浅析圈梁在排桩支护结构中的力学作用
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摘要： 通过在排桩支护结构中圈梁影响的模型试验，分析圈梁对拍桩支护结构的力学作用，提出支护工程设计中的一些改进建议。
Abstract: through the in row pile in the influence of ring beam supporting structure model test, analysis of ring beam supporting structure take the mechanical effect of pile, and puts forward the design of supporting project for some improvements.
Keywords: ring beam, row pile supporting, mechanical function
中图分类号：O3文献标识码：A文章编号：
基抗支护结构的种类有很多，排桩支护结构是最常见的一种。在当前的设计与施工中，桩顶圈梁的作用未引起足够的重视，普遍将其视为安全储蓄，而将排桩与全亮的整体支护结构视为悬臂梁来计算的，这样的计算结果显然过于保守，且不尽合理。本文的模型试验是研究基抗支护结构中圈梁的刚度对整体支结构的的力学作用。
1、模型试验的设计与实验
本文实验所用模型槽是由厚木板和角钢组合钉制而成，模型槽尺寸长×宽×深2520mm×1490mm ×1510mm。采用尼龙棒模拟护壁桩，模型桩桩长640mm，直径32mm，桩长与桩径之比为20:1.桩间距80mm为桩径的2..5倍。采用偏钢模拟圈梁.为了达到研究圈梁影响作用的目的，模型桩的尺寸不变，选用5种不同刚度的圈梁分别进行6组试验与观测，圈梁尺寸与堆载情况见表1。圈梁与模型桩的连接模拟实际工程中桩顶与圈梁的固端相连，用螺钉将两者拧紧固定。设计模型桩埋深190mm。采用砂土填筑地基，分3次开挖，每次挖150mm。
试验中选用3根测试桩，每根7个截面14个测点，得到6组试验共1008个应变数据，同时得到了桩顶位移数据72个。
表1各组实验不同刚度圈梁的尺寸及堆载情况
2、试验结果分析
通过计算3个测试桩各7个截面的弯矩值，得到各种情况下的弯矩图。3次开挖的弯矩图有明显的变化，随着开挖深度的加大，弯矩图的两个反弯点逐渐向下移动，与一般无圈梁悬臂桩在横向力作用下的变化规律类似。同时，无圈梁的第6组试验的弯矩值均大于其他5组有圈梁条件的弯矩值，即桩顶圈梁的约束力抵消了部分由土压力产生的弯矩，这说明圈梁改变了桩身的内力条件，减小了相应的弯矩值，增加了桩的稳定性；圈梁的约束作用越强，其效果越明显。
随着开挖深度的加大，位于基坑中央的桩的第一反弯点的弯矩值由第一次开弯的-800×10kN・m变化至第三次开挖的-1200×10kN・m，第二反弯点的弯矩值由第一次开挖的100×10kN・m变化至第三次开挖的900×10kN・m。上述弯矩的变化体现了护壁桩的内力布随开挖深度的加大而进行的调整，第一次开挖后，护壁桩的受力条件主要来自于开挖面以上的基坑外测较小的主动土压力的作用，而开挖面以下的基坑内测的被动土压力尚未发挥，因此第二反弯点的弯矩值较小；经过第二、三次开挖后，开挖面以上的基坑外侧的主动压力的作用逐渐加大，开挖面以下的基坑内测的被动土压力也随之加大，因此第二反弯点的弯矩值也逐渐加大。
圈梁的抗弯刚度对桩身弯矩特别是坑底附近的最大弯矩值有很大影响。有圈梁时最大弯矩值显著减小，如基坑中央的桩有圈梁的第一组试验第3次开挖后54cm深，最大弯矩为853.60×10kN・m，而无圈梁的第六组试验为998.52×10kN・m。
另外，第一反弯点弯矩值的位置随开挖深度的加大而逐渐靠近开挖面的位置，第一次开挖后第一反弯点在开挖面以下10cm，第二次开挖后为5cm，第三次开挖后为0cm。第二反弯点弯矩值的位置始终位于深度55cm处。因此，开挖的过程也是第一反点弯沿深度方向变化的过程。
同一开挖深度的桩顶弯矩随圈梁与桩的刚度比的增大有减小的趋势，说明刚度增大的圈梁约束作用体现到了开挖面附近桩身弯矩的两个反弯点上，而桩顶弯矩逐渐减小。开挖深度越强，圈梁约束作用越大，圈梁约束作用越强，因此桩顶弯矩越大。
由计算结果可知，土压力分布形式与Terzaghi-peck提出的土压力图式相近，即钻孔灌注桩后砂土土压力的矩形分布。可见这种土压力分布图式能够近似表达砂土土压力的分布状态。
就圈梁中部的桩来讲，从第1次开挖到第3次开挖，第1组试验的桩顶位移变化范围是（2.6～2.9）×10mm,而无圈梁的第6组试验的桩顶位移增加至(5.5～11.2) ×10mm，比较低1组试验的桩顶位移的变化值5.3×10mm和第6组试验的桩顶位移的变化值5.7×10mm可知，圈梁水平抗弯刚度的增加，不仅使桩顶位移随之减小，而且桩顶位移的变化范围也相应减小。
3、结论
试验结果表明，圈梁和排桩的协同合作使得桩身内力与变位明显不同于无圈梁情况。圈梁与桩的刚度比位2～3位最佳，有圈梁时桩的入土深度可以考虑占总桩长的30%，但需要根据具体的土层性质和桩的类型而定。
圈梁可以有效的控制桩顶位移，可以起到维持基坑周围建筑物稳点的作用。圈梁的抗弯的刚度与桩的刚度比对桩身弯距特别是坑底附近的最大弯矩值也有很大影响。
对于无拉锚和支撑而只在桩顶设置圈梁的桩排式支护结构，若其圈梁在水平方向的抗弯刚度与桩的抗弯刚度之比足够大，在开挖初期，护壁桩的变形曲线有两个反弯点，随着挖深加大和桩的埋入长度减少，第二反弯点消失而只保留第一反弯点，而第二反弯的消失在工程实际上有重要意义，它预示着桩体的埋入深度已处于临界状态，可以为基坑事故的预测提供报警依据；在第一反弯点以上除桩顶附近的局部区段外，桩在坑内的一侧受拉，另一侧受压，完全不同于直立悬臂杆的变化状态，其原因在于圈梁对桩顶有约束作用。、
参考文献：刘建航，侯学渊，基坑工程手册.北京：中国建筑工业出版社，