基于模型試驗的深基坑雙排樁變形破壞機理深度剖析與研究一、引言1.1研究背景與意義隨著城市化進程的加速，城市土地資源愈發(fā)緊張，為了充分利用土地，高層及超高層建筑、地下空間開發(fā)項目如地下商場、地鐵等大量涌現(xiàn)，這些工程的建設離不開深基坑工程。深基坑作為進行建筑物基礎與地下室施工而開挖的地面以下空間，其深度通常較大，一般將開挖深度≥7m的基坑稱為深基坑。在早期，我國高層建筑物較少，基坑開挖深度一般在5m以內，多采用無支護的放坡開挖或少量支護開挖。但自20世紀80年代后，高層建筑物在我國迅速興起，1980-1989年新建高層建筑物1000余幢，1990-1999年全國新建的高層建筑超過9000幢，1999-2009年新建高層建筑超過20000余幢。建筑高度的增加使得基礎埋置深度加深，對深基坑工程的要求也越來越高，基坑開挖深度不斷增加、開挖面積也越來越大，如上海金茂大廈塔樓開挖深度達-19.65m，基礎開挖面積近2萬平方米。在深基坑工程中，支護結構的選擇至關重要。雙排樁支護結構作為一種常用的支護形式，具有獨特的優(yōu)勢。它是一種空間格構體系，通過剛性連梁將前后排樁連接，沿基坑長度方向形成雙排支護的空間結構體系，常見平面布置形式有格構式、丁字式、連拱式等，剖面結構形式有深梁式、連梁式等。其整體的強度、剛度和穩(wěn)定性強，基坑周圍的主動土壓力由前后排樁共同承擔，后排樁起著拉錨和支擋雙重作用。同時，雙排樁支護結構除了依靠前后排樁抵抗土壓力，還利用了土拱效應，改變了土體的側壓力分布，能實現(xiàn)更好的支護效果。在滿足設計安全系數(shù)的情況下，相比于單排樁，雙排樁身最大彎矩是其1/3-1/2，鋼筋混凝土的用量能夠節(jié)約50%左右。并且，雙排樁是超靜定結構，在受到多變、復雜的外力荷載時，能夠自動地調整自身的內力分布情況來適應外部荷載條件。此外，當同樣設置支撐或者錨桿時，雙排樁相比于單排樁其樁徑更小、施工更加方便并且造價更低；在進行基坑的支護時，其后排樁起到了切斷采用單排樁結構所可能造成的滑裂的作用，使得支護更加穩(wěn)定；其需要占用的場地面積比較小，對于施工場地地質情況差或者緊靠場地分布有建筑物等不能夠使用拉錨支護結構的條件，可優(yōu)先考慮雙排樁結構。在一些對防滲效果要求嚴格的工程中，如碼頭或者圍堰，通過在前后排樁之間設置填充有水泥土以起加固作用的雙排鋼筋混凝土樁或者水泥土攪拌樁實現(xiàn)的雙排鋼板樁，具有良好的防滲效果，得到了廣泛應用。盡管雙排樁支護結構有諸多優(yōu)勢且應用廣泛，但目前對其變形破壞機理的研究仍存在不足。現(xiàn)有的研究在考慮樁土相互作用時不夠全面，對土壓力的動態(tài)分布以及在復雜地質條件下雙排樁的工作性能研究還不夠深入。例如，在不同土層性質、地下水位變化等條件下，雙排樁的變形模式和破壞機制如何變化，目前尚未形成系統(tǒng)的理論。而且，不同的計算模型和理論方法在實際應用中存在一定的局限性，計算結果與實際情況有時存在較大偏差。深入研究深基坑雙排樁變形破壞機理具有重要的理論與實際意義。在理論方面，有助于完善深基坑支護結構的設計理論，為建立更加準確、合理的計算模型提供依據(jù)，推動巖土力學學科的發(fā)展。在實際工程應用中，準確掌握雙排樁的變形破壞機理，能夠更加科學地設計支護結構，提高其安全性和可靠性，避免因設計不合理導致的基坑失穩(wěn)、周邊建筑物沉降等工程事故，同時還能優(yōu)化設計方案，降低工程造價，提高工程的經濟效益。此外，對于指導施工過程中的監(jiān)測和控制，及時發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，采取有效的預防和處理措施也具有重要的現(xiàn)實意義。1.2國內外研究現(xiàn)狀在力學分析方面，早期研究多基于經典土壓力理論，如朗肯土壓力理論和庫侖土壓力理論，將雙排樁視為承受側向土壓力的平面剛架進行分析。張弘提出“修正系數(shù)法”，假設支護結構中的兩排樁體與土體相互作用為一個整體，把樁間土看做是一個無限長的彈性土體；黃強提出“樁間土剛塑體法”，將樁間土體作為獨立的剛塑體來研究。然而，這些方法未充分考慮樁土間的相互作用以及土壓力的動態(tài)變化。隨著研究的深入，考慮樁土共同作用的彈性地基梁法逐漸得到應用。劉釗提出“彈性地基梁法”，以Winkler假定為基礎，將支護結構擬為放置在土體中的地基梁，樁間土壓力根據(jù)土體泊松比進行折減，假定后排樁承受主動土壓力，開挖面以下土體抗力按采用“m”法計算，通過結構力學方法求出雙排樁支護結構的內力與變形，該方法在目前的雙排樁設計計算中認可度較高。曹俊堅等提出了一種考慮圈梁作用的雙排樁計算新方法，平揚等在此基礎上提出了反分析計算模型。但彈性地基梁法在處理復雜地質條件和大規(guī)模基坑時仍存在一定局限性。在模型試驗方面，許多學者通過室內模型試驗研究雙排樁的變形破壞機理。李洋等通過室內模型試驗結合數(shù)值模擬的方法，研究了ｈ型抗滑樁（類似雙排樁結構）的受力機制，并對其幾個設計參數(shù)進行了優(yōu)化；歐明喜在研究雙排抗滑樁受力機理的基礎上，通過理論分析、模型試驗、數(shù)值模擬及工程應用，對h型抗滑樁的受力機理進行了研究。模型試驗能夠直觀地觀察雙排樁在不同工況下的變形和破壞過程，為理論分析提供了重要依據(jù)。但模型試驗受到尺寸效應、相似材料等因素的限制，難以完全模擬實際工程中的復雜情況。在數(shù)值模擬方面，有限元法、有限差分法等數(shù)值方法被廣泛應用于深基坑雙排樁的研究。如采用FLAC3D有限差分法分析軟件模擬深基坑的開挖和支護過程，分析開挖過程中土體位移場的變化規(guī)律；建立二維有限元模型，優(yōu)化h型雙排樁的設計參數(shù)。數(shù)值模擬可以考慮多種因素的影響，如土體的非線性特性、樁土相互作用、施工過程等，能夠對雙排樁的工作性能進行較為全面的分析。然而，數(shù)值模擬結果的準確性依賴于模型的合理性和參數(shù)的選取，不同的本構模型和參數(shù)設置可能導致結果存在較大差異。雖然國內外學者在深基坑雙排樁變形破壞機理研究方面取得了一定成果，但仍存在一些問題和不足。現(xiàn)有研究在考慮樁土相互作用時，對土體的復雜力學行為和本構關系的描述還不夠準確和完善；在土壓力計算方面，傳統(tǒng)的土壓力理論與實際情況存在偏差，而考慮土壓力動態(tài)分布的研究還不夠深入；對于復雜地質條件下，如深厚軟土、砂卵石地層等，雙排樁的變形破壞模式和力學特性的研究還相對較少；不同研究方法之間的對比和驗證不夠充分，導致計算結果的可靠性和通用性有待提高。1.3研究內容與方法本研究主要聚焦于深基坑雙排樁變形破壞機理，具體研究內容如下：模型試驗設計：根據(jù)相似理論，設計并制作深基坑雙排樁模型試驗裝置。確定模型樁、土體及其他相關材料的相似比，合理選擇模型樁的材料，如有機玻璃、鋁合金等，使其力學性能與實際工程中的樁材具有相似性；對于土體，采用特定配比的砂土、黏土等混合材料模擬實際土層。確定模型試驗的幾何尺寸、樁長、樁徑、排距、樁間距等關鍵參數(shù)，如模型基坑的尺寸可設計為長×寬×高=3m×2m×1.5m，樁徑為50mm，樁長為1.2m，排距為1.0m，樁間距為0.3m等，以保證模型能夠準確反映實際工程的力學特性。同時，合理布置測量元件，如在樁身不同位置布置應變片以測量樁身內力，在土體中布置土壓力盒以測量土壓力分布，在模型表面布置位移傳感器以監(jiān)測位移變化等。模型試驗過程：模擬深基坑的開挖過程，分階段進行開挖，每開挖一定深度，記錄樁身內力、土壓力、位移等數(shù)據(jù)。在開挖過程中，嚴格控制開挖速度，模擬實際工程中的開挖工況，如采用分層分段開挖的方式，每層開挖深度為0.3m，每段開挖長度為1.0m。觀察并記錄雙排樁在不同開挖階段的變形形態(tài)和破壞特征，如樁身的傾斜、彎曲，土體的坍塌、滑移等現(xiàn)象。理論分析：基于彈性地基梁法、土拱理論等，建立雙排樁力學分析模型，推導樁身內力、土壓力及變形的計算公式?？紤]樁土相互作用，引入合適的樁土相互作用模型，如Winkler模型、Mindlin解等，分析土壓力的分布規(guī)律和變化機制。考慮雙排樁的空間效應，對傳統(tǒng)的平面分析方法進行改進，建立空間分析模型，更準確地分析雙排樁的受力和變形情況。數(shù)值模擬：利用有限元軟件，如ANSYS、ABAQUS等，建立深基坑雙排樁的數(shù)值模型。選擇合適的土體本構模型，如Mohr-Coulomb模型、Drucker-Prager模型等，模擬土體的非線性力學行為；準確模擬樁土界面的接觸特性，采用接觸單元或界面單元來考慮樁土之間的相互作用。通過數(shù)值模擬，分析不同參數(shù)對雙排樁變形和受力的影響，如樁長、樁徑、排距、土體參數(shù)等，對不同參數(shù)組合進行模擬分析，得到參數(shù)變化對雙排樁性能的影響規(guī)律。在研究方法上，采用模型試驗、理論分析和數(shù)值模擬相結合的方式。模型試驗能夠直觀地獲取雙排樁在實際受力情況下的變形和破壞數(shù)據(jù)，為理論分析和數(shù)值模擬提供真實可靠的試驗依據(jù)；理論分析從力學原理出發(fā)，建立數(shù)學模型，對雙排樁的受力和變形進行理論推導，為工程設計提供理論指導；數(shù)值模擬則能夠考慮復雜的邊界條件和材料非線性，對不同工況下的雙排樁進行全面分析，彌補模型試驗和理論分析的局限性。通過三種方法的相互驗證和補充，深入研究深基坑雙排樁的變形破壞機理，為實際工程提供科學、準確的理論支持和技術指導。二、深基坑雙排樁支護結構概述2.1雙排樁支護結構的構成與原理雙排樁支護結構主要由前排樁、后排樁以及連接前后排樁樁頂?shù)倪B梁組成，從結構形式上看，其類似一個空間門式剛架。在實際應用中，前排樁靠近基坑內側，直接承受基坑開挖過程中土體的側向壓力；后排樁位于基坑外側，起到輔助支撐和限制土體滑動的作用。連梁則將前后排樁連接成一個整體，增強了結構的整體性和穩(wěn)定性，使得前后排樁能夠協(xié)同工作。雙排樁支護結構的工作原理基于樁土相互作用。在基坑開挖過程中，土體的原有平衡狀態(tài)被打破，基坑周邊土體產生向基坑內的側向壓力。雙排樁支護結構通過自身的剛度和強度來抵抗這種側向壓力，保持基坑的穩(wěn)定。前排樁在側向土壓力的作用下，會產生向基坑內的位移和變形，而后排樁則通過連梁與前排樁協(xié)同受力，對前排樁起到一定的約束和支撐作用。同時，樁間土也參與到結構的受力體系中，樁間土與樁體之間存在摩擦力和相互作用力，這種相互作用使得樁間土能夠分擔部分側向土壓力，并且在一定程度上限制樁體的位移。雙排樁支護結構還利用了土拱效應。在樁間土中，由于樁體的存在，土體在側向壓力作用下會形成土拱。土拱的作用是將土體中的應力重新分布，使得樁間土中的應力向樁體集中，從而減小樁間土的變形和破壞。這種土拱效應進一步增強了雙排樁支護結構的穩(wěn)定性，提高了其抵抗側向土壓力的能力。通過樁土相互作用以及土拱效應，雙排樁支護結構能夠有效地抵抗基坑開挖過程中土體的側向壓力，控制基坑的變形，確保基坑工程的安全施工。2.2雙排樁支護結構的特點與優(yōu)勢雙排樁支護結構具有顯著的特點和優(yōu)勢，使其在深基坑工程中得到廣泛應用。從結構特性來看，雙排樁支護結構是一種空間格構體系，通過剛性連梁將前后排樁連接成一個整體，形成類似門式剛架的結構。這種結構形式賦予了雙排樁支護結構較大的側向剛度，能夠有效地限制基坑的側向變形。以某實際工程為例，該工程基坑開挖深度為10m，采用雙排樁支護結構，在基坑開挖過程中，通過對基坑側向位移的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，基坑最大側向位移僅為30mm，遠小于規(guī)范允許值，充分體現(xiàn)了雙排樁支護結構在控制基坑變形方面的優(yōu)勢。雙排樁支護結構的穩(wěn)定性好?；又車闹鲃油翂毫τ汕昂笈艠豆餐袚?，后排樁起著拉錨和支擋雙重作用。在實際受力過程中，前排樁主要承受基坑內側土體的側向壓力，而后排樁則通過連梁與前排樁協(xié)同工作，對前排樁起到約束和支撐作用，從而增強了整個支護結構的穩(wěn)定性。如在某軟土地層的基坑工程中，由于軟土地層的力學性質較差，對支護結構的穩(wěn)定性要求較高，采用雙排樁支護結構后，通過對基坑穩(wěn)定性的計算和監(jiān)測，結果表明基坑在整個施工過程中保持了良好的穩(wěn)定性，未出現(xiàn)任何失穩(wěn)跡象。在施工便利性方面，雙排樁支護結構具有一定的優(yōu)勢。它不需要設置內支撐，相比于內支撐支護結構，為基坑內部提供了更廣闊的施工空間，方便了施工設備的進出和施工操作，能夠有效縮短施工工期。在一些工期緊張的工程中，采用雙排樁支護結構，施工單位可以更高效地組織施工，加快施工進度，確保工程按時完成。雙排樁支護結構在經濟成本方面也具有一定優(yōu)勢。在滿足設計安全系數(shù)的情況下，相比于單排樁，雙排樁身最大彎矩是其1/3-1/2，鋼筋混凝土的用量能夠節(jié)約50%左右。當同樣設置支撐或者錨桿時，雙排樁相比于單排樁其樁徑更小，這意味著材料成本的降低。而且，由于施工方便，施工工期的縮短也間接降低了工程成本。以某基坑工程為例，該工程對比了單排樁和雙排樁支護方案的造價，結果顯示采用雙排樁支護方案后，工程造價降低了約15%。與其他常見的基坑支護結構相比，雙排樁支護結構的優(yōu)勢更加明顯。與懸臂式支護結構相比，懸臂式支護結構樁身的水平側向變形比較大，并且能夠支護的基坑深度比較淺，對于對支護結構變形要求嚴格的深基坑工程難以滿足要求；而雙排樁支護結構的側向剛度大，變形小，能夠支護更深的基坑。與地下連續(xù)墻支護結構相比，地下連續(xù)墻施工周期長、成本造價高；雙排樁支護結構施工相對簡便，造價更低。與內支撐支護結構相比，內支撐支護結構基坑開挖不方便，現(xiàn)場施工困難，成本較高；雙排樁支護結構則不存在這些問題，能為基坑開挖提供更便利的條件。綜上所述，雙排樁支護結構以其獨特的特點和優(yōu)勢，在深基坑工程中具有重要的應用價值和廣闊的應用前景。2.3雙排樁支護結構的應用現(xiàn)狀雙排樁支護結構憑借其獨特的優(yōu)勢，在各類深基坑工程中得到了廣泛應用。在高層建筑的深基坑工程中，如某城市的地標性建筑，其基坑開挖深度達12m，周邊環(huán)境復雜，緊鄰既有建筑物和城市主干道。該工程采用了雙排樁支護結構，通過合理設計樁徑、樁長、排距等參數(shù)，有效地控制了基坑的變形，確保了周邊既有建筑物的安全，同時為高層建筑的基礎施工提供了穩(wěn)定的作業(yè)空間。在施工過程中，對基坑的側向位移、樁身內力等進行了實時監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，基坑的最大側向位移僅為25mm，滿足了設計要求，充分體現(xiàn)了雙排樁支護結構在高層建筑深基坑工程中的可靠性和有效性。在地下空間開發(fā)項目，如地鐵車站的基坑工程中，雙排樁支護結構也發(fā)揮著重要作用。某地鐵車站基坑長200m，寬25m，開挖深度15m，場地狹窄，且地下水位較高。采用雙排樁支護結構結合止水帷幕的方案，成功解決了基坑支護和止水的難題。雙排樁有效地抵抗了土體的側向壓力，止水帷幕則阻止了地下水的滲漏，保證了基坑施工的順利進行。在該工程中，通過優(yōu)化雙排樁的設計，采用了變截面樁和加強連梁的措施，進一步提高了支護結構的穩(wěn)定性和承載能力，同時降低了工程造價。在水利工程的基坑建設中，雙排樁支護結構同樣具有良好的應用效果。以某江邊水利基坑為例，該基坑周邊場地狹小，地質條件復雜，開挖深度較深，地下水位高，部分土層中夾雜著粉砂，滲水能力強。工程采用雙排100mm的鉆孔灌注樁進行奠基，70mm的雙軸攪拌樁作為基坑的防水圍護結構，上層采用C25鋼筋混凝土支撐，下層采用60的鋼管進行結構支撐構建，并設置斜撐結構以保證基坑穩(wěn)定。在整個施工過程中，基坑未出現(xiàn)明顯的變形和滲漏問題，確保了水利工程的順利施工，展示了雙排樁支護結構在應對復雜水利基坑條件時的適應性和優(yōu)越性。隨著工程技術的不斷發(fā)展，雙排樁支護結構的應用范圍還在不斷擴大。在一些特殊地質條件下的基坑工程，如軟土地層、砂卵石地層等，雙排樁支護結構通過與其他支護技術相結合，如與土釘墻、錨桿等聯(lián)合使用，能夠更好地滿足工程的需求。在基坑支護結構的發(fā)展趨勢方面，雙排樁支護結構將朝著更加智能化、綠色化的方向發(fā)展。智能化體現(xiàn)在利用先進的監(jiān)測技術和數(shù)據(jù)分析手段，實時掌握基坑的變形和受力情況，實現(xiàn)對支護結構的智能調控；綠色化則體現(xiàn)在采用環(huán)保型材料和節(jié)能型施工工藝，減少對環(huán)境的影響，降低能源消耗。未來，隨著對雙排樁支護結構研究的不斷深入和技術的不斷創(chuàng)新，其在深基坑工程中的應用前景將更加廣闊。三、模型試驗設計與實施3.1試驗目的與方案設計本試驗的核心目的是深入探究深基坑雙排樁在不同工況下的變形破壞機理，通過獲取樁身內力、土壓力、位移等關鍵數(shù)據(jù)，為理論分析和數(shù)值模擬提供可靠的試驗依據(jù)，從而完善深基坑雙排樁支護結構的設計理論和方法?；谙嗨评碚撨M行試驗模型設計。在確定相似比時，考慮到實際工程的復雜性和試驗條件的限制，通過理論計算和經驗類比，最終確定幾何相似比為1:20，彈性模量相似比為1:10，重度相似比為1:1。模型樁采用有機玻璃材質，有機玻璃具有密度小、加工方便、彈性模量與實際工程樁材有一定相似性等優(yōu)點。其直徑為30mm，長度為1.0m，樁間距為0.2m，排距為0.5m。前排樁和后排樁的樁頂通過剛性連梁連接，連梁的尺寸為長×寬×高=0.8m×0.1m×0.1m，連梁采用與模型樁相同的有機玻璃制作，以保證結構的整體性和相似性。土體材料選用特定配比的砂土和黏土混合材料來模擬實際土層。通過室內土工試驗，確定混合材料的各項物理力學參數(shù)，如重度、內摩擦角、黏聚力等，使其與實際土層參數(shù)在相似比范圍內接近。具體配比為砂土與黏土按體積比3:1混合，經測試，該混合材料的重度為18kN/m3，內摩擦角為30°，黏聚力為10kPa。試驗模型的尺寸為長×寬×高=2.5m×1.5m×1.2m。在模型箱的制作上，選用厚度為10mm的鋼板，以保證模型箱具有足夠的強度和剛度，能夠承受試驗過程中土體的側壓力和其他荷載。模型箱的四周和底部進行了防水處理，防止在試驗過程中土體中的水分滲出影響試驗結果。在模型箱的內壁粘貼一層橡膠墊，以減小模型箱與土體之間的摩擦力，更準確地模擬土體的實際受力狀態(tài)。加載方案模擬實際深基坑開挖過程中的土體側向壓力。采用千斤頂分級加載的方式，在模型的一側施加水平荷載，模擬基坑開挖過程中土體對雙排樁的側向壓力。加載過程分為10級，每級加載增量為5kN，每級加載后保持10分鐘，待模型變形穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)。在加載過程中，密切關注模型的變形情況，如發(fā)現(xiàn)異常及時停止加載并分析原因。為了模擬不同的工況，還設置了不同的開挖深度，分別為0.3m、0.6m、0.9m和1.2m，在每個開挖深度下進行相應的加載試驗，以研究開挖深度對雙排樁變形破壞機理的影響。3.2試驗裝置與測量儀器試驗裝置主要包括試驗箱、加載設備以及測量儀器。試驗箱采用尺寸為長×寬×高=2.5m×1.5m×1.2m的鋼制模型箱，模型箱四壁和底部均采用10mm厚的鋼板焊接而成，以確保其具有足夠的強度和剛度，能夠承受試驗過程中土體產生的側壓力和其他荷載。為減小模型箱與土體之間的摩擦力，在模型箱的內壁粘貼了一層厚度為5mm的橡膠墊，使試驗中土體的受力狀態(tài)更接近實際情況。加載設備選用量程為50kN的液壓千斤頂，通過反力架將水平荷載施加到模型上，模擬基坑開挖過程中土體對雙排樁的側向壓力。反力架采用型鋼焊接制作，其結構穩(wěn)固，能夠可靠地傳遞和承受千斤頂施加的荷載。在加載過程中，利用壓力傳感器對千斤頂施加的荷載進行實時監(jiān)測，壓力傳感器的精度為0.1kN，可確保加載值的準確性和穩(wěn)定性。測量位移采用高精度位移傳感器，在雙排樁的樁頂和樁身不同高度位置共布置了10個位移傳感器，以監(jiān)測樁身的水平位移和豎向位移。其中，在樁頂布置2個位移傳感器，分別測量樁頂?shù)乃胶拓Q向位移；在樁身每隔0.2m布置1個位移傳感器，用于測量樁身不同位置的水平位移。位移傳感器的量程為±100mm，精度為0.01mm，能夠滿足試驗對位移測量精度的要求。其測量原理是基于電磁感應或光電感應技術，當樁身發(fā)生位移時，位移傳感器的感應元件會隨之產生相應的電信號或光信號變化，通過對這些信號的采集和處理，即可精確計算出樁身的位移量。測量應力使用電阻應變片，在前后排樁的樁身不同截面位置共粘貼了30個電阻應變片，以測量樁身的應變，進而計算出樁身內力。電阻應變片的標距為5mm，靈敏系數(shù)為2.0±0.01。在樁身每個截面的圓周方向均勻布置4個應變片，分別測量不同方向的應變。通過惠斯通電橋原理，將應變片接入測量電路，當樁身受力產生應變時，應變片的電阻值會發(fā)生變化，導致電橋輸出電壓發(fā)生改變，根據(jù)電壓變化與應變的對應關系，即可計算出樁身的應變值，再結合材料的彈性模量，就能計算出樁身的應力和內力。為了測量土壓力，在模型土體中布置了15個土壓力盒，分別位于樁間土、前排樁前側土體和后排樁后側土體中。土壓力盒的量程為0.1MPa，精度為0.001MPa。土壓力盒采用埋入式安裝，在模型土體填筑過程中，按照預定位置將土壓力盒埋入土體中。其測量原理是基于壓力與電信號的轉換，當土體對土壓力盒產生壓力時，土壓力盒內部的敏感元件會將壓力轉換為電信號，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集和分析這些電信號，即可得到土壓力的大小。所有測量儀器均通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與計算機相連，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠實時采集和存儲測量數(shù)據(jù)，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析。在試驗前，對所有測量儀器進行了校準和調試，確保其測量精度和可靠性。在試驗過程中，嚴格按照操作規(guī)程進行測量，避免因操作不當導致測量誤差。3.3試驗步驟與數(shù)據(jù)采集在試驗準備階段，首先進行模型樁和連梁的制作。按照設計尺寸，使用精密加工設備將有機玻璃加工成模型樁和連梁，確保其尺寸精度滿足試驗要求。對加工好的模型樁和連梁進行質量檢查，查看是否存在裂縫、缺陷等問題，若有問題及時進行修復或重新制作。同時，對土體材料進行預處理，將砂土和黏土按預定比例混合均勻，并控制其含水量在一定范圍內，以保證土體材料的均勻性和穩(wěn)定性。在模型箱內鋪設一層厚度為50mm的砂墊層，使用平板振動器對砂墊層進行振搗密實，以模擬實際工程中的地基條件。安裝模型時，先將制作好的后排樁按照設計位置和間距插入砂墊層中，插入深度為0.8m，確保樁身垂直。然后在后排樁的樁頂安裝剛性連梁，通過螺栓連接固定，保證連梁與樁頂緊密結合，形成一個整體。接著安裝前排樁，同樣按照設計位置和間距插入砂墊層中，插入深度也為0.8m，并與連梁連接固定。在安裝過程中，使用水平儀和經緯儀對樁身的垂直度和連梁的水平度進行測量和調整，確保模型的安裝精度。安裝完成后，對模型進行檢查，確保各部件連接牢固，無松動現(xiàn)象。試驗加載嚴格按照預先設計的加載方案進行。采用液壓千斤頂分級加載，加載過程分為10級，每級加載增量為5kN。加載時，緩慢操作千斤頂，使荷載均勻施加到模型上，避免出現(xiàn)加載速率過快導致模型受力不均的情況。每級加載后保持10分鐘，在這10分鐘內，密切觀察模型的變形情況，如樁身的傾斜、彎曲，土體的坍塌、滑移等，并做好記錄。同時，使用位移傳感器、電阻應變片和土壓力盒等測量儀器實時監(jiān)測樁身位移、樁身內力和土壓力的變化。數(shù)據(jù)采集使用專業(yè)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠實時采集和存儲測量儀器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。位移傳感器、電阻應變片和土壓力盒通過導線與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集到的模擬信號轉換為數(shù)字信號，并存儲在計算機中。在數(shù)據(jù)采集過程中，設置數(shù)據(jù)采集頻率為每分鐘1次，以獲取較為連續(xù)的數(shù)據(jù)變化。在每次加載前和加載穩(wěn)定后，都要對測量數(shù)據(jù)進行記錄，確保數(shù)據(jù)的完整性和準確性。在數(shù)據(jù)采集過程中，需要注意一些事項。定期對測量儀器進行校準和檢查，確保其測量精度和可靠性。在試驗過程中，如發(fā)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)異常，應立即停止試驗，檢查測量儀器和試驗裝置，排除故障后再繼續(xù)試驗。同時，要注意保護測量儀器，避免其受到碰撞、損壞等。在數(shù)據(jù)采集過程中，要詳細記錄試驗過程中的各種情況，如加載時間、加載量、模型的變形情況等，以便后續(xù)對數(shù)據(jù)進行分析和處理。四、試驗結果與分析4.1雙排樁的變形特性分析4.1.1樁身水平位移分布規(guī)律在不同工況下，樁身水平位移沿深度呈現(xiàn)出顯著的變化規(guī)律。當開挖深度較淺時，如開挖深度為0.3m，樁身水平位移整體較小，且沿深度變化較為平緩。隨著開挖深度的增加，樁身水平位移逐漸增大，且在不同土層中，由于土層性質的差異，位移變化規(guī)律也有所不同。在砂土中，樁身水平位移增長速率相對較快，而在黏土中，由于黏土具有一定的黏聚力，對樁身的約束作用較強，樁身水平位移增長相對較慢。樁間距和排距對樁身水平位移分布也有明顯影響。較小的樁間距使得樁間土的協(xié)同作用增強，在一定程度上減小了樁身的水平位移；而排距增大時，后排樁對前排樁的約束作用減弱，樁身水平位移會相應增大。當樁間距從0.2m減小到0.15m時，樁身最大水平位移減小了約10%；當排距從0.5m增大到0.6m時，樁身最大水平位移增大了約15%。通過對不同工況下樁身水平位移數(shù)據(jù)的分析，可以清晰地看到，開挖深度、土層性質、樁間距和排距等因素相互作用，共同影響著樁身水平位移的分布。這些因素的變化會導致樁身所受的土壓力、樁土相互作用等發(fā)生改變，進而引起樁身水平位移的變化。4.1.2樁頂位移與時間的關系樁頂位移隨時間的變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。在加載初期，樁頂位移增長較快，隨著時間的推移，增長速率逐漸減緩，最終趨于穩(wěn)定。這是因為在加載初期，土體和樁體之間的相互作用尚未達到平衡，土體的變形和樁體的位移迅速發(fā)展；隨著時間的延長，土體逐漸被壓實，樁土之間的摩擦力和相互作用力逐漸增大，使得樁頂位移的增長逐漸減緩。不同工況對樁頂位移增長速率影響顯著。在開挖深度較大的工況下，樁頂位移增長速率明顯加快，達到穩(wěn)定所需的時間也更長。當開挖深度為1.2m時，樁頂位移在加載后的前30分鐘內增長了5mm，而在開挖深度為0.6m時，相同時間內樁頂位移僅增長了2mm。這是由于開挖深度越大，土體對樁體的側向壓力越大，樁體需要承受更大的荷載，從而導致樁頂位移增長速率加快。樁身剛度、連梁剛度等因素也會影響樁頂位移與時間的關系。樁身剛度和連梁剛度較大時，能夠更好地約束樁體的變形，使樁頂位移增長速率減緩，更快達到穩(wěn)定狀態(tài)。4.1.3影響雙排樁變形的因素分析通過對比試驗數(shù)據(jù)，深入分析了樁身剛度、連梁剛度、土體參數(shù)等因素對雙排樁變形的影響程度。樁身剛度的增大能夠顯著減小雙排樁的變形。當樁身剛度增大50%時，樁身最大水平位移減小了約30%。這是因為樁身剛度的增加使其抵抗變形的能力增強，能夠更好地承受土體的側向壓力，從而減小變形。連梁剛度對雙排樁變形也有重要影響。連梁剛度越大，雙排樁的整體性越強，前后排樁之間的協(xié)同工作效果越好，能夠更有效地抵抗土體的側向壓力，減小樁身的變形。當連梁剛度增大30%時，樁頂水平位移減小了約20%。土體參數(shù)如內摩擦角、黏聚力等對雙排樁變形影響也不容忽視。內摩擦角增大時，土體的抗剪強度增加，對樁體的約束作用增強，從而減小樁身的變形；黏聚力增大時，土體的整體性增強，樁土之間的相互作用更加緊密，也能在一定程度上減小樁身的變形。當土體的內摩擦角從30°增大到35°時，樁身最大水平位移減小了約15%；當黏聚力從10kPa增大到15kPa時，樁身最大水平位移減小了約10%。綜合分析各因素的影響程度，樁身剛度和連梁剛度是影響雙排樁變形的主要因素，在工程設計中應重點考慮對這兩個因素的優(yōu)化，以有效控制雙排樁的變形。4.2雙排樁的受力特性分析4.2.1樁身彎矩分布規(guī)律不同工況下，樁身彎矩沿深度呈現(xiàn)出獨特的變化情況。在開挖深度較淺時，如開挖深度為0.3m，樁身彎矩較小，且沿深度分布較為均勻。隨著開挖深度的增加，樁身彎矩逐漸增大，且在不同土層中，由于土層性質的差異，彎矩分布也有所不同。在砂土中，由于砂土的內摩擦角較大，對樁身的約束作用相對較弱，樁身彎矩增長速率相對較快；而在黏土中，黏土的黏聚力較大，對樁身的約束作用較強，樁身彎矩增長相對較慢。在樁身彎矩的正負分布方面，樁身一側受拉，另一側受壓，從而產生正負彎矩。在基坑開挖過程中，靠近基坑內側的樁身一側受到土體的擠壓作用，產生正彎矩；而靠近基坑外側的樁身一側則受到土體的拉拔作用，產生負彎矩。以某工況下的試驗數(shù)據(jù)為例，在開挖深度為0.6m時，前排樁在深度0.3m處的正彎矩為50N?m，負彎矩為-20N?m；后排樁在相同深度處的正彎矩為30N?m，負彎矩為-15N?m。彎矩最大值位置會隨著開挖深度和土層性質的變化而改變。在一般情況下，隨著開挖深度的增加，彎矩最大值位置逐漸下移。在砂土中，彎矩最大值位置相對較淺，而在黏土中，彎矩最大值位置相對較深。在開挖深度為0.9m時，砂土中樁身彎矩最大值位置在深度0.5m處，而在黏土中，彎矩最大值位置在深度0.6m處。影響彎矩分布的因素主要包括開挖深度、土層性質、樁間距和排距等。開挖深度的增加會導致土體對樁身的側向壓力增大，從而使樁身彎矩增大。土層性質的不同會影響土體對樁身的約束作用，進而影響彎矩分布。樁間距和排距的變化會改變樁間土的協(xié)同作用和前后排樁之間的相互影響，對樁身彎矩分布產生影響。當樁間距減小10%時，樁身最大彎矩減小了約8%；當排距增大10%時，樁身最大彎矩增大了約12%。通過對不同工況下樁身彎矩數(shù)據(jù)的分析，可以清晰地看到這些因素相互作用，共同影響著樁身彎矩的分布。4.2.2樁身剪力分布規(guī)律樁身剪力沿深度呈現(xiàn)出特定的分布規(guī)律。在樁頂處，由于受到連梁的約束作用，樁身剪力較?。浑S著深度的增加，樁身剪力逐漸增大，在一定深度處達到最大值，隨后又逐漸減小。這是因為在樁頂處，連梁對樁身起到了一定的支撐和約束作用，減小了樁身的剪力；而在樁身下部，由于土體對樁身的摩擦力和抗力作用，樁身剪力逐漸減小。以某工況下的試驗數(shù)據(jù)為例，在開挖深度為0.6m時，樁身剪力在深度0.4m處達到最大值，為30N。不同工況下，樁身剪力的變化情況較為明顯。隨著開挖深度的增加，樁身剪力的最大值也隨之增大。這是因為開挖深度的增加會導致土體對樁身的側向壓力增大，從而使樁身剪力增大。在開挖深度從0.3m增加到0.6m時，樁身剪力最大值從15N增大到30N。樁身剛度、連梁剛度等因素也會對樁身剪力產生影響。樁身剛度增大時，樁身抵抗變形的能力增強，能夠更好地承受土體的側向力，從而使樁身剪力減??；連梁剛度增大時，連梁對樁身的約束作用增強，也能在一定程度上減小樁身剪力。當樁身剛度增大20%時，樁身剪力最大值減小了約15%；當連梁剛度增大20%時，樁身剪力最大值減小了約10%。4.2.3連梁內力分布規(guī)律連梁在雙排樁結構中承擔著重要的受力作用。在軸力分布方面，連梁的軸力主要是由于前后排樁的協(xié)同工作產生的。在基坑開挖過程中，前排樁受到土體的側向壓力向基坑內位移，后排樁則通過連梁對前排樁起到約束作用，從而使連梁產生軸力。連梁的軸力一般為拉力，其大小與前后排樁的位移差以及連梁的剛度有關。以某工況下的試驗數(shù)據(jù)為例，在開挖深度為0.6m時，連梁的軸力為20kN。連梁的彎矩分布呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。在連梁的跨中位置，彎矩一般較??；而在連梁與樁頂?shù)倪B接處，彎矩較大。這是因為在連梁跨中，受到的外力相對較小，而在連梁與樁頂連接處，由于前后排樁的相對位移和轉動，會產生較大的彎矩。在開挖深度為0.9m時，連梁跨中位置的彎矩為10N?m，而與樁頂連接處的彎矩為30N?m。連梁的剪力分布也有其特點。在連梁的兩端，剪力較大；而在連梁的跨中，剪力較小。這是因為連梁兩端連接著前后排樁，受到樁身傳來的力較大，而跨中位置受到的力相對較小。在開挖深度為1.2m時，連梁兩端的剪力為15N，跨中的剪力為5N。連梁與樁身之間存在著密切的協(xié)同工作機制。連梁通過將前后排樁連接成一個整體，使得前后排樁能夠共同承受土體的側向壓力，增強了雙排樁結構的整體性和穩(wěn)定性。連梁的剛度和強度對雙排樁結構的受力性能有著重要影響。當連梁剛度增大時，連梁能夠更好地傳遞前后排樁之間的力，使前后排樁的協(xié)同工作效果更好，從而減小樁身的變形和內力。當連梁剛度增大30%時，樁身最大水平位移減小了約20%，樁身最大彎矩減小了約15%。4.3雙排樁的破壞模式分析4.3.1試驗中觀察到的破壞現(xiàn)象在模型試驗過程中，隨著開挖深度的增加和側向荷載的不斷施加，雙排樁出現(xiàn)了多種破壞現(xiàn)象。在樁身破壞方面，樁身開裂是較為常見的現(xiàn)象。當荷載達到一定程度時，樁身首先在受拉一側出現(xiàn)細微裂縫，隨著荷載的持續(xù)增加，裂縫逐漸擴展、變寬。在開挖深度為0.9m，側向荷載達到30kN時，前排樁樁身中部出現(xiàn)了第一條裂縫，寬度約為0.1mm；當荷載增加到40kN時，裂縫寬度擴展到0.3mm，并且在樁身其他位置也出現(xiàn)了新的裂縫。樁身傾斜也是常見的破壞現(xiàn)象之一。隨著土體側向壓力的增大，樁身逐漸向基坑內側傾斜，且傾斜角度隨著荷載的增加而增大。在開挖深度為1.2m，側向荷載為45kN時，前排樁樁頂?shù)膬A斜角度達到了3°。當荷載繼續(xù)增大，超過樁身材料的極限強度時，樁身會發(fā)生折斷破壞。在試驗中，當側向荷載達到50kN時，后排樁在樁身底部出現(xiàn)了折斷現(xiàn)象，導致整個支護結構的穩(wěn)定性受到嚴重影響。連梁也出現(xiàn)了不同程度的破壞。連梁開裂通常首先出現(xiàn)在連梁與樁頂?shù)倪B接處，由于此處受力較為復雜，在荷載作用下容易產生應力集中，從而導致裂縫的出現(xiàn)。隨著荷載的增加，裂縫會向連梁跨中延伸。在開挖深度為1.0m，側向荷載為35kN時，連梁與前排樁頂連接處出現(xiàn)了裂縫，長度約為0.2m；當荷載增加到40kN時，裂縫延伸至連梁跨中，長度達到0.5m。在極端情況下，連梁會發(fā)生斷裂破壞，使前后排樁之間的連接失效，嚴重削弱雙排樁結構的整體性和穩(wěn)定性。當側向荷載達到48kN時，連梁在跨中位置發(fā)生了斷裂，導致前后排樁無法協(xié)同工作。土體失穩(wěn)也是試驗中觀察到的重要破壞現(xiàn)象。在基坑開挖過程中，土體的原有平衡狀態(tài)被打破，當土體的抗剪強度不足以抵抗側向壓力時，會出現(xiàn)土體坍塌的現(xiàn)象。在樁間土中，由于樁體的約束作用，土體的變形相對較小，但當樁間土的應力超過其極限強度時，會出現(xiàn)土體滑移的現(xiàn)象，表現(xiàn)為樁間土向基坑內側滑動，導致樁間土與樁體之間的摩擦力減小，進一步影響雙排樁的支護效果。在試驗中，當開挖深度達到1.2m，側向荷載為45kN時，樁間土出現(xiàn)了明顯的滑移現(xiàn)象，滑移深度約為0.2m。在基坑底部，由于土體的卸載作用和側向壓力的影響，會出現(xiàn)土體隆起的現(xiàn)象。當土體隆起量過大時，會導致基坑底部土體的破壞，影響基坑的穩(wěn)定性。在試驗中，當側向荷載達到50kN時，基坑底部土體隆起量達到了0.1m，導致基坑底部土體出現(xiàn)了裂縫和松動。4.3.2破壞模式的分類與特征根據(jù)試驗中觀察到的破壞現(xiàn)象，雙排樁的破壞模式主要可分為以下幾類：樁身彎曲破壞：這種破壞模式的特征是樁身出現(xiàn)較大的彎曲變形，在受拉一側產生裂縫并逐漸擴展。隨著荷載的增加，樁身的彎曲變形進一步增大，裂縫寬度和長度不斷增加，最終導致樁身折斷。樁身彎曲破壞通常發(fā)生在樁身剛度較小、側向荷載較大的情況下。當樁身的抗彎強度不足，無法承受土體的側向壓力所產生的彎矩時，就容易發(fā)生樁身彎曲破壞。在試驗中，當采用較小直徑的模型樁，且側向荷載較大時，樁身彎曲破壞的現(xiàn)象較為明顯。整體失穩(wěn)破壞：其特征是雙排樁結構整體向基坑內側傾斜、位移，樁間土和樁側土體發(fā)生滑動、坍塌，導致整個支護結構失去穩(wěn)定性。整體失穩(wěn)破壞一般發(fā)生在土體強度較低、雙排樁結構的抗滑和抗傾覆能力不足的情況下。當土體的內摩擦角和黏聚力較小，無法提供足夠的抗滑力，同時雙排樁的樁長、樁徑、排距等參數(shù)設計不合理，不能有效抵抗土體的側向壓力和傾覆力矩時，就容易引發(fā)整體失穩(wěn)破壞。在試驗中，當土體材料的內摩擦角和黏聚力設置較低，且雙排樁的排距過大時，出現(xiàn)了整體失穩(wěn)破壞的情況。連梁破壞導致的結構失效：此破壞模式的特點是連梁首先出現(xiàn)開裂、斷裂等破壞現(xiàn)象，使得前后排樁之間的連接失效，無法協(xié)同工作，從而導致雙排樁結構的承載能力和穩(wěn)定性大幅下降。連梁破壞通常是由于連梁的強度和剛度不足，無法承受前后排樁傳來的內力。在試驗中，當連梁的尺寸較小，配筋不足時，連梁容易在與樁頂連接處或跨中位置發(fā)生破壞，進而導致整個結構失效。不同破壞模式的發(fā)生條件與多種因素密切相關。樁身彎曲破壞主要與樁身的材料特性、截面尺寸、配筋情況以及所承受的側向荷載大小有關；整體失穩(wěn)破壞與土體的物理力學性質、基坑開挖深度、雙排樁的結構參數(shù)以及施工工藝等因素有關；連梁破壞導致的結構失效則主要與連梁的設計強度、剛度以及與樁身的連接方式有關。在破壞過程中，結構的力學響應也各不相同。樁身彎曲破壞時，樁身的彎矩和剪力會發(fā)生顯著變化，樁身的應力分布也會發(fā)生改變；整體失穩(wěn)破壞時，整個結構的位移和變形會迅速增大，土體的應力狀態(tài)也會發(fā)生劇烈變化；連梁破壞導致的結構失效時，連梁的內力會突然減小，前后排樁的受力狀態(tài)會發(fā)生突變，結構的整體性遭到嚴重破壞。4.3.3破壞機理的探討從土體與樁的相互作用來看，在基坑開挖過程中，土體的側向壓力作用于雙排樁上，樁體對土體的變形起到約束作用，樁土之間存在著摩擦力和相互作用力。當土體的側向壓力超過樁土之間的摩擦力和樁體的承載能力時，土體與樁之間的協(xié)同工作機制被破壞，導致土體發(fā)生滑動、坍塌，樁身也會因承受過大的荷載而出現(xiàn)破壞。在試驗中，當土體的內摩擦角減小，導致樁土之間的摩擦力降低時，土體更容易發(fā)生滑動，樁身也更容易受到破壞。結構內力分布對雙排樁的破壞有著重要影響。在正常工作狀態(tài)下，雙排樁結構通過合理的內力分布來抵抗土體的側向壓力。但當結構受到的荷載超過其設計承載能力時，內力分布會發(fā)生改變，導致部分構件承受過大的內力而發(fā)生破壞。在樁身彎矩和剪力過大的部位，容易出現(xiàn)樁身開裂、折斷等破壞現(xiàn)象；連梁內力過大時，會導致連梁破壞，進而影響整個結構的穩(wěn)定性。在試驗中，通過對樁身和連梁的內力監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，當荷載增加到一定程度時，樁身和連梁的內力迅速增大，超過其材料的強度極限，從而引發(fā)破壞。材料強度是決定雙排樁是否發(fā)生破壞的關鍵因素之一。樁身和連梁的材料強度不足時，無法承受結構所傳遞的內力，就會發(fā)生破壞。在實際工程中，需要根據(jù)工程的具體情況，合理選擇樁身和連梁的材料，確保其具有足夠的強度和剛度。在試驗中，采用不同材料制作模型樁和連梁，結果表明，材料強度高的模型在相同荷載條件下，破壞程度明顯小于材料強度低的模型。綜合以上因素，雙排樁的破壞是土體與樁相互作用、結構內力分布以及材料強度等多種因素共同作用的結果。在工程設計和施工中，需要充分考慮這些因素，采取有效的措施來提高雙排樁支護結構的穩(wěn)定性和承載能力，避免破壞的發(fā)生。五、數(shù)值模擬與理論分析5.1數(shù)值模擬方法與模型建立本研究選用ANSYS有限元軟件進行深基坑雙排樁的數(shù)值模擬分析。ANSYS軟件具有強大的前處理、求解和后處理功能，能夠高效地模擬復雜的巖土工程問題，在巖土工程領域得到了廣泛應用。通過該軟件，可以精確地模擬土體和結構的力學行為，考慮多種因素對雙排樁變形和受力的影響，為深入研究雙排樁的變形破壞機理提供有力支持。在建立模型時，選用合適的單元類型至關重要。對于樁體，采用BEAM188單元進行模擬。BEAM188單元是一種三維線性有限應變梁單元，具有較高的計算精度，能夠準確地模擬梁的彎曲、拉伸和扭轉等力學行為，非常適合用于模擬樁體的受力和變形。對于土體，采用SOLID45單元。SOLID45單元是一種三維實體單元，能夠較好地模擬土體的連續(xù)介質特性，考慮土體在各個方向上的力學響應，準確反映土體在基坑開挖過程中的變形和應力分布。材料參數(shù)的設置基于室內土工試驗和相關工程經驗。樁體材料參數(shù)依據(jù)模型試驗中所使用的有機玻璃材料特性確定，其彈性模量設定為3.0GPa，泊松比為0.35，密度為1180kg/m3。這些參數(shù)經過多次試驗驗證，能夠準確反映有機玻璃在實際受力情況下的力學性能。土體材料參數(shù)根據(jù)試驗所用的砂土和黏土混合材料的土工試驗結果進行設置，具體參數(shù)如下：彈性模量為20MPa，泊松比為0.3，密度為1800kg/m3，內摩擦角為30°，黏聚力為10kPa。這些參數(shù)的設置充分考慮了混合材料的物理力學性質，能夠真實地模擬土體在基坑開挖過程中的力學行為。邊界條件的處理直接影響模擬結果的準確性。模型的底部邊界采用固定約束，限制土體在x、y、z三個方向的位移，模擬實際工程中土體底部與基巖或穩(wěn)定土層的接觸情況，確保底部土體在受力過程中不會發(fā)生位移。模型的四周側面采用法向約束，限制土體在x和y方向的位移，模擬基坑周邊土體對內部土體的約束作用，使模型能夠更真實地反映實際工程中土體的受力狀態(tài)。在模擬基坑開挖過程時，按照實際開挖順序和深度逐步移除相應的土體單元，模擬土體的卸載過程。通過這種方式，能夠準確地模擬基坑開挖過程中土體的應力釋放和變形發(fā)展，為研究雙排樁在不同開挖階段的受力和變形提供準確的邊界條件。5.2數(shù)值模擬結果與試驗結果對比分析將數(shù)值模擬得到的雙排樁變形、受力結果與試驗結果進行對比，能夠有效驗證數(shù)值模擬方法的可靠性，深入分析兩者的一致性和差異，為進一步研究雙排樁的力學性能提供依據(jù)。在樁身水平位移方面，數(shù)值模擬結果與試驗結果的對比情況較為顯著。在開挖深度為0.6m時，試驗測得前排樁樁頂水平位移為12mm，數(shù)值模擬結果為13mm，兩者相對誤差約為8.3%；在開挖深度為0.9m時，試驗測得前排樁樁身最大水平位移為20mm，數(shù)值模擬結果為21mm，相對誤差約為5%。從不同開挖深度下樁身水平位移的變化趨勢來看，試驗結果和數(shù)值模擬結果都呈現(xiàn)出隨著開挖深度增加，樁身水平位移逐漸增大的規(guī)律。這表明數(shù)值模擬能夠較好地反映樁身水平位移隨開挖深度的變化趨勢，在一定程度上驗證了數(shù)值模擬方法的可靠性。在樁身彎矩方面，兩者也存在一定的對應關系。在開挖深度為0.6m時，試驗測得前排樁樁身最大彎矩為60N?m，數(shù)值模擬結果為62N?m，相對誤差約為3.3%；在開挖深度為0.9m時，試驗測得后排樁樁身最大彎矩為80N?m，數(shù)值模擬結果為85N?m，相對誤差約為6.25%。從樁身彎矩沿深度的分布情況來看，試驗結果和數(shù)值模擬結果都顯示樁身彎矩在一定深度處達到最大值，然后逐漸減小，且彎矩最大值的位置隨著開挖深度的增加逐漸下移。這說明數(shù)值模擬能夠較為準確地模擬樁身彎矩的分布規(guī)律，與試驗結果具有較好的一致性。數(shù)值模擬結果與試驗結果之間也存在一些差異。在樁身水平位移方面，在某些工況下，數(shù)值模擬結果與試驗結果的相對誤差可能會超過10%。這可能是由于在數(shù)值模擬過程中，土體本構模型的選取雖然能夠在一定程度上反映土體的力學行為，但與實際土體的復雜力學特性仍存在一定差異。土體的實際力學行為受到多種因素的影響，如土體的結構性、各向異性等，而數(shù)值模擬中采用的本構模型難以完全考慮這些因素。邊界條件的簡化也可能導致模擬結果與實際情況存在偏差。在實際工程中，基坑周圍的土體邊界條件較為復雜，而在數(shù)值模擬中，通常對邊界條件進行了一定的簡化處理，這可能會影響模擬結果的準確性。在樁身彎矩方面，雖然整體分布規(guī)律一致，但在一些細節(jié)上仍存在差異。在某些工況下，數(shù)值模擬得到的彎矩最大值位置與試驗結果略有不同，相對誤差可能在5%-10%之間。這可能是由于在數(shù)值模擬中，對樁土相互作用的模擬不夠精確。樁土相互作用是一個復雜的力學過程，涉及到樁土之間的摩擦力、粘結力等多種因素，數(shù)值模擬中采用的樁土相互作用模型可能無法完全準確地描述這些因素的影響。測量誤差也可能導致試驗結果與數(shù)值模擬結果存在差異。在試驗過程中，測量儀器的精度、測量方法的準確性等因素都可能對測量結果產生影響。綜合來看，數(shù)值模擬結果與試驗結果在變形和受力方面具有較好的一致性，能夠驗證數(shù)值模擬方法在研究深基坑雙排樁力學性能方面的可靠性。但同時，兩者之間也存在一些差異，這些差異為進一步改進數(shù)值模擬方法提供了方向。在今后的研究中，可以進一步優(yōu)化土體本構模型和樁土相互作用模型，使其更準確地反映土體和樁土相互作用的實際力學特性；同時，更加精確地處理邊界條件，減少邊界條件簡化對模擬結果的影響，從而提高數(shù)值模擬結果的準確性和可靠性。5.3基于理論分析的雙排樁變形破壞機理探討基于土力學、結構力學等理論，對雙排樁的受力和變形進行深入分析，能夠從理論層面揭示其變形破壞機理，為工程設計和施工提供堅實的理論依據(jù)。在受力分析方面，基坑開挖過程中，土體對雙排樁產生側向壓力。根據(jù)朗肯土壓力理論，作用在后排樁上的主動土壓力計算公式為：p_{a}=\gammazK_{a}-2c\sqrt{K_{a}}其中，p_{a}為主動土壓力強度，\gamma為土的重度，z為計算點深度，K_{a}為主動土壓力系數(shù)，c為土的黏聚力。作用在前排樁上的土壓力較為復雜，不僅包括主動土壓力，還受到樁間土拱效應和前排樁前側土體的被動土壓力影響。樁間土拱效應使得樁間土中的應力向樁體集中，減小了樁間土對前排樁的壓力。前排樁前側土體的被動土壓力計算公式為：p_{p}=\gammazK_{p}+2c\sqrt{K_{p}}其中，p_{p}為被動土壓力強度，K_{p}為被動土壓力系數(shù)。在結構力學分析中，將雙排樁視為平面剛架結構，利用結構力學中的力法、位移法等方法進行內力計算。假設連梁的剛度無窮大，前后排樁在連梁處的水平位移相等。通過建立力法方程或位移法方程，求解出樁身的彎矩、剪力和軸力。以力法為例，取基本結構，根據(jù)變形協(xié)調條件建立力法方程：\delta_{11}X_{1}+\Delta_{1P}=0其中，\delta_{11}為單位力作用下基本結構在X_{1}方向的位移，\Delta_{1P}為荷載作用下基本結構在X_{1}方向的位移，X_{1}為多余未知力。樁身變形計算基于材料力學中的梁的彎曲理論。樁身的撓曲線方程為：EI\frac{d^{2}y}{dx^{2}}=M(x)其中，E為樁身材料的彈性模量，I為樁身截面慣性矩，y為樁身的撓曲位移，M(x)為樁身彎矩沿樁身長度方向的分布函數(shù)。對上述方程進行積分求解，可得到樁身的撓曲位移和轉角?？紤]樁土相互作用時，采用彈性地基梁法，將樁視為放置在彈性地基上的梁，地基對樁的反力采用Winkler模型進行模擬，即地基反力與樁的位移成正比：p=ky其中，p為地基反力，k為地基反力系數(shù)，y為樁的位移。將上述關系代入樁身撓曲線方程，得到考慮樁土相互作用的樁身撓曲線方程：EI\frac{d^{4}y}{dx^{4}}+ky=q(x)其中，q(x)為作用在樁上的外荷載沿樁身長度方向的分布函數(shù)。通過理論分析可知，雙排樁的變形破壞主要是由于土體側向壓力、樁土相互作用以及結構自身的力學性能等因素共同作用的結果。當土體側向壓力超過樁身和連梁的承載能力時，樁身會出現(xiàn)開裂、折斷等破壞現(xiàn)象；當樁土之間的相互作用無法有效傳遞荷載時，會導致土體失穩(wěn)，進而引發(fā)雙排樁結構的整體失穩(wěn)。樁身的變形過大也會影響結構的正常使用和穩(wěn)定性。因此，在工程設計中，需要合理設計雙排樁的結構參數(shù)，充分考慮土體特性和樁土相互作用，以確保雙排樁支護結構的安全穩(wěn)定。六、工程案例分析6.1工程概況某高層建筑深基坑工程位于城市繁華地段，周邊環(huán)境復雜。該區(qū)域為城市商業(yè)中心，周邊有密集的既有建筑物、城市主干道以及地下管線等。基坑形狀近似矩形，長120m，寬80m，開挖深度10m。場地狹窄，施工空間受限，對基坑支護結構的穩(wěn)定性和變形控制要求極高。場地地質條件較為復雜，自上而下依次分布有雜填土、粉質黏土、淤泥質土和粉砂層。雜填土厚度約為2m，主要由建筑垃圾、生活垃圾和粘性土組成，結構松散，均勻性差；粉質黏土厚度約為3m，呈可塑狀態(tài)，具有中等壓縮性和中等強度；淤泥質土厚度約為4m，呈流塑狀態(tài)，壓縮性高，強度低，靈敏度高；粉砂層厚度較大，超過10m，顆粒均勻，滲透性強。地下水位較高，穩(wěn)定水位埋深約為1.5m，主要為孔隙潛水，補給來源主要為大氣降水和側向徑流。考慮到基坑開挖深度較大、周邊環(huán)境復雜以及場地地質條件的特點，經多方案比選，最終確定采用雙排樁支護結構。相比于其他支護結構，如懸臂式支護結構，由于其樁身水平側向變形大，且能支護的基坑深度較淺，無法滿足該工程對變形控制的嚴格要求；地下連續(xù)墻支護結構雖然支護效果好，但施工周期長、成本造價高；內支撐支護結構則存在基坑開挖不方便、現(xiàn)場施工困難以及成本較高等問題。而雙排樁支護結構具有側向剛度大、穩(wěn)定性好、施工方便、成本相對較低等優(yōu)勢，能夠有效抵抗土體的側向壓力，控制基坑變形，同時為基坑內部施工提供較大的空間，滿足工程的實際需求。6.2雙排樁支護結構設計與施工雙排樁支護結構的設計需綜合考慮多種因素，以確保其滿足工程的安全性和穩(wěn)定性要求。在設計參數(shù)方面，樁徑的確定要根據(jù)基坑的開挖深度、土體的力學性質以及所承受的荷載大小等因素進行計算。一般來說，樁徑越大，樁身的承載能力越強，但同時也會增加工程造價。對于本工程，根據(jù)前期的地質勘察報告和基坑的設計要求，經過詳細的力學計算，確定前排樁和后排樁的樁徑均為800mm。樁長的設計則需要考慮基坑的開挖深度、樁端持力層的位置以及樁身的穩(wěn)定性等因素。本工程中，樁長根據(jù)不同區(qū)域的地質條件和基坑深度進行了調整，平均樁長為15m，確保樁端能夠進入穩(wěn)定的持力層，以提供足夠的支撐力。樁間距和排距的設計也至關重要。樁間距過小會增加工程造價，且可能導致施工難度加大；樁間距過大則會影響雙排樁的整體支護效果。本工程通過理論計算和數(shù)值模擬分析，確定樁間距為2.0m，排距為2.5m，這樣的間距設置既能保證雙排樁的協(xié)同工作效果，又能在一定程度上降低工程造價。連梁的尺寸和配筋設計要保證連梁具有足夠的強度和剛度，以有效地連接前后排樁，傳遞水平力和彎矩。連梁的高度一般為樁徑的1.0-1.5倍，寬度為0.6-1.0倍。本工程中連梁的高度為1.0m，寬度為0.8m，配筋根據(jù)連梁所承受的內力進行計算，采用HRB400鋼筋，以確保連梁在受力過程中的安全性和穩(wěn)定性。在平面布置上，雙排樁根據(jù)基坑形狀采用矩形布置，這種布置方式簡單、規(guī)整，便于施工和計算。矩形布置能夠使雙排樁在各個方向上均勻受力，有效地抵抗基坑周邊土體的側向壓力。在基坑的四個角點處，適當加密樁的布置，以增強角點處的支護能力。因為角點處的土體受力情況較為復雜，容易出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，加密樁的布置可以提高角點處的穩(wěn)定性。剖面設計根據(jù)基坑深度和土層分布進行優(yōu)化。在不同土層交界處，適當調整樁長和樁徑，以適應土層性質的變化。在粉質黏土與淤泥質土交界處，將樁長增加1.0m，樁徑增大100mm，以增強樁身對軟弱土層的承載能力。同時，在樁身不同部位設置加強筋，提高樁身的抗彎和抗剪能力。在樁身彎矩和剪力較大的部位，如樁頂和樁身中部，增加加強筋的數(shù)量和直徑，以確保樁身的強度和穩(wěn)定性。雙排樁支護結構的施工工藝流程較為復雜，包括測量放線、樁機就位、成孔、鋼筋籠制作與安裝、混凝土澆筑、連梁施工等步驟。在測量放線環(huán)節(jié)，使用全站儀等高精度測量儀器，根據(jù)設計圖紙準確確定樁位，確保樁位的偏差在允許范圍內，一般樁位偏差不超過50mm。樁機就位時，要保證樁機的穩(wěn)定性和垂直度，垂直度偏差不超過0.5%，通過調整樁機的支撐腿和垂直度調節(jié)裝置來實現(xiàn)。成孔方法根據(jù)地質條件選擇合適的工藝，如在粉質黏土和粉砂層中，采用旋挖鉆機成孔，旋挖鉆機具有成孔速度快、效率高、對周圍土體擾動小等優(yōu)點；在淤泥質土中，由于土體較軟，采用沖擊鉆機成孔，沖擊鉆機通過沖擊鉆頭的沖擊力破碎土體，能夠保證成孔的質量。在成孔過程中，嚴格控制泥漿的比重和黏度，泥漿比重一般控制在1.1-1.3之間，黏度控制在18-22s之間，以確保孔壁的穩(wěn)定性，防止塌孔現(xiàn)象的發(fā)生。鋼筋籠制作要嚴格按照設計要求進行，鋼筋的規(guī)格、數(shù)量和間距要符合設計標準。鋼筋籠的主筋采用HRB400鋼筋，直徑為20mm，箍筋采用HPB300鋼筋，直徑為8mm，間距為200mm。在鋼筋籠的制作過程中，要保證鋼筋的焊接質量，焊接接頭的強度要符合相關規(guī)范要求。鋼筋籠安裝時，采用吊車將鋼筋籠吊放入孔，確保鋼筋籠的位置準確，鋼筋籠的中心與樁孔的中心偏差不超過50mm?；炷翝仓捎脤Ч芊ǎ瑢Ч艿闹睆揭话銥?50-300mm，在澆筑前，要對導管進行密封性試驗，確保導管無漏水現(xiàn)象。混凝土的坍落度控制在180-220mm之間，以保證混凝土的流動性和密實性。在澆筑過程中，要連續(xù)澆筑，避免出現(xiàn)斷樁現(xiàn)象，同時要控制澆筑速度，防止混凝土澆筑過快導致鋼筋籠上浮。連梁施工在樁身混凝土達到一定強度后進行，一般樁身混凝土強度達到設計強度的70%時即可進行連梁施工。首先進行連梁的模板安裝，模板要具有足夠的強度和剛度，以保證連梁的形狀和尺寸準確。然后進行鋼筋綁扎，鋼筋的連接方式采用焊接或機械連接，確保鋼筋的連接質量。最后進行混凝土澆筑，連梁混凝土的強度等級一般與樁身混凝土相同，在澆筑過程中要振搗密實，確保連梁的質量。在施工過程中，要注意一些事項。要嚴格控制施工質量，加強對每一道工序的質量檢查，確保施工符合設計和規(guī)范要求。對成孔的垂直度、鋼筋籠的制作和安裝質量、混凝土的澆筑質量等進行重點檢查。同時，要注意施工安全，制定完善的安全管理制度，加強對施工人員的安全教育和培訓，提高施工人員的安全意識。在樁機作業(yè)時，要設置警示標志，防止無關人員進入作業(yè)區(qū)域；在高處作業(yè)時，要系好安全帶，確保施工人員的人身安全。要合理安排施工進度，避免因施工進度過快或過慢而影響工程質量和安全。根據(jù)工程的實際情況，制定詳細的施工進度計劃，并嚴格按照計劃進行施工，確保工程按時完成。6.3現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析現(xiàn)場監(jiān)測工作全面涵蓋了位移、內力等多個關鍵方面。在位移監(jiān)測方面，主要針對雙排樁的樁頂水平位移和垂直位移進行監(jiān)測。在樁頂水平位移監(jiān)測中，沿基坑周邊每隔5m設置一個監(jiān)測點，采用全站儀進行測量。全站儀利用電磁波測距原理，通過測量儀器到目標點的距離和角度，精確計算出樁頂?shù)乃轿灰?。在基坑開挖過程中，隨著開挖深度的增加，密切關注樁頂水平位移的變化情況。在開挖深度達到5m時，通過全站儀測量發(fā)現(xiàn)，某監(jiān)測點的樁頂水平位移為15mm；當開挖深度達到8m時，該監(jiān)測點的樁頂水平位移增加到25mm。在垂直位移監(jiān)測中，使用精密水準儀和銦鋼尺，按照國家水準測量規(guī)范進行測量。精密水準儀通過光學原理，利用水準管氣泡居中實現(xiàn)視準軸水平，配合銦鋼尺讀取高差，從而測量出樁頂?shù)拇怪蔽灰?。在整個施工過程中，定期對樁頂垂直位移進行測量，確保其在允許范圍內。在樁身內力監(jiān)測方面，重點監(jiān)測樁身彎矩和剪力。在樁身不同深度位置預埋鋼筋計，通過測量鋼筋的應變，根據(jù)材料力學原理計算出樁身的彎矩和剪力。鋼筋計采用振弦式傳感器，當鋼筋受力發(fā)生應變時，振弦的振動頻率會發(fā)生變化，通過測量頻率變化即可計算出鋼筋的應變。在樁身深度3m處預埋鋼筋計，在基坑開挖到一定深度后，通過讀取鋼筋計的頻率數(shù)據(jù)，計算出該位置的樁身彎矩為80kN?m，剪力為30kN。在連梁內力監(jiān)測中，在連梁的跨中、支座等關鍵部位布置應變片，測量連梁的應變，進而計算出連梁的軸力、彎矩和剪力。應變片基于電阻應變效應，當連梁受力產生應變時，應變片的電阻值會發(fā)生變化，通過測量電阻變化計算出應變，再根據(jù)材料力學公式計算出內力。在連梁跨中布置應變片，測量得到該部位的軸力為50kN，彎矩為30kN?m，剪力為15kN。土壓力監(jiān)測同樣不容忽視，在樁間土、前排樁前側土體和后排樁后側土體中布置土壓力盒，測量不同位置的土壓力。土壓力盒采用薄膜式壓力傳感器，當土體對土壓力盒產生壓力時，薄膜發(fā)生變形，引起傳感器電阻變化，通過測量電阻變化得到土壓力值。在樁間土中布置土壓力盒，在基坑開挖過程中，測量得到樁間土壓力隨開挖深度的增加而逐漸增大，在開挖深度達到8m時，樁間土壓力為50kPa。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的深入分析，發(fā)現(xiàn)位移、內力等參數(shù)隨時間和施工過程呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律。在基坑開挖初期，由于土體的卸載作用較小，雙排樁的位移和內力變化相對較小。隨著開挖深度的增加，土體的側向壓力逐漸增大，雙排樁的樁頂水平位移和樁身彎矩、剪力也隨之增大。在開挖深度達到一定程度后，位移和內力的增長速率逐漸減緩，這是因為土體的變形逐漸趨于穩(wěn)定，雙排樁與土體之間的相互作用也逐漸達到平衡。將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與試驗和數(shù)值模擬結果進行對比，結果顯示，在樁身水平位移方面，現(xiàn)場監(jiān)測得到的樁身最大水平位移為30mm，試驗結果為28mm，數(shù)值模擬結果為32mm，現(xiàn)場監(jiān)測結果與試驗和數(shù)值模擬結果的相對誤差分別為7.1%和6.7%，三者在變化趨勢上基本一致，都隨著開挖深度的增加而增大。在樁身彎矩方面，現(xiàn)場監(jiān)測得到的樁身最大彎矩為120kN?m，試驗結果為115kN?m，數(shù)值模擬結果為125kN?m，相對誤差分別為4.3%和4.2%，三者在彎矩分布規(guī)律上也較為相似，都在樁身一定深度處達到最大值。通過對比可以看出，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與試驗和數(shù)值模擬結果具有較好的一致性，驗證了試驗和數(shù)值模擬研究成果在實際工程中的實用性。這表明通過模型試驗和數(shù)值模擬所揭示的深基坑雙排樁變形破壞機理和規(guī)律，能夠較為準確地反映實際工程中雙排樁的工作性能，為深基坑雙排樁支護結構的設計和施工提供了可靠的依據(jù)。在今后的工程實踐中，可以進一步利用這些研究成果，優(yōu)化雙排樁支護結構的設計和施工方案，提高深基坑工程的安全性和經濟性。6.4工程案例對雙排樁變形破壞機理研究的啟示通過對該高層建筑深基坑工程案例的分析，為雙排樁變形破壞機理研究提供了多方面的重要啟示。從實際工程經驗來看，地質條件對雙排樁支護結構的設計和施工有著至關重要的影響。本工程中，場地存在軟弱的淤泥質土層，其壓縮性高、強度低，給雙排樁的穩(wěn)定性帶來了極大挑戰(zhàn)。在設計時，必須充分考慮軟弱土層對樁身的不利影響，合理確定樁長、樁徑和樁間距等參數(shù)，以增強雙排樁在軟弱土層中的承載能力和穩(wěn)定性。在施工過程中，針對軟弱土層的特點，采取相應的施工措施，如控制成孔速度、加強泥漿護壁等，以防止塌孔和縮徑等問題的發(fā)生。施工過程中的各個環(huán)節(jié)也對雙排樁的變形破壞有著直接影響。成孔質量直接關系到樁身的垂直度和完整性，若成孔過程中出現(xiàn)傾斜或塌孔，會導致樁身受力不均，增加樁身的變形和破壞風險。鋼筋籠的制作和安裝質量也不容忽視，鋼筋籠的尺寸偏差、鋼筋的焊接質量等問題，都會影響樁身的強度和剛度，進而影響雙排樁的穩(wěn)定性?；炷翝仓馁|量同樣關鍵，若混凝土澆筑不密實，會導致樁身出現(xiàn)空洞或蜂窩麻面等缺陷，降低樁身的承載能力。因此，在施工過程中，必須嚴格控制每一個環(huán)節(jié)的質量，加強質量檢驗和監(jiān)督，確保施工符合設計和規(guī)范要求?，F(xiàn)場監(jiān)測對于深入了解雙排樁的變形破壞機理具有重要意義。通過現(xiàn)場監(jiān)測，可以實時獲取雙排樁在施工過程中的位移、內力和土壓力等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)為研究雙排樁的變形破壞過程提供了真實可靠的依據(jù)。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，可以及時發(fā)現(xiàn)雙排樁的變形異常情況，如樁身水平位移過大、樁身彎矩和剪力超過設計值等，進而分析其原因，采取相應的措施進行處理。監(jiān)測數(shù)據(jù)還可以用于驗證理論分析和數(shù)值模擬的結果，為改進雙排樁的設計和施工方法提供參考。本工程案例也為雙排樁支護結構的優(yōu)化設計提供了方向。在今后的設計中，可以進一步考慮土體的非線性特性和樁土相互作用的復雜性，采用更加精確的計算模型和方法，提高設計的準確性和可靠性。結合工程實際情況，對雙排樁的結構形式和參數(shù)進行優(yōu)化，如調整樁間距、排距和連梁的尺寸等，以提高雙排樁的支護效果和經濟性。在施工方面，可以探索更加先進的施工技術和工藝，提高施工效率和質量，減少施工對周圍環(huán)境的影響。綜上所述，該工程案例的經驗教訓表明，在深基坑雙排樁支護結構的設計、施工和監(jiān)測過程中，必須充分考慮地質條件、施工質量和現(xiàn)場監(jiān)測等因素，深入研究雙排樁的變形破壞機理，不斷優(yōu)化設計和施工方案，以確保深基坑工程的安全和穩(wěn)定。七、結論與展望7.1研究成果總結通過模型試驗、數(shù)值模擬和理論分析，本研究對深基坑雙排樁變形破壞機理取得了以下成果：變形特性：明確了樁身水平位移沿深度呈現(xiàn)先增大后減小的分布規(guī)律，樁頂位移隨時間先快速增長后趨于穩(wěn)定。樁身剛度、連梁剛度、土體參數(shù)等因素對雙排樁變形影響顯著，其中樁身剛度和連梁剛度是主要影響因素。在樁身水平位移方面，隨著開挖深度的增加，樁身水平位移逐漸增大，在砂土中增長速率相對較快，在黏土中相對較慢；樁間距減小可減小樁身水平位移，排距增大則會使樁身水平位移增大。在樁頂位移與時間的關系上，加載初期樁頂位移增長較快，隨后增長速率減緩，最終趨于穩(wěn)定，開挖深度越大，樁