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预应力矩形桩在基坑支护中作用机理与计算

4.1.1桩身侧移分析

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Q／CR 807-2020 隧道喷射混凝土用液体无碱速凝剂.pdf第4章矩形支护桩有限元计算及影响因素分析

大于其开裂荷载，桩身出现裂缝进入带裂缝工作阶段，桩身刚度降低，相应桩身

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侧移增加；当开挖深度为9.1m时，Y0的桩顶侧移进一步增加，由于此时Y2桩 身所受弯矩超过其桩身开裂弯矩，桩进入带裂缝工作阶段，刚度降低桩顶侧移增 加较快，导致桩顶侧移大于Y4和Y8。当开挖深度进一步增加达到10.1m时，4 根桩只有Y8还处在弹性工作阶段，YO、Y2、Y4均已进入带裂缝工作阶段。如 果把开挖过程看成一个缓慢卸荷的过程，则转身受力缓慢增加。由于YO、Y2、 Y4进入带裂缝工作阶段的顺序不一样，导致在开挖10.1m时，率先进人带裂缝 价段的桩裂缝开展范围和宽度较大，刚度较小，桩顶侧移较大。其中虚线表示相 应桩的桩身开裂弯矩。 总体来说随着开挖深度的增加各个桩的桩身最大弯矩在增加，桩身弯矩最大 值在开挖面下侧1~2m附近，对应的改点的侧移曲线的曲率达到最大，侧移曲线 呈现出“拐点”。

）开挖7.1m桩身混凝土

）开挖8.1m的桩身混凝

第4章矩形支护桩有限元计算及影响因素分析

（c）开挖9.1m桩身混凝土应力图 （d）开挖10.1m的桩身混凝土应力图

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（a）开挖7.1m预应力筋应力图

（b）开挖8.1m预应力筋应力图

第4章矩形支护桩有限元计算及影响因素分析

c）开挖9.1m预应力筋应力图 （d）开挖10.1m预应力筋应力图

4. 1. 3 刚度分析

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对于桩Y8桩身所受弯矩为144kN·m，还未达到桩身抗裂弯矩，桩身刚度仍 维持开挖前附近；对于Y4桩，桩身所受最大弯矩稍微高于桩身开裂弯矩，桩身 刚度有少量降低；结合前面侧移分析可以看出，本模拟中桩Y8和桩Y4桩身刚 度和侧移曲线基本重合，这时相对于施加有效预压应力为4.25MPa，施加7.80MPa 是没有必要的；因此可以考虑设计不同层级配筋率的预应力矩形桩供不同基坑工 程选用。 当对于桩Y4、桩Y2，桩身所承受的弯矩明显大于开裂弯矩，桩身刚度相比 开挖前有明显的降低，由于开裂弯矩不同，抵抗弯矩的能力不同，随着桩身预应 力值的降低，裂缝开展范围和深度逐渐增加，导致刚度逐渐下降。即预应力的施 加增加了身抵抗弯矩的能力，但并不是直接增加了桩身抗弯刚度，而是通过提 高桩身的抗裂弯矩，延缓了裂缝的开展，使桩身刚度维持在较高水平工作，

第4章矩形支护桩有限元计算及影响因素分析

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总之，相同刚度条件下，正常配筋的预应力矩形桩在一定开挖深度情况下， 桩侧移显著减小，但由于预应力矩形桩使用的是高强混凝土，延性较差，混凝土 塑性下降段较大，在桩身进入带裂缝阶段后桩身刚度下降较快。

4.2带支撑支护桩数值模拟分析

4. 2. 1 模型的建立

第4章矩形支护桩有限元计算及影响因素分析

4.2.2模拟结果分析

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（a）带支撑支护桩身侧移图 （b）带支撑支护桩身弯矩图

则施加预应力矩形桩支护结构的变形

通常，上面讨论的支护桩的配筋计算是沿周边均匀配置钢筋的矩形截面钢筋 受压构件进行的，且对配置的预应力筋均施加预应力。事实上，支护桩主要承受 土的主动土压力，其弯矩是定向的，产生的侧移也是定向的。因此，可以考虑只 主远基坑侧施加预应力，这样相当于桩身受到远离基坑方向的弯距，更有利于桩 顶侧移的控制。为此，本文利用ABAOUS有限元模拟分析了单侧施加预应力矩 形支护桩的受力和变形特性。 与全部纵筋施加预应力不一样的是，单侧施加预应力产生反向侧移，考虑到 实际工程的可行性，不对称预应力的施加一般采用后张法，即在沉桩完成后再对 预留的预应力筋施加预应力。 本次模拟主要是对比配筋相同的情况下单侧钢筋施加预应力桩和双侧钢 施加预应力的侧移。考虑到后张法实际施加预应力的可行性，一般把这种支护

第4章矩形支护桩有限元计算及影响因素分析

4.3.2模拟结果分析

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第4章矩形支护桩有限元计算及影响因素分析

可以看出，在此开挖工况下，相比双侧施加预应力矩形桩，单侧施加预应力 矩形桩更有利于基坑水平侧移控制，

本章利用在工程实例基础上建立的支护结构ABAQUS模型，分析矩形支护 旺在不同混凝土有效预压应力、不同开挖深度、不同支护形式（悬臂支护、带支 撑支护）及单侧施加预应力的受力特性和变形特点。 具体结论如下： （1）身受力处于弹性阶段时，增加桩身混凝土有效预压应力，并未增加 桩身抗弯刚度，因此桩顶侧移不会减小。此时，合适的配筋率使桩身具有足够抗 裂弯矩，配筋率过高无助于控制桩身侧移，生产中可以在同一截面尺寸中布置 3到5个等级的配筋率，从而方便选用，避免造成不必要的浪费； （2）桩身受力处于带裂缝阶段时，增加桩身混凝土有效预压应力，增加了 开裂弯矩，使得桩较晚进入带裂缝阶段，桩身保持较大抗弯刚度，变形较小； （3）悬臂基坑支护中，预应力矩形桩在带裂缝阶段刚度退化较快，实际基

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坑工程中应保证预应力矩形桩处在弹性工作阶段；但，当开挖深度较大时，预应 力矩形桩作为悬臂支护结构往往不能满足基坑变形要求； （4）等刚度下，当桩身所受弯矩值大于灌注桩开裂弯矩值时，一般情况下， 正常施加预应力的矩形桩（如：桩Y8）更有利于对桩体水平位移的控制。但应 注意由于预应力矩形桩使用的是高强混凝土，延性较差，在桩身进入带裂缝阶段 后桩身刚度下降较快； （5）预应力矩形桩用于带支撑基坑支护中能明显改善桩身侧移，也有利于 预应力矩形桩良好的抗弯性能得到充足发挥； （6）单侧施加预应力的矩形桩，钢筋的不对称应力对桩体作用产生反向变 形，使得在一定开挖荷载作用下，桩顶侧移小于对称施加预应力的矩形桩，

本文首先通过理论计算、试验及数值模拟分析了预应力矩形桩构件的抗弯和 变形特点，然后结合具体工程实例比较分析了预应力矩形支护桩的优势，最后利 用ABAQUS模型，分析矩形支护桩在不同混凝土有效预压应力、不同开挖深度、 不同支护形式（悬臂支护、带支撑支护）及单侧施加预应力的受力特性和变形特 点。主要结论如下： （1）预应力空心矩形桩构件试验证明试件的力学指标高于理论值，偏于安 全，用于工程是可靠的： （2）在实际生产工艺充许的内径范围内，内径的变化对预应力空心矩形 抗弯能力影响很小；长边布筋和短边布筋桩身开裂弯矩基本上是一样的，但短边 布筋使得桩身极限弯矩值相比长边布筋增加15%左右；预应力筋直径的增加对桩 身开裂弯矩和极限弯矩都有大幅度提高： （3）预应力矩形桩受力状态分为弹性阶段和带裂缝阶段：在弹性阶段时， 增加桩身混凝土有效预压应力，并不能增加桩身抗弯刚度；在带裂缝阶段时，混 疑土有效预压应力越大，刚度越大。但值得注意的是，预应力的施加并不能直接 增加桩身刚度，而是通过增加桩身抗裂弯矩，延缓裂缝的出现与开展，使得桩身 在承受比较大的弯矩时仍能维持在较大刚度值； （4）预应力矩形桩桩身截面面积相同情况下，预应力有更大的抗弯刚度和 抗弯承载力；相同设计弯矩情况下，预应力矩形桩大幅度降低了原材料用量；相 司刚度条件下，当桩身所受弯矩值大于灌注桩开裂弯矩值时，一般情况下，正常 施加预应力的矩形桩（如：桩Y8）更有利于对桩体水平位移的控制； （5）预应力空心矩形桩采用的高强混凝延性较差，使得在开装裂后体刚 度相对普通混凝土灌注桩下降较快。 （6）预应力矩形桩在支护结构中，桩身受力处于弹性阶段时，增加桩身混 疑土有效预压应力，并未增加桩身抗弯刚度，因此桩顶侧移不会减小。此时，合 适的配筋率使桩身具有足够抗裂弯矩，配筋率过高无助于控制桩身侧移，生产中 可以在桩同一截面尺寸中布置3到5个等级的配筋率，从而方便选用，避免造成 不必要的浪费：

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（7）预应力矩形桩在悬臂基坑支护中，预应力矩形桩在带裂缝阶段刚度退 化较快，当开挖深度较大时，预应力矩形桩作为悬臂支护结构往往不能满足基坑 变形要求；而预应力矩形桩用于带支撑基坑支护中能明显改善桩身侧移，也有利 于预应力矩形桩良好的抗弯性能得到充足发挥； （8）单侧施加预应力的矩形桩，钢筋的不对称应力对桩体作用产生反向变 形，使得在一定开挖荷载作用下，桩顶侧移小于对称施加预应力的矩形桩。

预应力矩形桩具有良好的抗弯性能，其桩身施加的预应力很好的提高了桩身 的抗裂能力，具有良好的应用前景，在许多方面仍有研究价值。但由于问题本身 的复杂性以及个人能力、时间等客观因素的影响，本人认为还有以下方向可以继 续研究： （1）随着基坑开挖深度的增加，单排桩很难满足变形及承载力要求，可以 进一步研究双排预应力矩形支护桩的受力、变形特性和破坏模式； （2）可以研究预应力矩形桩和其它支护桩混合使用的特性； （3）可以研究空心矩形桩中不同空心形式的桩受力和变形特性，如工字形、 八角形、十字形等等； （4）可以研究一些基于预应力矩形桩的新型桩型如：搅拌桩内插矩形支护 桩、高宽比较大的矩形桩

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DB35／T 1840-2019 闽江干流航道维护技术规程天津大学硕士学位论文

参与的科研项目： [1]复试配筋桩抗震性能试验， [2]预应力矩形桩抗弯试验

发表论文和参加科研情况说明

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时光飞逝，一转眼，研究生生活即将画上句号，在此我思绪万千。 本文工作是在恩师刘畅副教授的悉心指导下完成的。刘畅老师渊博的学术知 识、科学的工作方法、严谨的治学态度和丰富的工程经验给了我极大的帮助与支 特，同时也深深地影响并改变着我，将使我受益终生。在此，衷心感谢两年半以 来刘畅老师在学习、科研和生活中给予的深切关心及指导，谨向刘老师致以最崇 高的敬意和最诚挚的感谢！ 感谢刘永超老师及天津建城基业集团等在现场预应力矩形桩试验期间给予 的支持和帮助，使得试验顺利进行。在此期间我学会了好多，进步颇大。同时感 谢刁钰等学院其他老师在科研上的悉心指导。 两年半的科研与生活，课题组的给予方方面面、无处不在，最美好的遇见大 抵即是如此。在此，深切感谢刘彦坡师兄、郭德强师兄、孙亚楠师姐对我在科研 上的指导：感谢与同胡秋斌、刘涛，师第郭悦、范钦师、冯长栋、查翔、刘宗 鑫，师妹李凡凡、李珺、李明娟一起学习、交流、共同攻克难题的美好时光；感 谢课题时所有同学在学习、生活及工作中给予的支持、帮助、包容、鼓励、肯定、 及陪伴！ 感谢我的父母，感谢他们这么多年来的辛勤付出，感谢父母对我学习、生活 上的支持和鼓励！ 感谢天津大学特别是建工学院在研究生阶段之于我的培养及教育，学生定将 踏实做人、踏实做事，精致地实现生命的价值 最后，感谢在百忙之中评审论文和出席论文答辩的各位专家教授的指导！

NB／T 35089-2016 水轮机筒形阀技术规范徐勇 2017年11月于北洋园

2017年11月于北洋园