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有限土体对排桩支护结构土压力的影响及精准计算研究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着城市化进程的加速，各类地下工程如高层建筑地下室、地铁车站、地下商场等的建设规模和数量不断增加，深基坑工程在其中扮演着关键角色。在深基坑工程中，排桩支护结构作为一种常用的支护形式，因其具有良好的挡土性能、较高的承载能力以及对不同地质条件和施工环境的广泛适应性，被广泛应用于各类工程项目中。

在实际工程中，排桩支护结构往往会受到有限土体的影响。有限土体是指在基坑周边，由于场地条件限制、相邻建筑物或地下障碍物等因素，使得排桩后土体的范围受到限制的情况。这种有限土体条件与传统土压力理论中假设的无限土体条件存在显著差异，会导致作用在排桩上的土压力分布和大小发生变化。例如，当有限土体宽度较小时，土体的滑动模式和破坏机制会与无限土体情况不同，从而影响土压力的计算。

经典土压力理论如朗肯土压力理论和库伦土压力理论，是基于假设土体为半无限空间体且墙背光滑、直立等理想条件下推导出来的。然而，在有限土体条件下，这些理论无法准确考虑土体边界条件的变化、土体与排桩之间的相互作用以及土体的局部破坏模式等因素，导致计算得到的土压力与实际情况存在较大偏差。在某些临近建筑物的基坑工程中，按照经典土压力理论设计的排桩支护结构，在施工过程中出现了较大的变形甚至失稳现象，这表明经典土压力理论在有限土体情况下的局限性。

深入研究考虑有限土体影响的排桩支护结构土压力具有重要的理论和实际意义。在理论方面，有助于完善土压力理论体系，深化对桩土相互作用机理的认识，填补有限土体条件下土压力理论研究的空白。通过对有限土体土压力的研究，可以揭示土体在受限条件下的力学行为和变形规律，为土力学理论的发展提供新的思路和方法。在实际工程应用中，准确计算有限土体条件下作用在排桩上的土压力，能够为排桩支护结构的优化设计提供更可靠的依据，提高支护结构的安全性和经济性。合理的土压力计算可以避免因土压力估计不准确而导致的支护结构设计过度保守或不安全的情况，从而降低工程成本，保障工程的顺利进行。准确的土压力计算还可以为施工过程中的监测和控制提供参考，及时发现和解决潜在的工程问题，确保基坑工程的安全稳定。

1.2国内外研究现状

土压力理论的发展经历了漫长的过程，许多学者进行了深入研究。1773年，库伦（Coulomb）基于滑动楔体理论提出了库伦土压力理论，该理论通过分析滑动土楔的静力平衡条件来求解土压力，适用于填土为无黏性土且墙背粗糙的情况。1857年，朗肯（Rankine）从土体的极限平衡状态出发，假设墙背光滑、直立，推导出了朗肯土压力理论，该理论在工程中应用广泛。这两种经典土压力理论为后续的研究奠定了基础，但它们都是基于半无限土体的假设，在实际工程中，尤其是存在有限土体的情况下，其计算结果与实际情况存在偏差。

在国外，一些学者对有限土体条件下的土压力进行了研究。TerzaghiK.通过大量的试验研究，分析了有限土体中土压力的分布规律，指出有限土体的边界条件对土压力有显著影响。他的研究成果为后续的研究提供了重要的参考。PeckRB对不同土体条件下的土压力进行了分析，提出了考虑土体变形的土压力计算方法，在一定程度上考虑了有限土体的影响。但这些研究仍存在一定的局限性，未能全面考虑有限土体的复杂特性。

在国内，随着基坑工程的不断发展，对有限土体土压力的研究也日益受到重视。学者们通过理论分析、数值模拟和现场试验等方法，对有限土体条件下排桩支护结构的土压力进行了多方面的研究。马超通过ANSYS的APDL命令流建立排桩支护系统仿真模型，研究发现支护桩后土体宽度对桩后土压力大小有明显影响，并定义了土柱问题的影响范围。周健等人基于极限平衡理论，考虑有限土体的边界条件，推导了有限土体主动土压力的计算公式，但该公式在某些复杂工况下的适用性还有待进一步验证。刘华北等学者通过现场监测和数值模拟，研究了临近建筑物的基坑工程中有限土体土压力的分布规律，分析了土体参数、桩土相互作用等因素对土压力的影响，但对于一些特殊地质条件下的有限土体土压力研究还不够深入。

目前关于有限土体条件下排桩支护结构土压力的研究虽然取得了一定的成果，但仍存在一些不足。在理论研究方面，现有的计算公式大多基于一定的假设条件，难以全面准确地反映复杂的实际工程情况，尤其是在考虑土体的非线性特性、桩土之间的复杂相互作用以及多种因素耦合影响时，理论模型的精度有待提高。在数值模拟方面，虽然有限元等数值方法得到了广泛应用，但土体本构模型的选择、参数的确定以及边界条件的处理等仍存在一定的主观性和不确定性，导致模拟结果与实际情况可能存在偏差。在现场试验方面，由于受到场地条件、试验成本等因素的限制，试验数据的数量和种类相对有限，难以全面验证理论和数值模拟的结果。