深基坑桩锚支护结构考虑开挖过程的计算分析方法a

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1、深基坑桩锚支护结构考虑开挖过程的计算分析方法[摘　要]按弹性杆系有限元法模拟具有多层锚杆的桩锚支护结构体系施工开挖支护过程，通过工程算例，与不考虑开挖过程的计算方法进行了比较，计算分析结果表明，不考虑开挖过程的设计方法是不安全的。[关键词]深基坑,桩锚支护，开挖过程，杆系有限元1引言随着高层建筑和市政工程的迅速发展,深基坑开挖工程越来越多,其规模和深度越来越大。深基坑开挖支护中的桩锚支护结构体系由于可以提供较大的开挖面，适应性强，而且造价较低，因而使用较广。桩锚支护结构是由钢筋混凝土支护排桩、锚杆支撑、土共同组成的，其受力和变形与开挖过程和

2、锚杆支撑方式密切相关。桩锚支护结构中的锚杆支撑，是在基坑开挖到一定深度时才实施的，实际上在锚杆设置之前，该点处的挡土排桩已经产生了很大的变形和内力。因此，桩锚支护结构的设计，必须符合这一施工工况。弹性杆系有限元法可以考虑开挖过程对锚杆支撑和结构的影响,比较接近实际，因而较实用。本文用弹性杆系有限元法模拟实际的施工开挖过程，分析桩锚支护结构的内力及变形的发展过程，通过工程算例，与不考虑开挖过程的计算方法对比。2弹性杆系有限元法计算模型如图1所示,假设基坑底面以上结构为梁单元，基坑底面以下的挡土结构为弹性地基梁单元，锚杆为弹性支承单元，桩的挡土

3、侧作用有主动土压力、水压力、地面超载。弹性杆系有限元法首先是将桩离散化,将挡土结构沿竖向划分成有限个单元，一般每隔0.5m～1.0m划分一个单元，挡土排桩截面、荷载突变处、土层变化处、锚杆的作用点处，均作结点处理。图1　弹性杆系有限元法计算模型图2　梁单元计算简图单元离散化以后，需要确定每个单元的刚度矩阵，如图2所示，单元所受荷载和单元结点位移之间的关系，以单元的刚度矩阵来确定，即{F}e={K}e{δ}e（1）式中{F}e——单元结点力{K}e——单元刚度矩阵{δ}e——单元结点位移桩锚支护结构，可以按平面问题考虑[3]。对于梁单元，每个

4、结点有三个自由度，（u、v、φ）,取梁轴线为x轴，则梁单元所受荷载和单元结点位移之间的关系表达式如下：XiA/I对uiYi012/l2viMi06/l4称φi（2）Xj=EI/l-A/I00A/IujYj0-12/l2-6/l012/l2vjMj06/l20-6/l4φj式中：Xi、Xj——结点i、j轴向力；Yi、Yj——结点i、j剪力；Mi、Mj——结点i、j弯矩；ui、uj——结点i、j轴向位移；vi、vj——结点i、j横向位移；φi、φj——结点i、j转角；E——混凝土排桩材料弹性模量；I——混凝土排桩截面惯性矩；A——混凝土排桩截面

5、面积；l——单元长度。在对结构各单元的分析完成后，将单元分析的结果进行整合，形成整体刚度矩阵{K}。对于支撑锚杆和弹性地基梁的刚度系数，在支撑结点和弹性地基梁单元的每一个结点处，设置一附加弹性支承杆件，支撑锚杆的刚度设为kT，弹性地基梁支承刚度为kS，在整体刚度矩阵{K}形成后，将上述刚度系数值叠加到整体刚度矩阵{K}的相应位置上。根据静力平衡条件，作用在结构结点的外荷载与结构内力相平衡，列出基本平衡方程{K}{δ}={R}（3）{K}——整体刚度矩阵{δ}——位移矩阵{R}——荷载矩阵2考虑开挖过程的分析不考虑开挖过程的计算分析,是假定锚

6、杆支撑在开挖前就已存在,也就是不考虑结构受力和变形与开挖过程的关系。实际上,桩锚支护结构的内力和变形是随开挖过程而变化的。混凝土排桩施工完成后，开始基坑开挖和施工预应力锚杆（索），但在锚杆支撑完成前，支撑点处结构已经发生了位移，这时应对锚杆支承处的位移进行修正。对设有多道锚杆支撑的支护结构，杆系有限元法的分析步骤如下：1）第一步开挖施工，开挖至第一道锚杆支撑位以下A处，如图3a，支撑尚未设置，此时预设第一道锚杆处支护桩已产生水平位移δ10，支护桩有相应的位移、弯矩、剪力；施工第一道锚杆,如图3b，锚杆水平刚度为KT1，施加预应力N1/，使支

7、护桩产生反向水平位移δ1/（如果不施加预应力，可不考虑该工况的影响），得到相应的内力图。图3a图3b将图3a和图3b叠加，得第一道锚杆施工完成后的位移和内力图，而锚杆支撑位置处的位移修正值δ1=δ10+δ1/，如图3c。图3c图3d2）第二步开挖施工，开挖至第二道锚杆支撑位以下B处，此时第一道锚杆已参与结构共同工作，第二道锚杆尚未设置，而预设第二道锚杆处已在产生水平位移δ20，计算简图和结果如图3d；施工第二道锚杆，如图3e，锚杆水平刚度为KT2，施加预应力N2/，使支护桩产生反向水平位移δ2/（如果不施加预应力，可不考虑此工况的影响），得

8、到相应内力。将图3d和图3e叠加，得第二道锚杆施工完成后的位移和内力图，而锚杆支撑位置处的位移修正值δ2=δ20+δ2/，如图3f。图3e图3f3）继续下一步开挖施工，如图3g，