弹性地基梁法在桩锚支护结构设计中的应用_陈松

发布于:2021-09-23 12:44:25

2007 年第 12 期

铁  道  建  筑 Railway Engineering

     77 

文章编号 :1003-1995(2007)12-0077-03
 
弹性地基梁法在桩锚支护结构设计中的应用

陈  松 , 黄  雄
(中 国地质大学 工程学院 , 武汉  430074)
摘要 :对于深基坑的桩锚支护结构 , 弹性地基梁法能够考虑支护结构与土的变形协调 , 较好地模拟桩土 之间的作用 。其中参数 m 是反映桩土相互作用的综合参数 , 水*抗力系数取值已积累了一定的经验 , 并可有效地计入基坑开挖过程中的多种因素的影响 , 因而在实际工程中已经成为一种重要的设计方法 和手段 。 关键词 :深基坑  桩锚支护  弹性地基梁  水*抗力系数 中图分类号 :TU753.7  文献标识码 :B

  深基坑工程涉及岩土 、水文 、结构 、环境等多个学 科 , 影响因素多 , 综合性和实践性强 , 进行合理的支护 系统设计是深基坑工程成功的关键 。基坑工程的主要 问题有稳定性 、变形和渗流 , 具体包括基坑支护体系的 强度和变形控制 , 基坑坑底和挡土墙后土体的安全和 变形控制 , 周围建筑物的安全和变形控制 , 地下水的降 水止水措施等 。 桩锚支护就是为了保证基坑开挖 、基 础施工的顺利进行及基坑周边环境的安全 , 对基坑侧 壁及周边环境采用支挡 、加固与保护的措施 。
弹性地基梁法能够考虑支护结构的*衡和结构与 土的受力变形的协调关系 , 计算时还可以有效地计入 基坑开挖过程中的多种影响因素 , 如开挖两侧水土压力 的变化 , 支撑及锚杆的架设与移除 , 支撑预加轴力等 , 因 而在实际工程中已成为一种重要的设计方法和手段 。 对于 弹性地 基的 弹 簧刚 度 取值 一 般认 为 以“ m” 法 较符 合实际 , 而“m”值宜通过单桩水*静载试验确定 。
1  支护桩的弹性地基梁设计方法

取单位宽度的桩墙作为竖直放置的弹性地基梁 ,

将外侧主动土压力作为施加在桩上的水*荷载 , 内侧

承受土抗力 , 根据 Winkler 地基模型 , 土的横向抗力 p

与桩侧土的压缩量成正比 , 而桩侧土的压缩量等于桩

的横向位移 , 于是有 :

p =K syb0

(1)

式中的 K s 为地基反力系数(N m3);y 为桩的横向位移

(m);b0 为桩的计算宽度(m)。

地基反力系数沿深度按线性规律增大即弹性地基

收稿日期 :2007-08-08 ;修回日期 :2007-10-19 作者简介 :陈松(1975 — ), 男 , 湖北荆州人 , 工程师 , 硕士 。

梁的“m”法(K s =mz), 因此根据“ m” 法 , 土抗力 p = mzyb0 。“m”法计算原理 :设置于的竖向 弹性桩 , 地面 处承受横向荷载(水*力 H0 和弯矩 M0), 桩身受有水 *荷载 q(z)作用 。 在荷载作用下 , 桩将发生挠曲 , 支 承桩的弹性介质(土)将产生连续分布的土反力 。 假定 桩上任意一点处单位桩长上的反力 p 为深度 z 和该点 桩挠度y 的函数 , 即 p =p(z , y), 见图 1 。

图 1  “ m”法示意图  

取桩身一个微元体分析

EI

d4 y dz 4

=-p(z , y)+q(z)

(2)

  将 q(z)=0 , p(z , y)=mzyb0 代入上式得

d4 y dz 4

+α5 yz

=0

(3)

式中的 α为桩的变形系数 , α= 5 mb0 (EI)。

利用幂级数法求解 , 并规定位移 y , 剪力 H , 地基

反力 σy 的方向与 y 轴正方向一致时为正 ;桩的右侧纤

维受拉时 M 为正 , 反之为负 ;φ0 逆时针方向为负 , 顺

时针方向为正 。 算得深度 z 处的解如下 :

横向位移  y =y0 A1 +φα0B1 +αM2 E0IC1 +αH3 E0 ID1

(4)

 7 8    

铁  道  建  筑

December , 2007

转角  φ=αy 0 A2 +φ0 Β2 +MαE0IC2 +αH2 E0 ID2

(5)

弯矩  M =αEI(αy 0 A3 +φ0 B 3)+M0 C3 +Hα0D3

(6)

剪力  H =α2 EI(αy 0 A4 +φ0 B4 )+αM0 C4 +H0 D4 (7)

式中 :H0 、M0 为作用于地面处桩上的荷载 ;y 0 、φ0 分别

为地面处桩的水*位移和转角 ;A1 、B 1 、… 、D 4 均为无

量纲的常数 , 其值可查表求得 ;根据边界条件求出 y0 、

φ0 后 , 代入上述各式 , 即可求解 。 弹性地基梁法模拟桩土之间的作用 , 考虑了地基

反力随桩深度线性变化的关系 。其中参数 m 是反映 桩土相互作用的综合参数 , 但主要反映土的弹性性质 。 在推力不大的情况下能较好地反映桩的工作情况 , 计

算得出的桩身内力也能与实测基本相符 。 但 m 法也 只能适合于桩身小变形的情况 , 当水*外载增大时 , 由

于土体进入了非线性弹性状态 , 按照此方法得出的内 力计算值将与实测值有较大差异 , 这主要是由于桩周

土体的非线性性质引起的 , 同时此方法中的 m 值也并 不是个确定的参数 , 这是由于桩周土体随外载增大而 发生软化的结果 。 但是 , 由于目前己有一些对不同土

质下 m 值取值范围的研究资料 , 以及方法本身数学处 理相对并不复杂的优势 , 使得这种方法一直在工程设 计中使用较广泛 。

2  工程实例

拟建工程位于武汉市旧城区 , 用地面积6 872 m2 , 建筑基底面积3 165 m2 , 总建筑面积39 651 m2 , 设计楼 高 18 层 , 框架剪力墙结构 , 设置 2 层地下室 , 需进行基 坑土方开挖和止水挡土围 护 。 地下室* 面基本上呈 “L”形 , 北部长边呈东西向 , 长约 75 m , 宽约 20 m , 南部 长边呈南北向 , 长约 80 m , 宽约 35 m , 总周长 321 m , 地 形较为*坦 , 基坑开挖深度为 9.00 ~ 9.50 m , 基坑场地 周边环境比较复杂 。 2.1  工程地质条件
根据本场地岩土工程勘察报告 , 地基土自上而下 为人工填土层 、冲积层和残积层 , 基岩为白垩纪上统泥 岩 、砂岩 , 分述如下 :
1)人工填土层 :场地均有分布 , 为杂填土 , 杂色 , 松 散 , 主要由黏性土 、砖 、碎混凝土等建筑垃圾组成 ;层厚 0.80 ~ 5.40 m , *均厚度约 2.50 m 。
2)冲积层 :场地东侧内有一条古冲沟 , 呈 NW —SE 向 , 宽约 30 m , 场地冲积层顶板埋深 0.80 ~ 5.40 m , 底 板埋深 12.60 ~ 19.90 m , 总厚度 8.30 ~ 17.90m , 冲积层 自上而下可细分为淤泥质土(或粉质黏土)、粉(细)砂 、 中砂 、淤泥等亚层 。

3)残积粉质黏土层 :场地均有分布 , 紫红色 , 可塑 ~ 硬 塑 , 局部 地段 为稍 密 ~ 中密 状粉 土 ;层 顶埋 深 12.60 ~ 17.80 m , 层厚 1.45 ~ 9.50 m 。自上而下可分为 可塑状粉质黏土和硬塑状粉质黏土等 2 个亚层 。
4)基岩 :场地基岩为白垩纪泥岩 、粉砂岩和粗砂岩 等 , 层顶埋深 12.90 ~ 23.40 m , 按其风化程度可划分为 全 、强 、中和微风化基岩 。各土层物理力学参数见表 1 。
表 1  各土层物理力学参数

土层名称

重度 黏聚力 内摩擦角 摩阻力 参数 m γ(kN m3) C kPa φ/(°) qsk/kPa /(kN m4)

人工填土层      18.0

15

12

30

3 000

1  淤泥质土

16.5

8

5



积 2  粉细砂

19.0

0 20



3  中砂

19.5

0 25

20

1 500

35

5 000

45

13 000

残 1  可塑粉质黏土 19.5

20

15



土 2  硬塑粉质黏土 20.0

25

20

40

12 000

60

16 000

2.2  水文地质条件 拟建场地位于长江冲积 Ⅰ 级阶地 , 场地地下水类
型包括上层滞水和孔隙承压水 。上层滞水主要赋存于 上部人工填土层中 , 主要接受大气降水和地表水的渗 透补给 , 无统一自由水面 , 水量及水位同季节 、周边排 泄条件关系密切 。 孔隙承压水赋存于下部砂土层中 , 与长江 、汉水等地表水体及区域承压水体联系密切 , 水 量丰富 。勘查期间 测得混合静止水位埋 深在地表下
1.2 ~ 2.5 m ;测得孔隙承压水水位埋深在地表下 10.10 m。 2.3  深基坑支护设计
排桩 +预应力锚杆支护是一种成熟且比较常见的 基坑支护形式 , 支护桩采用 800 mm @1 200 mm现浇 钻孔灌注桩 , 桩长 20 m , 插入基坑底面以下 12 m , 钻孔 灌注桩桩顶设置1 000 mm ×500 mm 的冠梁以增加支 护桩的整体刚度 。距支护桩后 1 m 处设置 500 mm @ 350 mm 粉喷桩止水帷幕 , 桩长 14 m 嵌入粉质黏土层 。 由于采用强桩弱锚的设计模式 , 支护桩可以承受较大 弯矩 , 因此在有效控制桩顶位移的前提下 , 选用两层锚 杆的支护方式 , 分别布置在距桩顶 2 m 和 5 m 处 。 但 是该基坑坑壁均由填土层和淤泥质土层组成 , 对于预 应力锚杆 , 填土层和淤泥质土层所能提供的锚固力均 较低 , 填土层和淤泥质土层是设置预应力锚杆的不利 土层 , 因而在该基坑中采用桩锚支护时 , 必须强化桩的 作用而弱化预应力锚杆的作用 , 亦即要采用强桩弱锚 的设计模式 。桩锚支护结构图见图 2 。
根据公式(1)~ (7)用弹性地基梁 m 法计算开挖过 程中支护桩的内力变化情况 , 外侧土压力计算采用朗肯

2007 年第 12 期

弹性 地基梁法在桩锚支护结构设计中的应用

     79  

图 2 计算剖面支护结构 剖面图(单位 :mm , 高程 :m)
  土压力模式 , 水土合算 , 可按计算结果对桩锚支护体系 进行结构设计 。图 3、图 4 给出了基坑开挖后设置第一 、 第二排预应力锚杆后 , 支护桩的位移和弯矩分布 。

图 3  设第一排锚杆后的位移与弯矩图   从图 3 和图 4 可知基坑开挖过程中架设锚杆并施 加预应力可以有效控制桩身位移和改善支护桩的受力 条件 , 从第一工况到第二工况 , 由于架设了锚杆并对锚 杆施加预应力 , 桩身位移都有一定程度的减小 , 而且改 善了支护桩的受力条件 。 当开挖至基坑设计深度时 , 支护桩最大侧移为 22 mm , 发生在深度 8 m 处 , 桩的最 大弯矩为 685 kN·m , 满足变形控制标准 。
3  结论
弹性地基梁法能够考 虑支护结构与 土的变形协 调 , 较好地模拟了桩土之间的作用 , 弹性地基梁法模拟

图 4  设第二排锚杆后的位移与弯矩图   桩土之间的作用 , 考虑了地基反力系数随桩深度线性 变化的关系 , 其中参数 m 是反映桩土相互作用的综合 参数 , 但主要反映土的弹性性质 , 其取值已积累了一定 的经验 , 并可有效地计入基坑开挖过程中的多种因素 的影响 , 在计算机上运算比较简单 , 将弹性地基梁法用 到工程实践中取得了良好的效果 。
参 考文 献 [ 1] 姚爱国 , 汤 凤 林 .基坑 支 护结 构设 计 方法 讨论[ J] .工 业 建 筑 , 2001, (3):7-10 . [ 2] 姚爱国 .基坑桩锚支护设计新方法[ J] .探 矿工程 , 2000, (5): 33-3 4 . [ 3] 黄强 .深基坑支护 结构实 用内 力计算 手册[ M] .北京 :中 国 建材工业出版社 , 1995 .
(责任审编  白敏华)


相关推荐

最新更新

猜你喜欢