土钉支护基坑工程的弹性变形分析

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1、土钉支护基坑工程的弹性变形分析2002年第2期防护工程防护工程学会主办土钉支护基坑工程的弹性变形分析翟金明邓文利2(1总参工程兵科研三所,洛阳4710~;2洛阳人造板厂,洛阳47l000)提要土方开挖引起的土体侧向约束条件变化和土中应力条件变化,是土钉支护基坑工程产生变形的主要原因.本文通过对土方开挖和基坑支护过程中土体应力应变关系和土体应力应变状态变化的分析,讨论土方开挖过程中基坑变形的规律,分析土质物理力学性能,基坑开挖深度等因素对均质土基坑变形的影响,提出控制土钉支护结构变形的工程措施.关键

2、词土钉支护,基坑,变形,应力应变关系1概述高层建筑深基坑施工,随着土方开挖深度的增加,基坑土体及支护结构的变形随之增大,变形量依土层的物理力学性能,基坑开挖深度和支护结构形式不同而有所不同.一般地,只要不构成支护结构破坏,这种变形不会影响基坑安全.然而基坑周边的环境(包括上部建筑物,道路,桥梁及各种地下管线)对变形的适应能力往往很差,其承受变形的数值与基坑变形量并不一致.当基坑变形对环境和结构影响小于允许限值时,产生的弹性变形仅仅引起结构内力的调整.当基坑变形增长到超过环境和结构允许限值时,将会造

3、成结构的损坏,如道路下沉,管线断裂,地面建筑开裂.基坑施工变形控制的目的,就是要求满足基坑周边环境和上部结构正常使用的变形条件.因此,基坑支护设计在进行承载能力极限状态设计计算的基础上,还应考虑正常使用极限状态的校核.国外许多工程实测结果表明l1J,随着基坑开挖,支护面的位移沿高度大体呈线性变化.支护的最大水平位移一般不大于坑深或支护高度的O.3%,法国实测数据为O.1%一O.3%,美国为o.07%～o.3%,德国o,25%o,3%.国内工程实践证明,软土地区土钉支护的最大变形通常超过这一数值.基

4、坑支护设计一般通过极限平衡分析,稳定性验算,给出基坑支护施工参数,基坑变形通常是按照各种规范,规程的有关规定和工程经验,给出变形的控制量值,这些数值是为了满足环境条件而提出的目标值,与实际施工中基抗的变形有时相差很大.因此,研究基坑实际可能产生的变形,使之控制在施工允许的范围之内,是基坑支护设计施工的目标之一.2基坑开挖引起的土中应力条件变化收稿日期:2002—01一o4?90?防护工程2002血2.1基本假定土方开挖过程中始终处于稳定状态的基坑,变形是随着基坑开挖深度的增加逐步增大的.分析采用如

5、下基本假定:1.土钉支护设计满足稳定性要求,施工中基坑元失稳,无滑移:2.开挖过程中,土钉与土体之间的相对位移较小,可以忽略;3.土方分层开挖时间短,基坑支护前后土体均处于弹性工作状态.2.2土中应力条件变化[2】一般情况下,初始应力状态下的土体处于弹性工作阶段.基坑开挖前,地表下深度为日的某点应力为rO"1=711{2=Ko7H【3=2式中:Ko作为土的一个力学指标表示天然沉积土的静止侧压力系数,对任一特定土体,是一个常数.三向应力条件下的主应变公式为e.=告[.一(+,)]e=[一(,+.)]

6、e,=吉[,一(.+)](2a)(2b)(2c)(1a)(1b)(1c)琵HO11.3图1土的天然应力状态式中:E,分别为土的弹性模量及泊松比.基坑开挖后,由于侧限的取消导致土体应力释放,最小主应力减小,土中应力为,,,主应变公式为:[一(+)]lLl一2+3Je,2=[一//(0"1+)]e:[一(+)]3L3一l+2J同时满足如下条件10"2e2E:2(1c),(2b),(3b),(4a)代人(4b)得到0"2=(1一)3+(5)式代人(3)整理得e=吉[l一(1一)3一(1+))](3a)(

7、3b)(3e)(4a)(4b)(4)(6a)第2期翟金明等:土钉支护基坑工程的弹性变形分析.91.(6)一(2)得到￡=1[(1一)￡一l一(1一)仃3)](6b)△￡-=(1+)(仃3一)△￡3=一1(1+)(仃3一￡)3最小主应力变化对基坑的影响(7a)(7b)当土中应力条件达到土的破坏条件时,土体就发生破坏,这是强度条件.地基中任意点达到强度极限,土体处于"极限平衡"状态时,破坏面平面上剪应力等于土的抗剪强度,土体侧压力即为主动土压力,即P.=仃ltg2(-~一詈)一2ctg(9一詈):kJ

8、H一2c(8)随着开挖卸载,仃3减小土体很快达到极限平衡状态,此时最小主应力下降为主动土压力尸d,即=Pa,仃3减小值为0"3—0"3=后l一2c√后.一后l=(ka—k.)仃l一2c√后.△盯3=一【(k.一k.)O"1—2c√后.J(9)对于接近于零的粘性土,土体达到极限平衡时,侧压力下降值为2c;对于c:0的砂性土,侧压力下降值为(k.一k.)7H.这说明物理力学性能较好的土体或通过工程措施使物理力学参数(c,y)得到改善的土体,最小主应力下降较大时,土体仍能处于弹性工作状态