基于钢管与钢板桩组合支护结构（PUC）的深基坑支护数值模拟及其应用研究

发布时间：2020-06-08 03:36

【摘要】：钢管与钢板桩组合支护结构(PUC)是一种新型的组合支护结构,由钢管与U型钢板桩交叉组合而成,其既具有钢板桩止水的优点又拥有钢管刚度大的特点。这种组合支护结构较为新颖,虽然在国内已经有几例成功应用PUC组合支护结构的工程案例,但是理论研究严重缺少,形成理论严重滞后于实践的现象。本文在传统钢板桩支护结构研究方法的基础上,对PUC组合支护结构的一种组合形式进行了研究分析。首先对PUC组合支护结构的一个单元进行研究,然后根据笔者提出的设计方法对长江中下游地区某软土基坑进行设计,并利用ABAQUS有限元软件对此基坑进行三维模拟,分析支护结构内力与变形、基坑四周及坑底土体的变形。主要研究内容及成果如下:(1)简要总结钢板桩、钢管桩、组合支护结构的国内外研究现状,并指出PUC组合支护结构目前存在的问题:PUC组合支护结构的截面特性及其设计方法;(2)在钢板桩支护结构刚度的研究基础上,对PUC组合支护结构的单元刚度进行研究,得出刚度计算公式,并研究得出再PUC组合支护结构中钢管与钢板桩的荷载分配关系宜采用按刚度分配原则;(3)总结水土压力、支护结构内力计算方法,根据传统钢板桩的设计计算方法,提出了适合PUC组合支护结构的设计计算方法。(4)针对马鞍山某基坑,采用本文提出的PUC组合支护结构的设计方法进行设计,并采用ABAQUS对基坑的开挖进行三维数值模拟,分析PUC组合支护结构的支护效果,模拟结果显示:在基坑开挖过程中,PUC组合支护结构的内力及变形、基坑四周土体沉降及水平位移、基底隆起变形均满足规范要求。
【图文】：

钢板桩,截面形式

用地下空间可以改善城市环境[1]。随着时代的发展，建筑工程会逐渐向着地下展，对于地下空间的研究也将越来越重要。为了满足社会发展的要求，基坑工的开挖面积将会越来越大，开挖深度会越来越深，这将会对基坑支护结构提出来越高的要求。目前，基坑工程中常用的支护结构方式有放坡开挖、土钉墙、钻孔灌注桩人工挖孔桩、地下连续墙、钢板桩等。钢板桩作为绿色建材，目前在基坑支护程中得到越来越广泛的应用。20 世纪初钢板桩在欧洲开始生产，亚洲最先是 19年日本在三井本馆的挡土施工中首次运用，随后 1931 年日本开始生产钢板桩而我国首次使用是 20 世纪 50 年代在铁路围堰施工中，并且所用的 U 型钢板都是从原苏联进口的；2001 年到 2002 年期间，马钢依据其优良的 H 型钢生产线按照欧标生产出了热轧 U 型钢板桩，并成功运用于嫩江大桥围堰和孟加拉防工程等[2]。目前，根据截面形式，，钢板桩共有四种类型：U 型、Z 型、直线型组合型，如图 1-1 所示，其中，U 型钢板桩因其制作加工、安装及价格相较于他钢板桩的优势在国内实际工程中应用最为广泛[3]。

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图 1-2 莱德大学研究 RMA 效应的试验示意图H.Schmieg[9]等为研究 U 型钢板桩在两种极端情况下（即考虑锁口零剪力传递和全部剪力传递）桩墙的抗弯刚度及其影响因素做了一系列实验研究。通过分析实验中锁口间的剪力位移比数据研得出：锁口摩擦力大小是影响抗弯刚度的重要因素，并且锁口在全部剪力传递条件下的钢板桩挡墙的抗弯刚度是锁口在零剪力传递情况下的 3 倍，但并未探究出摩擦与刚度的具体关系，也没有得出其他抗弯刚度影响因素。此实验还得出钢板桩挡墙在实际工作过程中其桩墙的抗弯刚度处于锁口全部剪力传递条件与零剪力传递下的抗弯刚度值范围之间。B.P.Erickson[10]等对某码头20世纪七八十年代修建的三个停泊位加深工程进行了有限元分析。首先，它们为得到钢板桩和土体的应变及钢板桩上的作用力数据，利用 PLAXIS 有限元软件建立了格形钢板桩支护结构的平面应变二维模型，并在模型中考虑了基坑向下加深开挖过程中土体和钢板桩支护结构的相互作用。之后为研究轮机荷载在填料和钢板桩结构上的分布与传递，利用 RISA-3D 有限
【学位授予单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU753

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