多道支撑(锚杆)挡土桩墙计算PPT课件.ppt

3 6多道支撑 锚杆 挡土桩墙计算 多道 层 支撑 锚杆 挡土桩的计算方法很多 有等值梁法 二分之一分担法 逐层开挖支撑支承力不变法 弹性地基梁法 m法 有限元计算法等 3 6 1等值梁法一 计算步骤多道支撑等值梁法计算原理与单道相同 但须计算固端弯矩 求出弯矩后尚须进行分配 最后计算各支点反力 1 二 工程实例计算 北京京城大厦为超高层建筑 地上52层 地下4层 建筑面积110270m2 地面以上高183 53m 基础深23 76m 设计按23 5m计算 采用进口488mm 30mmH型钢桩挡土 桩中间距1 1m 三层锚杆拉结 地质资料如下图所示 2 对各土层进行加权平均后得 重度 19kN m3 内摩擦角 300 粘聚力c 10kPa 23m以下为砂卵石 p 350 430 潜水位在23 30m深的圆砾石中 深10m 地面荷载按10kN m2计算 一 计算土压力系数取 2 3 p 25o 则 Ka tan2 45o 2 tan230o 0 33 3 二 计算土压力零点 近似零弯矩点 距基坑坑底的距离yeaH1 qKa 10 0 33 33kPaeaH2 HKa 19 23 5 0 33 147 3kPaeaH eaH1 eaH1 33 147 3 150 6kPa Kp Ka 19 11 8 0 33 217 9kN m30 69m 4 三 绘制基坑支护简图 图3 33基坑支护简图图3 34连续梁计算简图 5 四 求各支点的荷载集度 没有考虑c qA qKa 10 0 33 3 3kN m2qB qKa 3 3 19 5 0 33 34 6kN m2同理可求 qC 78 5kN m2qD 116 2kN m2qE 150 6kN m2 6 五 分段计算连续梁各固定端的弯矩1 AB段AB段为悬臂梁MAB 0MBA 3 3 5 5 2 1 2 34 6 3 3 5 5 3 171 7kN m 7 2 BC段梁梁BC段的受力如下图所示 B支点荷载q1 qB 34 6kN C支点荷载q2 qC 78 5kN 由结构力学可求得 269 4kN m 8 3 CD段梁CD段梁的受力如下图所示 两端均为固支 将原梯形分布荷载看成一矩形荷载q1 qC 78 5kN和一三角形荷载q2 qD qC 116 2 78 5 37 7kN的叠加 由结构力学可求得 280 7kN m 9 303 4kN m4 DEF段梁DEF段梁如下图所示 D端固定 F点为零弯矩点 简支 将原多边形分布荷载看成一个矩形分布荷载和两个三角形分布荷载的叠加 10 q1 qD 116 2kN q2 150 6 116 2 34 4kN q3 150 6kN 从 建筑结构静力计算手册 P162 P164 P166可以查得 将a 5 5m b 0 69m l 6 19m q1 116 2kN q2 34 4kN q3 150 6kN代入上式 可以计算得到 MDF 637kN m 11 六 弯矩分配 1 背景知识由结构力学知 以上各式中 MIg是固定端I上的不平衡弯矩 MIk 为会交于固定端I的第k根杆上的分配弯矩 MkIC为会交于固定端I的第k根杆上另一端的弯矩 称为传递弯矩 Ik为会交于固定端I的第k根杆上的弯矩分配系数 CIk称为传递系数 SIk称为劲度系数 在等截面杆件的情况下 各杆的劲度系数和传递系数如下 远端为固定支座时 SIk 4iIk CIk 1 2 0 5 12 远端为铰支座时 SIk 3iIk CIk 0其中iIk EI lIk 并称为杆件的线刚度 在前面的分段计算中得到的固定端C D的弯矩不能相互平衡 需要继续用刚刚介绍的弯矩分配法来平衡支点C D的弯矩 2 求分配系数固端C SCB 3iCB 3 7 EI SCD 4iCD 4 6 EI 2 3 EI SCI SCB SCD 23 21 EI 0 391 CD 1 CB 1 0 391 0 609 13 固端D与固端C类似 可求得 DC 0 58 DF 0 423 分配弯矩由于D点的不平衡力矩MDg MDC MDF 303 4 637 333 6kN m C点的不平衡力矩MCg MCB MCD 269 4 280 4 11kN m 显然应当 首先对D支点进行弯矩分配MDC DCMDg 0 58 333 6 193 5kN mMDF DFMDg 0 42 333 6 140 1kN m由于C点是固支 MDC 将对其产生传递弯矩 MCDC CDCMDC 0 5 193 5 96 8kN m而F点是简支 MDF 不会对其产生传递弯矩 14 再对C支点进行弯矩分配MCg MCg MCDC 11 96 8 86 8kN m与其相应的分配弯矩和传递弯矩分别为 MCB 0 391 86 8 33 9kN m MCD 0 609 86 8 52 7kN mMDCC 1 2 52 7 26 4kN m此时 C点达到了基本平衡 D点又有了新的不平衡弯矩MDg MDCC 26 4kN m 不过已经小于原先的不平衡弯矩 按照完全相同的步骤 继续依次在结点C和D消去不平衡弯矩 则不平衡弯矩将越来越小 经过若干次同样的计算以后 到传递力矩小到可以忽略不计时 便可停止进行 此时 挡土桩墙已非常接近其真实平衡状态 15 上述各次计算结果可以用下表清晰表达 表3 4BCDF 33 4 16 通过以上计算 得到各支点的弯矩为 MB 171 8kN mMC 232 6kN mMD 485kN mMF 0 17 七 求各支点反力根据连续梁各支点的弯矩平衡 并参照下图 可以容易求得各支点反力 18 参照图 a 根据 MA 0求R BR B 94 8kN同样 参照图 b 可以求得 R B 114 5kNR C 281 4kN参照图 c 可以求得 R C 153 6kNR D 430 5kNDF段受力比较复杂 计算时应当小心 参照图 d 19 根据 MF 0 可以列出下式 RD 476kN根据 MD 0 可以列出下式 RF 388kN 20 各支点反力为 209 3kN435kN906 5kNRF 388kN 21 八 复核488型钢的强度 进口SM50及488 30的截面系数Wx 2910cm3 200MPa 计算最大弯矩为485kN m H型钢中心距为1 1m 因此 Mmax 485 1 1 533 5kN m max Mmax Wx 183 3MPa 200MPa强度满足要求 22 九 反力核算 土压力及地面荷载共计 3 3 23 5 150 6 3 3 23 5 2 150 6 0 69 2 1860 4kN支点反力共计 RB RC RD RF 1938 8kN误差 1938 8 1860 4 1860 4 4 2 23 十 H型钢的插入深度计算 用公式 3 25 可以计算出土压力零点y 0 69m按公式 3 26 有 t y x 3 9实际H型钢桩长27m 入土3 5m 已入砂卵石层 故不需要埋入更深 24 十一 悬臂段H型钢的变形 悬臂段为5m 但施工时必须多挖50cm深才能作锚杆 因此须按5 5m悬臂计算 图3 39为桩顶变形计算简图 16 4mm因H型钢桩中心距为1 1m 故须乘1 1 同时考虑土体变形乘以3 桩顶变形为16 4 1 1 3 54mm 图3 39桩顶变形计算简图 25 3 6 2二分之一分担法 二分之一分担法是多支撑连续梁的一种简化计算方法 计算较为简便 Terzaghi和Peck根据对柏林和芝加哥等地铁工程基坑挡土结构支撑受力的测定 以包络图为基础 用二分之一分担法将支撑轴力转化为土压力 提出了图3 12所示的土压力分布 反之 如土压力分布已知 设计计算时必须确定土压力分布 则可以用二分之一分担法来计算多道支撑的受力 这种方法不考虑支撑桩 墙的变形 求支撑所受的反力时 直接将土压力 水压力平均分配给每一道支撑 然后求出正负弯矩 最大弯矩 以确定挡土桩的截面及配筋 显然 这种计算简单方便 计算简图如图3 40所示 26 如要计算反力R2 只要求出 l1 l2 2 至 l1 l2 l3 2 之内的总土压力 因此计算很方便 a 弯矩图 b 轴力图 图3 40二分之一分担法计算简图 27 3 6 3逐层开挖支撑 锚杆 支承力不变法 多层支护的施工是先施工挡土桩或挡土墙 然后开挖第一层土 挖到第一层支撑或锚杆点以下若干距离 进行第一层支撑或锚杆施工 然后再挖第二层土 挖到第二层支撑 锚杆 支点下若干距离 进行第二层支撑或锚杆施工 如此循序作业 直至挖到坑底为止 一 方法介绍该计算方法假设每层支撑或锚杆安装后 其受力和变形均不因下阶段开挖及支撑设置而改变 28 一 计算的假定 支撑荷载不变每层支撑 锚杆 受力后不因下阶段开挖及支撑 锚杆 设置而改变其数值 所以钢支撑需加轴力 锚杆需加预应力 支撑位移不变下层开挖和支撑对上层支撑变形的影响甚小 可以不予考虑 比如第二层支撑完成后 进行第三层土方开挖和第三道支撑时 就认为第二层支撑变形不再变化 对支护桩墙来讲 每层支撑安设后可以看作简单铰支座 根据以上假定 上层支撑 锚杆 设计 要考虑的挖土深度应当直到下层支撑 锚杆 施工时的开挖深度 并且应当考虑到坑底下的零弯点 即近似土压力零点 29 二 计算方法及步骤 1 求各道支撑的支撑力RI求第一道支撑的水平力RB 见图3 42中的右下图 基坑开挖到B点以下若干距离 满足支撑或锚杆施工的距离 但未作第一层 B点 支撑或锚杆时 必须考虑悬臂桩 AC段 的要求 如弯矩 位移等 在设计和施工 图3 42计算简图 30 第一层 B点 支撑时 要考虑它必须满足第二阶段挖土所产生的水平力 直到第二道 C点 支撑未完工之前 算法是 先用前述公式求出C点下零弯点O距临时坑底的距离y 然后求出O点以上总的主动土压力Ea 包括主动土压力 水压力 此时C点尚未支撑或未作锚杆 B支撑以下部分的土压力将由RB及RO承受 从O点取矩可以求出RB EA RO RB 即一部分主动土压力由被动土压承担 2 求第二道 C点 支撑 锚杆 的支撑力RC同样 在求第二道 C点 支撑的支撑力RC时 要先求出第三道支撑 D点 下的零弯点O 土压力零点 再求出第三阶段挖土结束但第三道 D点 支撑 锚杆 尚未完成时的各种水平力 从O 点取矩可以求出RC 以下各道支撑的支撑力RI求解方法与以上相同 31 2 求各断面的弯矩将桩视为连续梁 各道支撑为支点 连续梁上各支点的支撑力已经通过上述计算得到 从而可以求出各断面的弯矩 找出其中的最大值作为核算强度依据 32 3 6 4弹性地基梁法 一 简介目前在支挡结构设计中应用较多的仍然是等值梁法和弹性地基梁法 等值梁法基于极限平衡状态理论 假定支挡结构前 后受极限状态的主 被动土压力作用 不能反映支挡结构的变形情况 无法预估开挖对周围建筑物的影响 故一般只能用于校核支护结构内力 弹性地基梁法则能够考虑支挡结构的平衡条件和结构与土的变形协调 并可有效地计入基坑开挖过程中的多种因素的影响 如挡墙两侧土压力的变化 支撑数量随开挖深度的增加 支撑预加轴力和支撑架设前的挡墙位移对挡墙内力 变形的影响等 同时从支挡结构的水平位移也可以初步估计开挖对邻近建筑的影响程度 因而它已经成为一种重要的基坑支挡工程设计方法 展现了广阔的应用前景 33 基坑工程弹性地基梁法是取单位宽度的挡墙作为竖直放置的弹性地基梁 支撑简化为与截面积和弹性模量 计算长度等有关的二力杆弹簧 一般采用图3 47的两种计算图示 图3 47弹性地基梁法的计算图式 a 规范推荐的 侧向弹性地基梁法 b 称为共同变形法 由日本的森重龙马首先提出 34 弹性地基梁法中土对支挡结构的抗力 地基反力 用弹簧来模拟 地基反力的大小与挡墙的变形有关 即地基反力由水平地基反力系数 机床系数 同该深度挡墙变形的乘积确定 地基反力系数有多种分布 不同的分布形式就形成了不同的分析与计算方法 图3 48给出地基反力系数的五种分布图示 图3 48地基反力系数沿深度的分布 35 上述五种分布图示都可以用下面的通式来表达 3 27 式中 z为地面或开挖面以下深度 k为比例系数 n为指数 反映地基反力系数随深度而变化的情况 A0为地面或开挖面处土的地基反力系数 一般取为零 根据n的取值 人们将图3 48 a b d 分布模式的计算方法分别称为张氏法 n 0 C法 n 0 5 和K法 n 2 在图3 48 c 中 n 1 Kh kz 3 28 此式表明水平地基反力系数沿深度按线性规律增大 由于我国以往应用此种分布图示时 用m表示比例系数 即Kh mz 故通称m法 中国交通部标准JTJ024 85 36 采用m法时土对支挡结构的水平地基反力f可写成如下的形式 f mzy 3 28 式中 y为计算点处挡墙的水平位移 水平地基反力系数Kh和比例系数m的取值原则上宜由现场试验确定 也可参照当地类似工程的实践经验 国内不少基坑工程手册或规范也都根据铁路 港口工程技术规范给出了相应土类Kh和m的大致范围 当无现场试验资料或当地经验时可参照下面的表3 6和表3 7选用 37 表3 6不同土的水平地基反力比例系数m 38 表3 7不同土的水平地基反力系数Kh 39 二 墙后作用荷载 对于正常固结的粘性土 砂土等 一般认为弹性地基梁法是目前较好的近似计算方法 但仍存在如何处理墙后作用荷载的问题 对于通用的弹性地基梁法有图3 49所示的4种土压力模式 a b c d 图3 49弹性地基梁法的常用土压力模式 40 目前通常采用图3 49 b 所示的土压力模式 即在基坑开挖面上作用主动土压力 该主动土压力常根据朗肯理论计算 而开挖面以下土压力不随深度变化 在土质特别软弱地区 图3 49 c 的土压力模式也被用于挡土结构的内力及变形分析 图3 49 a 的模式则适用于挡墙基本不变形或变形很小的基坑工程 41 图3 50为利用图3 49 b c 两种土压力模式对一悬臂支撑的6 0m深基坑的挡墙变形 弯矩的结果比较 由图可见 两种模式计算的位移 弯矩值差别较大 从一些工程的实测资料来看 图3 49 c 模式中的土压力是偏小的 分析中若用此模式将低估了支护结构的内力和变形 图3 50利用图3 49 b c 两种土压力计算模式计算的支护结构位移和弯矩的比较 42 图3 47 b 所示的基于共同变形理论的弹性地基梁法提出了墙体变形对土压力增减的计算方法 在挡土结构两侧均考虑结构变形对土压力的影响 在初始状态 即挡墙位移为零时 土压力 也包括水压力 按静止土压力考虑 在墙体发生变形后 假定作用于墙上的土压力随墙的变形而变化 但其最小主动土压力强度值为ea 最大的被动土压力强度值为ep 设墙体某点的水平位移为 则此时该点墙前 开挖侧 土压力强度e 和墙后土压力强度e 分别为 e e0 K ep 3 29a e e0 K ea 3 29b 式中e0 e0 静止土压力强度 Ka K 该点墙前 墙后的地基反力系数 43 采用共同变形的弹性地基梁法时 分析得到的墙背土压力介于主动土压力和静止土压力之间 墙前土压力介于静止土压力和被动土压力之间 与实际情况有一定的一致性 应当注意的是采用共同变形法时 基坑内土体的水平地基反力系数Kh或比例系数m与通用的弹性地基梁法中的参数具有不同的涵义 坑后土的Kh或m的取值目前也缺少经验 因而暂时还未广泛采用 44 三 求解方法 不讲 1 解析法和有限差分法弹性地基梁的挠曲微分方程仅对最简单的情况有解析解 其微分方程为 3 30 式中E 挡墙的弹性模量 I 挡墙的截面惯性矩 矩形截面Iz bh3 12 圆形截面Iz d4 64 z 地面或开挖面以下深度 q z 梁上荷载强度 包括地基反力 支撑力和其它外荷载 45 对于悬臂式支挡结构 可以将开挖面以上的水平荷载等效为开挖面处的水平力和力矩 利用式 3 30 参照桩头作用有水平力和力矩的完全埋置的水平受载桩的理论解 可参见 桩基工程手册 1995 中国建筑工业出版社 第四章或其它文献 得出开挖面以下挡墙的变形和内力 再根据开挖面上 下挡墙的内力变形协调 推算出开挖面以上挡墙的内力和变形 当然这也仅针对简单的外荷载分布模式才有可能求得解析解 对于设有支撑 挡墙前后作用荷载分布模式比较复杂的挡土结构 可以按有限差分法的一般原理求解 从而得到挡墙在各深度的内力和变形 46 2 杆系有限单元法利用杆系有限单元法分析挡土结构的一般过程与常规的弹性力学有限元法相类似 主要过程如下 1 把挡土结构沿竖向划分为有限个单元 其中基坑开挖面以下部分采用弹性地基梁单元 开挖面以上部分采用一般梁单元 一般每隔1 2m划分为一个单元 为计算方便 尽可能把节点布置在挡土结构的截面 荷载突变处 弹性地基反力系数变化段及支撑或锚杆的作用点处 各单元以边界上的节点相连接 支撑和锚杆作为一个自由度的二力杆单元 荷载为主动侧的土压力和水压力 47 2 由各个单元的单元刚度矩阵集成总刚矩阵 根据静力平衡条件 作用在结构节点的外荷载必须与单元内荷载平衡 外荷载为土压力和水压力 可以求得未知的结构节点位移 进而求得单元内力 其基本平衡方程为 K R 3 31 式中 K 总刚矩阵 位移矩阵 R 荷载矩阵 48 一般梁单元 弹性地基梁单元的单元刚度矩阵可参考有关弹性力学文献 对于弹性地基梁的地基反力 可按式 3 28 由结构位移乘以水平地基反力系数求得 计算得到的地基反力还需用土压力理论来判断是否在容许范围之内 若超过容许范围 则必须进行修正 重新计算直至满足要求采用杆系有限元法 也须计入开挖施工过程 支撑架设前挡土结构已发生的位移及支撑预加轴力的影响等 49 四 弹性地基梁法对单道支撑支护结构性状的分析结果 一般而言 对于软土地区开挖深度为6 9m的基坑工程 无论是从围护效果还是围护费用的角度 单层支撑围护结构是经常采用的一种比较经济合理的围护形式 尽管如此 这种支护方式中仍有许多问题没有定论 如支撑点的按设深度 支撑和围护桩墙的刚度 围护桩墙的插入深度及坑底土质的好坏 m的取值 等均是工程界敏感的问题 下面介绍用m法计算得到的单层支撑维护结构的一些性状 同时也将m法与工程界常用的等值梁法的计算结果从理论上作了一些比较 算例中土层参数为 18 0kN m3 c 10kPa 15o 支撑刚度Kso 8000kN m3 mo 4000kN m3 开挖深度H 8 0m 插入深度D 8 0m 围护墙厚度d 0 7m 50 1 支撑 锚杆 设置深度对支撑位移和受力的影响图3 51 a b 给出了支撑点设置深度变化时挡墙沿深度方向的水平位移和弯矩的分布 图 c 为围护墙最大水平位移 最大弯矩随支撑点相对位置HS H H为开挖深度 HS为支撑点的深度 的变化曲线 图3 51单撑设置深度对支撑受力和位移的影响 51 结果表明 当支撑位置下移时 最大水平位移发生位置从坑底附近移到桩顶 同时桩身弯矩峰值明显减小 即支撑点下移至一定深度对围护墙的受力有利但对墙顶位移控制无益 因而合理的布置支撑位置非常重要 若综合考虑围护墙变形和受力两方面因素 单道支撑支护结构支撑点设置深度宜取0 4H左右 当然 如果没有严格控制地面变形的要求 支撑位置还可适当降低 但必须注意 在工程实际中 有时常常为了抢工期 不能等到锚撑达到一定强度后就开挖 因此支撑点设置深度得留有余地 不能太大 以保证安全 52 2 围护墙的插入深度的影响影响围护墙插入深度的因素主要是坑底土质情况 而且相当敏感 目前工程界常用等值梁法确定插入深度 但有时会偏保守 图3 52给出了用m法求出的插入深度变化时挡墙水平位移和弯矩的分布 图3 52围护墙插入深度的影响 53 可以看出 挡墙插入深度增加时 墙体变形和弯矩值将适当减小 但减小幅度不大 因此当插入深度已满足土体强度与围护墙的稳定要求时 再增大插入深度 对减小墙体变形和弯矩作用不大 但也有不少实测资料表明 当土的强度很低时 两种不同的相对插入深度 D H 例如1 0与0 8 其位移相差很大 甚至可达数倍 有的还会出现踢脚型的位移曲线 故插入深度也不能取值过低 54 3 支撑刚度的影响 对于顶部加支撑的围护墙 支撑刚度增大时 墙顶位移减小 但开挖面附近位移变化不大 同时墙身弯矩稍有增加 从图3 53墙身位移 弯矩与支撑相对刚度KS KS0 KS0 8000kN m3 关系曲线来看 当支撑刚度增至某一数值 1 6 104kN m3 后 墙身最大水平位移和弯矩值已基本稳定 此时再增大支撑刚度作用不大 图3 53 55 4 围护墙刚度的影响 图3 54为地质条件及开挖深度相同的情况下 围护墙变形和弯矩随围护墙厚度d的变化曲线 由于墙厚的增加 墙身变形相应减小 而围护墙所受弯矩也有一定程度的增加 故利用增大围护墙刚度来减小变形时应综合考虑经济因素 图3 54 56 5 坑底土m取值的影响 基坑工程中人们对开挖面以下土质的好坏比较重视 用m法分析支护桩墙的内力变形时 坑底土质的好坏主要反映在m的取值上 故m取值的偏差对桩墙受力和变形的影响幅度大小应被关注 图3 55为围护墙最大弯矩 水平位移与m的相对取值m m0 m0 4000kN m4 的关系曲线 图3 55 57 可以发现m取值的偏差对墙体受力和变形的影响幅度不大 如对于淤泥土 我国 建筑基坑工程技术规范 建议m的取值范围为2500 6000kN m4 若m的取值在4000 6000kN m4范围内变化 墙体最大弯矩将在710 660kN m范围内变化 可见m对墙体的影响幅度较小 对墙体变形的影响更为有限 58 6 与等值梁法的比较 目前开挖工程中围护墙受力分析最常用的有等值梁法和m法 其中等值梁法存在着较多缺陷 首先是等值梁法只能求墙体内力而不能反映墙体变形 其次是等值梁法对基坑底部被动土压力的取值很敏感 被动土压力的取值偏差可能引起墙体受力和插入深度较大幅度的变化 图3 56为m法和等值梁法对单撑围护墙计算的弯矩比较曲线 对于单撑支护结构 m法和等值梁法得到的墙体弯矩分布是比较近似的 图3 56 59 五 用m法对多撑支护结构的分析结果 对软土地基上二层以上地下室或开挖深度超过9m的深基坑工程 常设二层或二层以上的支撑体系 或锚杆 与单撑支护结构比较 用m法分析时 除了同样需考虑支撑点的位置 支撑和墙体刚度 墙体插入深度及m取值等因素外 多层支撑支护结构还存在着各层支撑间的相对位置 相对刚度的影响问题 经分析发现 多撑支护结构中关于支撑和墙体刚度 墙体插入深度及m取值等因素的影响与单撑支护结构类似 不再重述 下面结合某三层地下室的深基坑工程 开挖深度H 15 8m 讨论支撑点位置 各层支撑间相对刚度对多撑支护结构的影响 以及用m法和等值梁法对多撑支护结构计算结果的比较 60 1 支撑点位置的影响 图3 57 a b 给出了三层支撑的围护墙在支撑点位置变化时墙体沿深度方向的位移和弯矩分布 与单撑支护结构不同的是 当支撑位置下降时 墙体变形和弯矩在深度范围内均显著减小 即支撑点下移对多撑支护结构的受力和变形都是有利的 图3 57 61 2 各层支撑间的相对刚度的影响 多层支撑支护结构中各层支撑间的相对刚度对墙体的变形和受力的影响不容忽视 图3 58 a b 给出了各支撑间相对刚度变化时墙体沿深度方向的位移和弯矩的分布情况 其中曲线a为基本算例 曲线b为最上层支撑刚度增加一倍而其它条件不变的情况 曲线c为最下层支撑刚度增加一倍而其它条件不变的情况 图3 58 62 可以发现 增加最上层支撑刚度可以适当减小墙体上部水平位移而对下部变形无明显的影响 同时使墙体负弯矩有一定程度的增大 增加最下层支撑的刚度则对墙体的受力和变形均很有利 因而多层支撑基坑支护工程应重视和适当加强最下层支撑 63 3 与等值梁法的比较 图3 59为分别用m法和等值梁法分析多撑围护体系时墙体弯矩的分布 应该说 从墙体弯矩沿深度的分布和数值上的明显差异来看 两种方法在分析多撑支护结构时是有很大差别的 从而也说明常用的基坑工程计算理论和方法是存在问题的 鉴于等值梁法对被动土压力取值的敏感性 建议对多撑支护体系同时采用m法进行分析 有些工程仅用等值梁法分析是存在隐患的 图3 59 64 六 弹性地基梁法的局限性 弹性地基梁法的优点前面已经指出 即能计算围护墙的位移 可解决等值梁等传统的计算方法不能解决的变形问题 而且计算参数Kh或m已有现成的范围值 在计算机上运算比较简单 但也应该指出通用的弹性地基梁法尚有一些局限性 有待今后作进一步的研究 1 土力学上有两大课题 即强度问题与变形问题 深基坑工程亦然 m法解决了变形问题 但强度问题基本上没有涉及 由于围护桩墙的插入深度主要决定于土的强度 而不是变形的大小 因此不能用m法来确定 此外 由m法算得的土的抗力还需用土的强度理论来判定它是否在容许值之内 可是此处的土抗力又有其特殊涵义 应为静止土压力以外的力 因在位移为零时 土抗力为零 所以较难判定 65 3 6 5带撑围护结构的有限元分析 1 有限元分析方法概述 不讲 2 基坑工程的有限元分析模式 1 基坑开挖工期一般较短 而土体在自重状态下一般已基本完成固结 所以通常可以按固结不排水条件分析 不考虑地下水的存在 利用对称性 取其二分之一进行计算 2 土体单元采用八结点等参数单元 采用摩尔 库仑 Mohr Coulomb 理想弹塑性模型 围护结构与支撑采用梁单元 按弹性材料考虑 由于梁单元的每个结点有u v 三个自由度 而土体单元只有u v两个自由度 因此必须进行处理 最简单的办法就是将非梁单元上结点的自由度也扩充成三个自由度 然后再按常规有限元的方法将单刚聚成总刚 求解未知数 这种方法思路清晰 66 3 为了模拟围护结构与土之间的共同作用 在两者之间设置古得曼 Goodman 接触面单元 4 计算过程 首先对土体施加重力 计算出土体在自重下的初始应力场 并将初始位移置零 计算每级开挖面上各结点的等效结点力 将其反作用在开挖面上 并移去开挖面以上的单元 计算变化后的位移场与应力场 进行应力修正 进行下一级开挖 直至坑底 5 应力修正 在某级荷载增量下 一些单元可能处于拉裂或剪切破坏状态 必须进行应力修正 当 3 P 抗拉强度 时 如图3 61 a 所示 应把 3修正为 3 P 土体可取 P 0 对于图3 61 b 所示的剪切情况 当计算应力圆超过强度包线时 将应力圆修正到与包络线相切 67 图3 61破坏单元的应力修正 68 假定垂直应力分量 z和应力方向 在修正前后不变 由此可推得修正后的应力为 或 当 xz 0 69 3 模拟施工过程中的土压力 弯矩和支撑力分布 算例 已知基坑开挖深度为10m 基坑宽度为40m 围护结构为 800 900钻孔桩 弹性模量E 2 0 104MPa 插入深度为9m 设有二道支撑 其中心分别位于地表下1 0m和6 0m 支撑水平间距为8m 弹性模量E 2 3 104MPa 不考虑压顶梁及围囹的作用 土体参数为 C 15kPa 120 17kN m3 剪切模量G 1 7MPa 体积模量B 8 3MPa 并假设土体为均质土 挖土顺序如下 1 第一次开挖至地表下1 2m 设置第一道支撑 截面为500mm 500mm 70 2 第二次开挖至地表下6 3m 设置第二道支撑 截面为600mm 600mm 3 第三次开挖至基坑底 4 第二道支撑退缩20mm或40mm 有限元网格如图3 62所示 图3 62有限元网格划分图 71 图3 63 图3 64分别为各阶段的主 被动土压力分布图 围护桩桩顶位于地表下1 0m 图3 63主动土压力分布图图3 64被动土压力分布图 72 图3 65 图3 66分别为各阶段的弯矩和位移分布图 图3 65弯矩分布图图3 66位移分布图 73 各阶段的支撑力 围护结构的最大弯矩Mmax和最小弯矩Mmin见表3 8 表3 8各阶段的支撑力和围护结构弯矩 74 图3 67 图3 71为各阶段的塑性区分布图 图中阴影部分为塑性区单元 图3 67第一步开挖后塑性区分布图图3 68第二步开挖后塑性区分布图 图3 69第三步开挖后塑性区分布图图3 70退缩20mm后塑性区分布图 75 图3 71退缩40mm后塑性区的分布图 由上述有关图表可见 随着开挖深度的增加和支撑的退缩 主动土压力逐渐减小 围护结构位移和弯矩逐渐增大 塑性区范围不断扩大 76 3 6 6多层支撑 锚杆 计算方法的分析 一 等值梁法 弹性地基梁法以及有限元法的比较有限元法在模拟基坑开挖时由于存在不可避免的弱点 即土体本构模型和土体参数难以确定 以及土体按连续介质模拟时采用的边界条件与实际工程之间可能存在差异等 使其应用受到限制 虽然近年来发展了反分析方法以确定土体参数 使其更加符合实际 但从总体而言 目前在开挖支挡结构设计中应用较多的仍然是等值梁法和弹性地基梁法 77 等值梁法基于极限平衡状态理论 假定支挡结构前 后受极限状态的主 被动土压力作用 不能反映支挡结构的变形情况 亦即无法预先估计开挖对周围建筑物的影响 故一般仅作为支护体系内力计算的校核方法之一 弹性地基梁法则能够考虑支挡结构的平衡条件和结构与土的变形协调 分析中所需参数单一且土的水平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 m法解决了变形问题 但强度问题基本上没有涉及 墙后土压力分布只是一种假定 特别是坑底以下的土压力分布假设的依据不足 78 二 对三种传统计算方法的分析比较 1 从各种方法计算得到的水平支承力RB RC及RD来看 RC相差不多 RD用等值梁法计算的结果比其它两种方法计算的结果大较多 而RB又是以逐层开挖支撑支承力不变计算法的计算值较其它两种方法的计算值大得多 这是因为计算B点水平力时除了应当考虑悬臂部分外 还应当考虑B层以下直至C层支撑或锚杆尚未完成时的土压力 等值梁法没有考虑这部分土压力 因此计算的支承力小50 二分之一分担法只考虑了其中的一半 79 2 逐层开挖支撑 锚杆 支承力不变计算法 符合实际施工状况 即分阶段开挖分阶段支撑 在开挖过程中桩 墙总要发生变形 进行支撑或安装预应力锚杆 随时可以对支承轴力进行调整 用传统的极限状态土压力理论是不能解决的 应用等值连续梁计算方法 因荷载复杂 计算较繁琐 而且与实际有差距 二分之一分担法只是近似方法 逐层开挖支撑支承力不变计算法既简便 又符合实际施工情况 是比较合适的计算方法 80 3 石家庄某高层建筑基坑深20 7m 三层锚杆 实际设计的第一层锚杆水平力是按二分之一分担法计算的 其值为316kN 工程发生了事故 后用逐层开挖支撑支承力不变法重新计算 结果为396kN 与设计值差25 该工程发生事故可能与此也不无关系 总之 以逐层开挖支撑 锚杆 支承力不变法计算多层挡土桩墙的支承力比较符合实际 81 3 7支护桩墙稳定验算 支护桩墙除需保证结构本身稳定外 还要保证开挖基坑后不会出现坑底隆起和管涌等现象 3 7 1坑底隆起验算在开挖软粘土基坑时 如桩背后的土柱重量超过基坑底面下地基承载力时 地基平衡状态受到破坏 就会发生坑壁土流动 坑顶下陷 坑底隆起的现象 82 一 按照剪切破坏验算地基的稳定性 图3 72地基隆起验算 a 坑底隆起现象 b 计算简图 基坑壁后土体在重量W的作用下 其下的软土地基沿某圆柱面发生破坏和滑动 绕中心轴O转动 此时 83 转动力矩为 3 49 抵抗滑动的力矩为 3 50 要保证坑底不发生隆起 则要求 Mr M0 K 1 2 3 51 当土层匀质时Mr x2式中 地基土的不排水抗剪强度 在饱和软土中 0 c Mr cx2 上述验算方法中 没有考虑垂直面上土的抗剪强度对土体下陷的阻力 所以偏于安全 算出的桩的入土深度是较深的 84 验算举例 上海花园饭店基坑深6 2m 三道支撑 地面荷载20kN m2 参数为 17kN m3 7m以下c值为c2 25kPa 值比较小 从安全考虑可以忽略 设计板桩深入坑底11 8m 试验算其安全系数 滑动力矩M0为 图3 73稳定验算简图 M0 20 17 6 2 11 82 2 8730kN m 85 抗滑力矩Mr为 Mr x2 cx2 3 14 25 11 82 10936kN mK Mr M0 10936 8730 1 25 1 2该工程按地基稳定验算 板桩需要插入坑底11 8m 但用等值梁法计算则为11m左右 86 二 用Terzaghi Peck方法验算地基强度 计算简图如下所示 图3 74地基强度验算简图 87 基坑底平面OB面积上所受的总压力P为 P W H q H B H式中 为抗剪强度 在饱和软土中 0时 c 单位面积上的压力pv为 一般认为饱和粘土地层的极限承载力pu 5 7c 5 14c 上述验算已考虑土体向下滑动时 垂直面AB的抗剪阻力 所以按照这种计算方法 应取安全系数K pu pv 1 5 由于桩墙一般都插入到坑底以下了 地基土的破坏和滑动还会受到桩墙阻挡及BF弧段土体抗剪的抵抗作用 88 假设作用在被动区桩 墙 侧面单位面积上的水平压力为ph 取OBF扇形体进