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目前,超前桩复合土钉支护在沿海、沿江等松散地层、软土和地下水位较高、地下水丰富的地区得到较广泛的应用。其中不乏成功应用的实例,产生事故或失败的情况也屡见不鲜,究其原因是多方面的、复杂的,显然相关理论研究目前严重落后于工程实践是一重要因素。目前对土钉和复合加固部分的工作性能以及两者与土体的相互作用,复合土钉支护结构各部分的内力和变形的研究仍处于初步阶段。对于复合土钉支护结构中复合加固部分的工作机理的研究,对超前微型桩、预应力锚杆、冠梁、腰梁和面层的作用机理的研究目前还较少;对于复合土钉支护结构的破坏形式和破坏判据的研究尚无成熟的结果。到目前为止,复合土钉支护工程的设计和施工主要还是靠经验和工程类比,还没有一种统一设计计算方法。最常见的方法只强调土钉支护部分的作用,只是简单地应用一般土钉支护的设计计算方法,不考虑复合加固部分的作用,采用经典的极限平衡法进行分析计算;或者对于搅拌桩与土钉复合支护结构,把搅拌桩作为土体的一部分;对于在搅拌桩中插入型钢与土钉相结合的复合支护结构,或微型桩加土钉的复合支护结构,或微型桩加土钉和预应力锚杆的复合支护结构按多支点弹性支护结构进行验算。在有限元模拟或计算时,很少考虑地下水的影响。基坑的降水,导致水位和水压力的改变,这对基坑开挖有较大影响。针对这些问题结合武汉晋合住宅项目深基坑工程实例,本文对以下几方面进行了研究:
第一,对超前桩复合土钉支护形式与适用条件及其施工流程进行阐述;分析了超前桩复合土钉支护的作用机理;重点分析了超前桩的结构受力;第二,对超前桩复合土钉支护模式进行了系统的分析,建立了稳定性分析模型;并给出了相应的计算公式。第三,探讨了超前桩复合土钉支护稳定系数的影响因素;第四,针对考虑水压力与不考虑水压力两种状况对超前桩复合土钉支护进行有限元模拟,重点剖析了基坑、面板的变形规律;超前桩剪力、轴力、弯矩、水平位移以及土钉轴力变化规律。第五,对超前桩复合土钉支护体系进行稳定性计算分析;并与有限元模拟进行对比。通过以上研究得到了如下的研究结果:
1.当超前桩以一定间距排列时,可以视作打入土中的排桩,其受力分析可按排桩受侧向土压力形式进行。
2.超前桩复合土钉支护的稳定性分析包括整体稳定性分析和辅助验算。整体稳定性分析是超前桩复合土钉支护稳定性的主要分析方法。它分为内部稳定性分析和外部稳定性分析两部分。内部稳定性保证支护边坡不发生破坏。外部稳定性就是保证基坑底部土层稳定性,满足地基承载力的要求。超前桩复合土钉支护的辅助验算包括抗滑移验算、土钉长度验算、土钉强度验算,抗倾覆验算、面层强度验算。
3.超前桩复合土钉支护的基坑稳定性随超前桩入土深度增大而增大。基坑稳定性随被动区加固深度增大而增大;被动区加固效果越好,基坑基坑稳定性越好。
4.基坑水平位移随基坑开挖深度的增加而增大,最大水平位移发生在基坑顶部,随着距基坑坡顶水平距离的增大,土体的水平位移逐渐减小。考虑水压力超前桩复合土钉支护的基坑的水平位移,竖向位移,面板的水平位移,均比不考虑水压力超前桩复合土钉支护大;而且都随开挖深度的增加而增大。超前桩对减少基坑总的隆起有积极的作用,但是会造成靠近桩体附近土体的塑性变形。桩的水平位移从桩顶到桩底依次减少。土钉轴力随着开挖深度的增加而增大。轴力中间大,两端小。