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深基坑桩锚支护三种计算方法分析与监测对比
RSS 打印 复制链接 发布时间:2016-07-30 11:50:41
摘 要:以北京市某深基坑支护工程为背景,通过三种多层支撑结构常用分析方法,进行计算设计,结合该深基坑支护工程监测数据,证明逐层开挖支撑力不变法对本工程的适应性,该基坑采用这种桩锚支护方案,总体可行,研究结果为北京地区的深基坑设计与施工提供参考。 
关键词:桩锚支护 等值梁法 逐层开挖支撑力不变法 监测 
  近年来城市的地下空间开发和高层建筑的建设,我国的深基坑工程日益增多,随着基坑越来越深,为了减少支护桩的弯矩可以设置多层支护,支护层数及位置要根据土质、坑深、支撑结构的材料强度,以及施工要求等因素拟定。目前对多支撑支护结构的计算方法很多,一般有等值梁法;支撑荷载的1/2分担法,逐层开挖支撑力不变等。但是对哪种方法更适用于工程设计,大家尚未得出定论。对于深基坑支护结构,若设计时选择的计算方法错误,导致支护位移过大,则有可能导致坑周土体产生较大沉降、近邻房屋及城市道路沉陷开裂、地下管网破坏等病害而造成严重后果。因此,研究支护结构设计时采用何种计算方法具有重要的工程指导意义。 
  1 分析方法 
  1.1 等值梁法 
  等值梁法的基本原理是假定墙后土体完全处于郎肯主动状态,坑底以下墙前土体处于郎肯被动状态,将主动和被动土压力叠加后为零的点或弯矩为零的点简化为铰支座,并以支撑点作为支座,按连续梁求解墙体的弯矩和支承点的反力。 
  其计算步骤如下: 
  (1)按照土的参数计算土压力系数。根据桩长和场地土强度指标的加权平均值,从而计算被动和被动土压力系数。其中被动土压力系数可按照下式计算: 
  式中:KP为被动土压力系数, 为土的内摩擦角系数,为桩土间的摩擦角,为至 。 
  (2)计算土压力为零点至基坑地面的距离: 
  (3)分段计算梁的固端弯矩。对于多层支撑挡土墙,采用“分段等值梁叠加法”进行计算。 
  (4)弯矩分配。采用弯矩分配法来平衡支点弯矩,从而可求得最大弯矩。 
  (5)支点反力计算。分段计算各支点的反力,并核算反力与荷载是否相等。 
  (6)围护桩的嵌固深度。入砂卵层则可不乘安全系数。根据下式可计算桩的嵌固深度: 
  (7)进行土压力及地面荷载与支点反力的核算。 
  1.2 逐层开挖支撑力不变法 
  逐层开挖支撑力不变法计算方法是根据实际施工情况,按每层支撑受力后不因下阶段的施工而改变数值的假定进行的(多于三次支撑的工程相同),即: 
  (1)每层支撑受力后不因下阶段施工而改变数值,对于锚杆施加预应力。 
  (2)设置第一层支撑后,第二层开挖时其变形很小,认为不再变化,第二层支撑设置后开挖第三层土方,认为第二层支撑变形不再变化。 
  (3)第一层支撑阶段,挖土深度满足第二层支撑施工的要求,第二层支撑时,挖土深度满足第三层支撑施工的需要。
  (4)每层支撑安装后,其支点计算时可按简支考虑。 
  (5)逐层开挖支撑时都须考虑基坑下零弯点距离,入砂卵层则可不乘安全系数。 
  1.3 支撑荷载的1/2分担法 
  当作用在设有支撑的支挡结构后主动土压力,按太沙基和泼克假定的包络图采用时,支挡或拉杆的内力及其在墙中弯矩的计算,可按以下经验方法进行:即简单地认为每道支撑或拉杆所受的力是相当于相邻两个半跨的土压力荷载值。 
  2 工程概况 
  工程位于北京市东城区,该项目总用地规模为6 000m2,总建筑面积14 970 m2。建筑层数地下三层,地上一层;结构形式为框架剪力墙结构,��000以上为钢结构,基础为钢筋混凝土阀板基础及局部桩基础。根据设计提供的资料:某基坑实际开挖深度15.30m。 
  本工程地理位置特殊,周边邻近居民区、市政路,尤其邻近名胜古迹及旅游景区,东南面均有地下空间、现状住宅及现状商业。基坑支护采用桩锚支护体系,围护桩冠梁顶部设置组合柱砖墙。围护桩直径800mm,桩间距1500mm,桩身材料为C25砼。为确保施工安全,工程施工时共分五步开挖,分别于开挖处3m,6m,10m,13m处共设置4道预应力锚杆。 
  根据岩土工程勘察报告,场地土自上而下依次为:(1)素填土;(2)细砂;(3)粘土;(4)粉土;(5)粘土;(6)细砂;(7)圆砾;(8)细砂。表1列出了场地土的物理力学性质指标。 
  3 计算分析及监测结果 
  3.1 计算结果及分析 
  计算分析过程中采用摩尔-库伦本构模型,地面超载设为20kPa,由于基坑开挖预先采用降水措施,计算中不考虑地下水影响。根据工程土体计算参数,分别采用等值梁法、逐层开挖支撑力不变法和支撑荷载的1/2分担法对桩锚支护结构体系进行受力分析,表2列出了3种方法的计算结果。 
  3种方法的计算结果表明:支撑荷载的1/2分担法与等值梁法求得的水平力相差无几,求得的第一道锚杆处支撑力较小,与逐层开挖支撑力不变法计算结果相差较大。经分析,逐层开挖支撑力不变法计算时,求解第一道锚杆处水平力时,除计算悬臂状态外,还开挖至第二道锚杆下一段深度,此时的土压力也由第一道锚杆处水平力承受,这种整体采用先开挖至打锚杆处下一定深度,再布置锚杆的方法,比较符合实际施工状况。其他两种方法不能反映这一情况,三种方法计算的围护桩嵌固深度等值梁法与逐层开挖支撑力不变法较为一致,支撑荷载的1/2分担法与前两种方法相差较大,原因应该为支撑荷载的1/2分担法计算桩的嵌固深度时,采用方法仅是根据基底下被动土压力值与基底下主动土压力相等,脱离了整体,导致计算结果较小。 
  3.2 监测结果 
  工程实际施工时,围护桩嵌固深度为5m,施加预应力时,采用逐层开挖支撑力不变法计算支撑力,施加锚杆预应力为200KN,150KN,300KN,250KN,并对实际工程的桩顶位移进行了监测。其中,P13监测点与P14监测点于09月14日开始监测,监测点布置情况如图1所示,整个监测前后历时约230天。 
  (a) 基坑平面 
  (b) 排桩立面 
  4 结论 
  通过对桩锚支护的工程进行分析与监测得出以下结论: 
  (1)根据等值梁法、逐层开挖支撑力不变法和支撑荷载的1/2分担法对支护结构的计算结果,逐层开挖支撑不变法的计算结果比较符合实际施工状况。 
  (2)逐层开挖支撑力不变法的计算结果对本工程的支护设计具有指导意义,通过监测数据,该基坑采取计算值进行支护,整体处于稳定,方案总体可行。 
  (3)进行基坑施工设计时,针对平面开挖面积较大的工程,应对围护桩的长度进行控制,避免造成桩体不必要的浪费。 
  参考文献: 
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  [2] 吴湘兴.建筑地基基础[M].广州:华南理工大学出版社,1997:379-382. 
  [3] 张璞,柳荣华.SMW工法在深基坑工程中的应用[J].岩石力学与工程学报,2000,19(增). 
  [4] 陈忠汉.深基坑工程[M].北京:机械工业出版社,1999:87. 
  [5] 张洪彬,安关峰,刘添俊.某桩锚支护基坑的设计计算及监测[J].土工基础,2011(03). 
  [6] 张俊,朱浮声,王助,等.沈阳某超深基坑支护系统监测分析[J].东北大学学报(自然科学版),2010(03).
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