（地质工程专业论文）门架桩—锚杆结构在基坑支护工程中的运用和研究.pdf

摘要 随着城市建设规模的扩大、建筑间距的减小、基坑深度加深、基坑工程对环 境的影响日益加著，对基坑工程提出了新的挑战，也为基坑工程的理论发展提供 了新的机遇。 本文结合基坑工程实例，以基坑周边环境为控制目标，在总结前人的基础上， 提出了新的支护形式门架桩一锚杆结构，建立了门架桩一锚杆结构计算模 型；门架桩一锚杆结构采用朗金土压力理论计算边坡主、被动土压力，计算步骤 简单、概念清楚；采用取剪力为零点近似求极值方法来确定护坡桩计算长度，其 受力明确、计算简便；用等效线刚度和锚杆等效长度的方法来计算支锚刚度，使 支挡结构的分析计算更接近实际受力，文中给出给出了锚杆等效线刚度计算推导 方法。 根据基坑的周边沉降、水平位移、应力的监测资料分析，计算变形与基坑实 测变形具有良好的一致性；绘制了分析图表；绘制了沉降与水平变形之比值变化 曲线，分析后得出边坡变形比不为定值的结论。 采用以弹性地基梁为比较模型，对弹性地基梁模型中的荷载了进行简化处 理，简化后的弹性地基梁模型更具有工程意义。 课题项目施工后运行良好，周边环境的变形满足设计控制目标，边坡实测的 水平位移与本课题门架桩一锚杆结构模型计算变形量的误差 5 ，与比较模型计 算误差 l o ， 冠梁可当作刚性杆考虑。 则：侧向柔度： 62 - 生 2 4 叵， 抗侧刚度d _ 等 两种结构形式的桩顶位移比为：n ：互：8 嘎 二者的桩顶位移比相差8 倍，刚度比也相差8 倍，说明门架桩抗变形能力明显强于排桩。 庸 阳q ，悬臂椴女自目 盼b ，n 架极力自目 鲥 目9 c ，s 目桩计# 目 目9 。| ，n 默计算自目 当受力三角形分布的土压力作用时计算简图见图9 c 、9 d 。假定计算边坡计算高度h = 7 米( 近似于边坡高度约为5 5 米) ，荷载三角形分布q = 8 1 6 k n i ( 相当于妒- 2 5 。，c = o ，y = 1 8 k n m 3 ，无超载，桩间距1 6 米) ，桩直径：d = 8 0 0 m m ，l o = 2 8 米，d ) ( 1 l = 0 8 x 1 0 米，并假 定门架桩的前后桩土压力均匀分布。用结构力学求解顶点位移( 考虑刚度折减系数0 6 ) 得 到： 排桩坡顶位移 门架桩坡顶位移 两种结构形式的桩顶位移比为 s ： ! 丝： 3 0 z + 0 6 $ 彘 n ：鱼：5 4 五 将上述参数代入上式中，得到两种结构形式的坡顶位移 排桩坡顶位移 门架桩坡顶位移 s = 2 6 1 m m s 2 = 4 8 m m 从数值上可以看出，结构形式对边坡变形有着直接关系，同样荷载作用位置对围 护结构位移有着显著的影响，在本例中其作用位置越高位移比的倍数越大，门架结构的 抗变形优势越显著；水平推力作用在桩顶时位移比最大，均布荷载时居中，正三角形荷 载时最小，其倍数值在8 o 一5 4 之间变化。 4 3 支护结构参数选定 门架一锚杆结构由4 个构件组成：前桩、后桩、冠梁、锚杆。根据以往支护经验可 以初步确定结构各构件截面参数。前、后桩选用同样直径。8 0 0 ，前后桩间距2 6m ；冠 梁高度0 7 m ，通长布置；锚杆直径0 1 5 0 ，倾角d = 2 0 。，自由段长度l = 5 o m ，锚杆布置在 剐性冠粱 图6 柱子、承台、旋喷桩平面关系 围1 0 0 最桩一锚杆结概r 寸 冠梁中部。桩体入土深度和锚杆长度由计算确定。锚杆间距依4 号柱子间距而定，与柱 子对应布置间距为3 7 5 m ；前桩间距1 2 5m ，后桩间距1 8 5 m 。支护结构示意图见图1 0 a 、 1 0 b 。 4 4 结构分析方法“”“ 建立门架一锚杆计算模型分析结构嫩里和变形，本文称模型一。用文克尔假定弹 性地基梁法作为比较模型，本文称做模型二。前者可用手工 辅助计算，后者适合于用程序求解。前者的实用性、工程性更强。后者在数值上 更精确性。本次采用门架一锚杆计算模型进行结构计算，用弹性地基梁模型进行进行校 核检验。本节只就两种模型的假定和规则进行论述。 4 4 1 门架锚杆计算模型 4 4 1 1 土压力计算方法 土压力分为三种：静止土压力p 0 、主动土压力p 。、被动土压力p ，一般三者关系为 p 。 妒u ，但内聚力c 则没有这种排序。 基坑工程开挖周期短孔隙水压来不及消散，实际应力路径与固结快剪类似，采用 固结快剪也算合理；建设部行规基坑支护规范推荐的主要方法为固结快剪强度指标，黄 土地区对固结快剪指标使用比较广泛经验比较丰富，因而本次采用固结快剪指标。 5 1 3 参数选定 锚杆体的摩阻力参数书计算锚杆受拉承载力的关键，一级基坑应进行基本试验， 但鉴于现场条件以及西安地区的锚杆经验，按照建设部基坑支护( j g j l 2 0 9 9 ) 取值并进 行修正，规范给定的参数是一次常压灌浆工艺计算值，本工程将采用中压注浆，取修正 系数1 2 倍，与西安地区其它工程实测数据比较，本次所取数据大小属中等水平。土层参 数取值见表5 3 。 各土层的参数取值如下表： 表5 3 位置5 号钻孔 参数 层厚 cm q “ 备注 詹号 ( m ) ( k n ，m ，) ( k p a )( 。)( k p a ) 12 21682 015 素填土 2 13 8l5 72 92 26 0 黄土 2 23 017 82 62 l4 8饱和土 34 419 12 62 06 2 古土壤 49 418 92 82 06 0 粉粘 5 2 地下水影响 本场地地下水为低于基坑底标高1 5 米，不影响基坑施工，不需要人工降低地下水。 地下水也不影响本基坑支护结构安全。 5 3 设计荷载的取值和计算”“”1 5 3 1 超载计算 超载分为两部分：地面堆载和建筑物超载，地面堆载属于施工阶段的地面活荷载， 作用在地表面；4 号楼的自重及其楼内活荷载属于建筑物超载，通过其基础作用在一定的 深度的土体。 a 、地面活荷载，取：q 0 1 = 1 5k n m 2 。 b 、内套的3 层砖混结构楼超载，砖混楼的荷载按照均布荷载计算，3 层砖混结构荷载，取：q 0 2 = 5 2k n m 2 。 c 、外套框架楼超载：外套框架的基础为独立基础，而地基处理又是旋喷桩符合地 基，因而受力状态比较复杂，需要进行假定： 假定地基基础受力状态完全符合原设计受力状态，开挖后旋喷桩仍保持完整。 考虑旋喷桩土共同工作，基底压力分配符合复合地基受力假定。 在此假定下进行计算，正常状态下旋喷桩承受的竖向压力沿桩深度逐步递减传递 给桩周围土体中，形成卸载阶梯，桩身压力逐步减小桩周的土体压力逐步增加。 在开挖后会产生沉降和水平位移并影响到桩周摩阻力的发挥出现桩向土体反卸载 现象，这一部分卸下的荷载全部由承台底的土体承担并与承台底原竖向压力迭加。本次 取o 6 倍坡高度。 计算荷载时还需要简化：将三角形承台简化成矩形，荷载沿纵向简化成通长分布， 沿横向呈三角形分布。 旋喷桩属于半刚性桩，实测桩一土应力比一般为8 1 2 ，本次计算取桩- 土应力比 n = l o ，按照n = l o 的桩一土比例进行压力分配当独立基础底处压力均匀分布时桩土荷载分 配： p 总= p 土+ p 桩 pf 垒：生 ( 5 1 ) 一土+ 州桩 k 糌 z ， 式中：pe 一柱子基底总荷载，p * 一分配给旋喷桩的荷载，p 一分配给承台下土体的荷 载，a 一桩截面积，a 一扣除桩体后的基础面积，n 一桩土应力比 将参数：p 苴= 1 7 5 0 k n ，a 土= 3 7 5 0 2 m 2 ，a 硅= 1 5o o o m 2 ，n = 1 0 ，a 土a 桩= 4 代入公式3 7 ，3 8 中计算得： p = 1 4 0 0 k n p 土= 3 5 0 k n 图13 a ，桩身竖向荷载分布图 图1 3 b ，荷载简图 当 考虑柱子传递荷载偏心e 。= o 4 m ，并按照上述简化原则，外荷载沿横向地面和基坑深度 方向分布如图1 3 a 、1 3 b 。 5 3 2 土压力 土体自重产生的侧压力见图1 4 a ，超载产生的侧压力计算如下图1 4 b 。 _ l 土 目8 量 i 。目 “ 刍量 叫薛n 旦旦鲁亩；鲤墨立l 型圈目! ! ! ! 塑壅i j 篓塑垦盎佥查目 惟k p q 诺萨尹一 5 3 3 门架桩主动土压力分布“”“6 1 对于双排桩的土压力分布目前尚无确切的计算方法，尽管有一些这方面的理论，但 主动土压力在双桩间的分配系数也只能依靠半经验半理论的系数法。实际上前、后桩之 间的土压力的分布是非常复杂的。目前有两种计算方法：即经典力学的推导和弹性地基 梁计算。二者各有优缺点，都需要进行必要的假定条件后才能建立，存在一定的随机性。 前者有几种计算双桩土压力的方法，而后者则考虑了土桩共同工作。但二者在计算总主 动土压力时没有差异，区别在于对前后桩土压力的分配上有所不同。应用文克尔假定求 解前、后桩之间的土压力分配比较复杂，就实际工程来讲没有必要。因此本课题采用假 定的分配形式。 经典力学方法中的前、后桩的土压力分配有多种方法包括桩间土静止土压力法、 刚塑性体极限平衡法、考虑尺寸效应的常系数分配法。过于简单化的静止土压力法没有 考虑土体的因数；以库仑理论为基础的刚性体极限平衡法注重过程推导、数值上精确、 假定条件多、没有考虑内聚力的参数等使得其最终结果偏离实际，缺乏工程实际意义； 常系数分配法引用破裂角概念，考虑双桩尺寸效应作用，受力模型清晰计算方法简单， 不失为一种实用的方法。本工程采用这一种荷载分配法。 对于梅花形布置的护坡桩，由于前后桩存在，前后桩之间的土体约束作用使得前 后桩的实际受力明显不同，前、后桩的土压力表达式 总主动土压力：o a _ o 。月+ a 。 后桩土压力：o 。口= o a b 一g 。 前桩土压力：o 。n = o 。r 卜o 。 式中： 前后桩的土压力分配比例系数为常数，即o 。与o 。呈线性关系 o a = u 0 8 前后桩土压力分配比例与基坑滑动的土体重量有关。则： d ：丝二墨鱼!( 5 3 )d = - = 一l ) 一jj 厶 l o = h t g ( 4 5 。一。妒2 ) 式中：h 一基坑边坡假想滑体高度，l 一前后桩间隔距离，妒一坡体土层内平均内摩察角 将l = 2 6 m ，h = 8 7 m ，o = 2 0 。代入式子3 1 2 中得： = o 6 7 前桩间距一般为1 2 5 米，而后桩间距则为1 8 7 5 米，考虑前后桩的间距不土压力分布不 同的影响，值调整为： a 时= 1 2 5 x o 6 7 = o 8 3 a 后= 1 8 7 5 x o 3 3 = o 6 l 前桩主动土压力为：o 。n = 0 8 3 0 。 而后桩的土压力为：a 。月= o 6 l o 。 计算土压力图如1 5 。 堕监煎量桩主叠删压女分查目 地k p q 5 4 确定固端深度h 。m 一“”， 桩体下部固端长度的取值按照第死章( 4 2 ) 式计算确定。锚杆拉力取取锁锚初始值 离值t 产1 0 0 k n 来计算，则有： e a e d 一1 0 0 3 = o( 5 4 ) 将5 3 2 节、5 3 3 节中主、被动土压力e 。、e d 值代入式子( 5 4 ) 中得： h 。o = 3 5 米 考虑实际埋深的需要取1 1 5 的系数，取固端深度为： h 。= 4 0 米 5 5 锚杆等效线刚度的计算n “”n m m ， 锚杆中的钢筋主要承受拉力，水泥浆凝固而成的锚固体不承受拉力。锚杆的变形主 要锚杆中的主筋拉伸和锚杆的徐变：徐变可以通过调整预应力或二次张拉来减轻或消除； 因此锚杆的刚度主要与锚杆中的主筋有关。 二力杆单元的线刚度可以表示为： k 2 e f 几j ( n 向) 轴力、刚度与位移呈线性的关系： n = k z 3 0 式中：n 一锚杆轴力，k 锚杆线刚度，x 一锚杆伸长量，l i 一锚杆计算长度 锚杆的轴力沿全长分布不均衡，自由段内轴力保持恒定不变，锚固段轴力沿全长呈 递减趋势，为求得锚杆的应力应变关系做如下假定：1 ) 锚杆自由段内拉力恒定，在锚固 段拉力呈线性递减：2 ) 不计土层中徐变的影响，徐变影响应通过预应力或二次锁锚消除， 当拉应力小于砂浆锚固体抗裂强度时，砂浆锚固体的拉伸变形不计。 有了上述假定，根据虎克定律锚杆总变形可以表达为： e 锚杆任何段的应力应变关系为： 。( 。) ：掣 锚杆的弹性拉伸变形表示为： s ：= r 里譬b 式中：盯( x ) 一锚杆拉应力，l 一锚杆长度， 由于锚杆沿全长拉力呈递减，锚杆应力是随长度变化的函数。锚杆的锁锚张拉力n 可以 看作是定值，因此锚杆的应力和应变随锚杆长度变化。构造一个形函数旯( z ) ，则锚杆应 变可以表示为： ，= 警= 鑫砸) ( 3 - z 。) 函数：( 。) 是分段函数，在自由段内锚杆拉力不变，应变为常数，在锚杆末端拉杆应力小 于锚固体材料的抗裂极限强度