证等优点。矩形人 工挖孔抗滑桩在地质灾害和路堑、边坡工程整治中常被用于承受较大的水平荷载，在我 国西南等地区的桥梁工程中，又常被用于承受较大的垂直荷载【4J。目前，国内外的理论 及实践经验已经充分证实当施工场地浅部具备较好持力层且结构上部荷载很大时优先 选用大直径人工挖孔桩是较为经济合理的。

1．2国内外研究现状

1．2．1土压力理论研究现状

美国学者Band(1984)15-7】研究发现土体从静止土压力状态到极限主动土压力状态是 一个逐步变化的过程，于是他提出了“中间主动土压力"的概念并建立了土体绕墙底转 动时的主动土压力表达算式。概念还指出土压力计算应同时考虑墙体变位大小和变位模 式。

陈书申【81(1996)针对深基坑工程支护结构工作特点和软土地层的具体条件提出了 考虑变位、强度、开挖深度等因素影响的土压力计算方法，并对经典土压力理论的适用 性和合理性提出了多项质疑。

杨雪强【9】(1997)根据相关联流动法则和摩尔库仑屈服准则，提出了土体的三维破坏 模式。通过系列试验和算例验证了作用在挡士墙上主动土压力和被动土压力的统一表达 式。

魏汝龙【10J(1998)指出由于基坑开挖属于卸载情况，因此强度理论应充分考虑应力 历史影响，开挖前土压力计算和开挖后土压力计算应当选用不同的强度指标，即综合强 度指标。库仑土压力理论在实际工程应用中往往存在着若干概念模糊的问题，特别是应 用于黏性土时。如在计算侧向压力时，应该水土分算还是水土合算：应该考虑渗透力还 是考虑开挖前后的静水压力；考虑土体的粘聚力是否会在土与护壁之间产生拉应力，并 在开挖区附近土面产生裂缝；如何考虑土压力因为卸载的影响等等。魏汝龙[11-131对这一 系列的问题做了大量的试验和深入细致的研究。

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