深基坑桩锚支护结构的优化设计与模拟分析

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1、深基坑桩锚支护结构的优化设计与模拟分析1绪论1.1深基坑工程发展概述近年来，随着国家经济的快速发展，我国兴建大量的高层建筑，为了节约土地资源，保护城市的周边环境，实现经济和环境的可持续发展，在城市土地可利用面积越来越少的情况下，城市建筑逐步由地上二维向地下三维的趋势发展，建筑行业向着高层次、大深度的方向发展，从而产生了大量的深基坑工程。基坑是指房屋建筑、市政工程或地下建筑物等施工时需要开挖的地坑，一般深于5m的基坑或者开挖深度不超过5m，但由于基坑土质较差、受周围建筑影响不能按要求放坡或其他原因需要对基坑进行特殊处

2、理的称之为深基坑。随着基坑深度的增大，深基坑开挖对周围环境的影响愈加严重，由于高层建筑或地铁的深基坑工程都是在城市中进行，场地限制绝大部分基坑不能采用放坡开挖施工；另外，深基坑周围通常是交通要道，一旦失事就会造成生命和财产的重大损失。基坑工程事故发生率较高，有的城市基坑工程发生事故的竟占基坑事故总数的1/3[1,2]，其中因设计不当造成的事故占总事故的的45%，因此必须对深基坑的支护措施进行深入研究，以确保支护措施能够有效的保持基坑侧壁稳定。近几十年来，我国在基坑支护结构的形式和施工技术有了很大的创新和改进，推动了

3、我国岩土工程理论的快速发展。深基坑工程是一项综合性很强的系统工程，包括土方开挖和围护结构的设计与施工，涉及基坑止降水技术和基坑监测技术。深基坑工程属于临时性工程，具有区域性和时空效应，施工难度大，造价高和风险大等特点[3,4]。20多年来，我国基坑工程设计理念和方法的演进有了很大进步[5]，深基坑设计理念由强度控制与稳定性分析发展为变形控制，在实际施工过程中要加强设计与施工的紧密结合[6]。........1.2桩锚支护结构的发展现状桩锚支护结构是目前深基坑工程中应用最广泛的一种支护型式，考虑到中国的国情，桩锚支护

4、技术在我国的发展和应用具有很大的优势。在实际工程中，基坑工程技术一直处于理论落后于工程实践的状态中，对桩锚支护理论的研究具有一定的现实意义，许多国内外学者进行了深入的研究。杨学祥、张瑜[19]采用弹性地基梁法和经典土压力法计算支护桩的内力，研究分析弹性地基梁法考虑了支护结构与土的变形协调，较好的模拟了桩土之间的作用，比经典土压力法更加符合实际情况，可为桩锚支护结构的计算提供依据。K.Johnson[20]对深基坑土体的加载与变形进行了数值模拟。李柏生、张浩龙[21]等人对具体的工程实例研究分析，坑顶荷载的大小与作用

5、区间对锚杆轴力和支护桩内力影响显著，锚固段长度与支护桩的嵌入深度相互影响，预应力对支护桩桩顶位移控制明显。姜晨光[22]对某工程工程监测数据进行整理，总结出桩锚支护结构最大变形的估计公式，并运用理论知识对最大变形与工程要素之间的关系进行了阐述。欧吉青[23]根据桩锚支护体系的三种设计方法对深基坑桩锚支护体系的进行内力计算，计算结果分析表明：三维有限元计算相比其他两种方法更符合实际情况，取得了较好的效果。吴文、徐松林[24]等人对武汉某科技大楼深基坑桩锚支护结构进行研究，发现对桩锚结构的受力和变形起关键作用的是土层锚

6、杆。王启云[25]以衡阳市某基坑支护结构为研究对象，对支护结构在不同开挖工况下的内力和位移采用m法和三维有限元两种方法进行计算。Barley[26]和IDAS/GTS有限元简介.........294.2有限元模型的建立.......294.3初始应力场的模拟.......304.4施工过程的模拟.....314.5模拟计算结果与分析.........314.6数值模拟与实测数据的对比.........365桩锚支护结构的细部参数分析....385.1引言......385.2优化后的支护方案.......425.

7、3原方案与优化后方案的对比.........455.4经济效益的对比.....465.5本章小结....475桩锚支护结构的细部参数分析5.1引言桩锚支护结构的设计是一项复杂的工作，每个细部因素之间又是相互紧密联系的。要想使结构的安全性更高，造价低，需要将各个因素之间进行相互联系的考虑。5.1.1桩径的优化在桩锚支护结构中，桩径的大小影响着基坑的稳定性和经济性。当桩径过小时，桩体刚度不够，会在桩身发生断裂破坏，造成支护结构的强度破坏，导致基坑失稳；当桩径过大，会造成施工困难，桩体费用过高。下面对桩径为0.4m、0.

8、6m（原方案）、0.8m、1.0m进行模拟计算，如下图5.1所示。从图5.1可以看出，0.4m桩径时，基坑的水平位移最大，其原因是桩体桩径过小即桩体刚度不够，所以位移较大，基坑稳定性差。0.8m和1.0m桩径与0.6m桩径相比，水平位移有所减小，但0.8m桩径和1.0m桩径相比，位移相差不大。由此可以说明，增大桩径可以减小基坑的水平位移，但增大到一定程度时，