深基坑桩锚支护结构变形和内力分析方法探讨

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第31卷第3期重庆大学学报Vol.31No.32008年3月JournalofChongqingUniversityMar.2008文章编号:10002582X(2008)0320344205深基坑桩锚支护结构变形和内力分析方法探讨严薇,曾友谊,王维说(重庆大学土木工程学院,重庆400030)摘要:利用弹性地基梁法和有限差分法,分别计算桩锚支护体系在深基坑开挖过程中支护结构的变形和内力,并与实测数据对比分析后发现:两种设计分析模型由于选型差异和对实际桩土作用模拟的情况不同,分析结果与实测结果间存在程度不同的差异,其中弹性地基梁法在支护结构水平位移分析中误差较大,在以强度控制为主的设计情况下使用较妥;有限差分法能更真实地反映桩锚支护结构在深基坑开挖过程中土体与支护结构的变形及内力变化,但计算模型复杂。关键词:桩锚支护;弹性地基梁法;有限差分法中图分类号:TU473文献标志码:AAnalyticMethodDiscussiononDeformationandInnerForceofthePile2anchorStructureofDeepExcavationUnderConstructionYANWei,ZENGYou2yi,WANGWei2shuo(CollegeofCivilEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400030,P.R.China)Abstract:Wehavecalculatedthedeformationandinnerforcesofthepile2anchorstructurebasedonthemodelofbeamonelasticandfinitedifferencemethodrespectively.Bycomparingthecalculatedresultswiththemeasuredvalues,twoanalyticmodelsshowdramaticdiscrepancyfromtherealvaluesduetotheselectionandthesimulationofthesoil2pileaction.Theerrorofthemodelofbeamonelasticisobviousasitisuseinanalysisofhorizontaldis2placementofthesupportingstructure,whichisthussuitableforassessmentofthedesignsmainlycontrolledbystrength.Thefinitedifferencemethodcanreflectthechangeofthedeformationandinnerforcesofthepile2anchorstructureofdeepexcavation,althoughitscalculationmodeliscomplicated.Keywords:pile2anchorstructure;modelofbeamonelastic;finitedifferencemethod随着城市化建设进程的加速及施工技术的不断点,以最大限度地防止安全事故的发生。笔者依据发展,桩锚支护体系作为一种重要的支护方式被引工程实例,分别采用弹性地基梁法和有限差分法对入到深基坑支护体系中,由于深基坑施工的特殊性,桩锚支护体系在深基坑开挖过程中土体与支护结构使其施工过程中的安全问题日益突出,而施工阶段的变形及内力变化进行分析,同时与实测数据进行支护结构的变形和内力变化直接影响工程施工的安比较,对其在施工安全预控中的应用提出一些建议。全。据不完全统计:基坑设计失误引发的事故约占[1]1计算模型事故总数的47.6%,所以从施工安全预控的角度考虑,有必要按设计方案对施工各阶段支护结构的1.1弹性地基梁法的计算模型变形和内力变化进行分析,检验设计方案在施工阶图1为弹性地基梁计算模型,该模型将桩墙支段是否安全;同时明确施工各阶段监测和控制的重挡结构视作支撑在弹性支座上的梁,基坑外侧作用收稿日期:2007211210基金项目:重庆市建委科技计划基金资助项目(城科字2005第21号)作者简介:严薇(19642),女,重庆大学教授,博士,主要从事施工技术与管理研究,(Tel)023265106834;(E2mai)yanwei6636@yahoo.com.cn。 第3期严薇,等:深基坑桩锚支护结构变形和内力分析方法探讨345已知的土压力和水压力,基坑内侧土体对支挡结构2～3倍开挖深度为影响范围;边界条件:顶部为自的地基反力f用一系列土弹簧模拟,地基反力f的大由边界,其它面为约束边界。小与挡土结构变形y有关。4)工况模拟。首先让土体在自重状态下达到初f=ky,(1)始平衡,再将初始位移设置为0,按施工工序挖除土式中:y为计算点处支挡结构的水平位移;k为水平体,设置锚杆,计算变化后的位移与应力,直至基坑地基反力系数。假定水平地基反力系数[425]k沿深度按施工完毕。线性规律变化,即1.3桩锚支护深基坑施工工序的工况模拟k=mz,(2)桩锚支护的每一步施工包括,挖除开挖区土体,式中:z为地面或开挖面以下的深度;m为比例系数。铺上面层,设置锚杆。因此,在计算分析中,每一步支挡结构主动侧土压力采用图1所示通常使用的土的施工模拟都要“挖除”一些土体单元,增加一些面压力分布模式,即在基底开挖面上作用的主动土压层和锚杆单元。具体到计算中而言,根据施工方案、力,根据朗肯土压力理论计算,基底开挖面以下主动土体开挖顺序、埋设锚杆过程,结合实际的施工工[223]土压力分布呈矩形,不随深度变化。序,工况分析按以下情况处理。第1步:开挖至第1层锚杆的位置,超挖0.5m,在指定位置设置第1道锚杆;第2步:开挖至第2层锚杆的位置,超挖0.5m,在指定位置设置第2道锚杆;⋯⋯第i步:同第1、2步,开挖至第i层锚杆的位置,超挖0.5m,在指定位置设置第i道锚杆;[6]第i+1步:开挖至坑底,到达基坑底面标高。图1弹性地基梁模型2工程实例概况1.2有限差分法的计算模型1)土体。有限差分法根据不同的应用需要,设2.1实例一计了10多种土体本构模型。文中土体采用摩尔库长沙铁路总公司高层住宅,总建筑面积为2伦模型建模;土体参数的选择主要依据现场实验和38213m,开挖基坑东西长67m,南北宽31m,实际实验室的实验结果。开挖深度从天然地坪至基底为9m。基坑东面有一2)单元体系。笔者主要考虑了桩单元和锚单幢7层砖混结构住宅,距基坑边4m,采用人工挖孔元,桩锚单元均采用弹性结构单元。灌注桩加锚杆支护。总计护坡桩27根,桩径1.2m,3)模型范围。根据实际需要,取基坑平面的1/4桩间距1.5m,桩长10.2m。在距桩顶2.5m处布对称空间建模;边界取值:长度与宽度方向基坑外取置一排锚杆,锚杆直径130mm,长12m,倾角20°。2～4倍开挖深度为影响范围,深度方向基底以下取基本土质参数见表1。表1实例一基本土质参数厚度密度/粘聚力内摩擦角剪切模量体积模量比例系数土层号土类名称-3-4/m(kN·m)/kPa/(°)/MPa/MPa/(MN·m)1填土118.515201.15.07.502粘性土218.520102.210.03.003卵石218.0202215.433.49.484粉土218.540183.114.28.685细砂219.00235.313.88.286强风化岩2121.0602963.638.654.00 346重庆大学学报第31卷2.2实例二支护桩采用人工挖孔桩,桩径1.5m,桩间距2.0m,深圳某经贸变电站,开挖基坑东西方向长55m,桩长21m,桩身混凝土强度C25。锚杆设在距桩顶南北长60m。基坑开挖深度13m,安全等级为一2、6、10.3m处,倾角15°,长度24m,一桩一锚。基级。基坑支护主要采用灌注桩加3排锚杆的形式。本土质参数见表2。表2实例二基本土质参数厚度密度粘聚力内摩擦角剪切模量体积模量比例系数土层号土类名称-3-4/m/(kN·m)/kPa/(°)/MPa/MPa/(MN·m)1填土2.014.02253.26917.08310.202淤泥质土1.517.0860.3571.6670.923粘性土3.519.5192021.42910.4567.904粘性土4.020.0202511.20018.66712.005粉质粘土1.019.020209.61520.8338.006粉质粘土3.019.020209.61520.8338.007砂质粘土1.019.3281510.15619.6975.808强风化岩3.021.0702832.00053.33319.889中风化岩19.021.0602938.00063.33319.922.3实例三13m,桩径1m,桩间距1.5m。在距桩顶2.5和重庆市涪陵区某单位住宅,开挖基坑东西长5.5m处各布置一排锚杆,锚杆直径150mm,长30m,南北宽60m,采用人工挖孔灌注桩加锚杆支13m,倾角15°,一桩一锚,施加预应力100kN,基本护。实际开挖深度从天然地坪至基底为10m,桩长土层参数见表3。表3实例三基本土层参数厚度密度粘聚力内摩擦角剪切模量体积模量比例系数土层号土类名称-3-4/m/(kN·m)/kPa/(°)/MPa/MPa/(MN·m)1粘性土1119.723.769.752.09065.27623.302页岩2424.7522.0026.83622.04721144.927563.91各工况支护结构顶部最大水平位移、桩身最大弯矩3计算结果及最大锚杆轴力,实例一、二、三的计算结果见为便于比较,各模型选取的主要参考指标包括:表4-6。表4实例一各工况理论计算与实测值支护结构顶部最大水平位移/mm锚杆轴力桩身最大弯矩计算方法工况一工况二工况三工况四工况五工况六工况七/kN/(kN·m)(1.5m)(3.0m)(加锚)(4.5m)(6.0m)(7.5m)(9.0m)弹性地基梁法-0.530-2.940-2.940-6.55-10.64-13.10-12.83210.93296.7有限差分法-4.484-9.531-9.531-12.43-14.51-18.97-20.12207.60146.3实测值-1.500-4.000-8.50-10.2014.80197.00 第3期严薇,等:深基坑桩锚支护结构变形和内力分析方法探讨347表5实例二各工况理论计算与实测值工况一工况二工况三工况四工况五工况六工况七项目计算方法(3m)(加锚)(7m)(加锚)(11m)(加锚)(13m)弹性地基梁法-1.860-1.270-6.64-6.52-15.59-15.62-19.39支护结构顶部有限差分法-8.126-7.852-13.69-13.65-25.57-25.57-30.57最大水平位移/mm实测值-4.280-4.060-9.94-9.23-20.92-20.73-27.61弹性地基梁法30.00091.1789.61209.33209.47266.58锚杆一有限差分法27.97086.2182.69172.10169.20207.90实测值26.75079.6172.48167.59158.17204.37弹性地基梁法30.00107.68107.48154.03锚杆轴力锚杆二有限差分法26.0296.1192.59132.90/kN实测值26.7489.0787.42126.73弹性地基梁法30.0053.50锚杆三有限差分法26.6961.15实测值26.4355.67桩身最大弯矩弹性地基梁法193.410131.660350.51338.83990.86983.581269.95/(kN·m)有限差分法169.800146.100116.50137.00336.80308.70603.30表6实例三各工况理论计算与实测值工况一工况二工况三工况四工况五项目计算方法(3m)(加锚)(6m)(加锚)(10m)弹性地基梁法-0.684.45-4.430-3.780-9.510支护结构顶部有限差分法-14.43-1.55-13.130-11.060-19.680水平位移/mm实测值-7.68-0.62-9.760-5.480-11.060弹性地基梁法100.00158.345151.078201.133锚杆一有限差分法102.30178.600141.500184.300锚杆轴力实测值91.23164.320135.860169.570/kN弹性地基梁法100.000192.313锚杆二有限差分法98.870184.100实测值89.380159.610桩身最大弯矩弹性地基梁法8.99111.46271.660190.840606.670/(kN·m)有限差分法38.65106.10192.70080.560244.2002)支护结构顶部的最大水平位移。有限差分法4对比分析的计算结果基本满足变形控制标准,是实测值的4.1计算结果分析1.2～2倍,且两者变形趋势基本趋于一致;而弹性对上述各工况计算结果进行比较分析发现:地基梁法计算所得的位移值偏小,且小于实测值;1)锚杆轴力。在各工程实例中,弹性地基梁法3)桩身最大弯矩。在基坑开挖初期,两种方法与有限差分法计算所得的各层锚杆在各工况中的轴的计算值基本趋于一致,但随着基坑开挖的不断深力基本趋于一致,较大于实测值,且与实测值的发展入,弹性地基梁法的计算值远大于有限差分法,且是趋势相符;其2～3倍,从设计角度考虑,偏安全; 348重庆大学学报第31卷4)支护结构顶部的水平位移受施加预应力的影5结论及建议响。在工程实例二中,当预应力较小时,两种方法在施加预应力前后位移变化幅度基本一致;在工程实1)在地质情况较好、主要以强度控制为主的设例三中,当预应力较大时,有限差分法变化幅度计情况下,考虑到弹性地基梁法计算的简便、快捷,较大。建议使用;4.2原因分析2)在对拟建工程的施工模拟分析预测中,有限考虑到模型的差异和实际工程的复杂性,产生差分法有更强的适应性,能较为真实地反映桩锚支上述差异的原因可能有:护体系在深基坑开挖过程中土体与支护结构的变形1)计算模型选型的差异。弹性地基梁法考虑土及内力影响,与实际情况基本相符,但考虑到建模的体为弹性模型,未考虑工程中坑底的塑性区;而有限复杂性,根据实际需要确定选用;差分法采用摩尔库伦模型,充分考虑了土体的弹3)在设计中,弹性地基梁法主要考虑的是在一塑性;定条件下单桩受最不利因素影响的极限状态;而在2)计算参数的选取上,有限差分法比弹性地基基于有限差分法的三维分析中,不仅较大限度地引梁法更为全面。弹性地基梁法主要考虑了土层厚入了施工及周边环境中的影响因素,而且计算结果度、土体的密度、粘聚力、内摩擦角、比例系数,而有充分反应了基坑施工中的空间效应,为施工中的安限差分法在其基础上,又加入了土体的剪切模量、体全预控提出了更为明确的重点和依据;积模量这两个重要指标;4)弹性地基梁法由于没有考虑主动区土压力与3)在现行的设计分析中,通常采用的弹性地基支护结构的相互作用,在支护结构的水平位移的计梁法为平面弹性地基梁法,为二维空间体系,而有限算分析中误差加大,有待进一步研究。差分法分析中利用的是三维空间体系,有效地考虑了基坑施工中的空间效应;参考文献:4)对于主动区土体与桩的相互作用的处理方法[1]龚晓南,高有潮.深基坑工程设计施工手册[M].北京:不一致。在设计分析中,弹性地基梁法事先假定墙中国建筑工业出版社,1998:5132597.后荷载[2]中华人民共和国建设部.GBJ50010—2002混凝土结构,并在计算中取值固定不变,仅考虑开挖侧土设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.压与变形有关,显然这种方法未能全面考虑结构与[7][3]中国建筑科学研究院.JGJ94—94建筑桩基技术规土体的相互作用;而有限差分法全面考虑结构与范[S].北京:中国建筑工业出版社,1994.土体相互作用,在建模时首先考虑土体在弹性条件[4]中国建筑科学研究院.JGJ120—99建筑基坑支护技术下的土压力(荷载)平衡,而土压力(桩的受力荷载)规程[S].北京:中国建筑工业出版社,1999.随开挖工况不断变化,因而,理论上更为完善,尤其[5]刘波,韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南[M].北京:在支护结构的水平位移分析应用上,与实际情况基人民交通出版社,2005.本相符;[6]刘建航,侯学渊.基坑工程手册[M].北京:中国建筑工5)实际工程中土体的复杂性。在计算中,为便业出版社,1997:1392231.于处理,一般将土层均一化,忽略了实际工程中土层[7]秦四清,万林海,汤天鹏,等.深基坑工程优化设计[M].北京:地震出版社,1998:792100.的不均一性、土质的多样化,因而理论分析值与实际情况存在一定的差距。(编辑李胜春)