段政彬, 馬石城, 印長俊

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h型雙排樁復(fù)合錨桿支護結(jié)構(gòu)分析

段政彬*, 馬石城, 印長俊

(湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院, 湖南 湘潭, 411105)

結(jié)合湘潭市某深基坑應(yīng)用的新型式h型雙排樁復(fù)合錨桿支護結(jié)構(gòu), 按多支點等值梁模型進行了其內(nèi)力計算, 結(jié)果表明這種方法計算簡單, 安全性高, 可指導(dǎo)于工程設(shè)計. 通過與傳統(tǒng)型式的雙排樁—錨桿支護結(jié)構(gòu)的受力性能對比, 得出h型雙排樁結(jié)構(gòu)型式不僅節(jié)省材料, 而且樁身受力更加合理, 值得推廣使用.

基坑支護; 樁錨支護; 等值梁模型; 內(nèi)力計算

許多城市老城區(qū)基坑工程項目中, 建筑物四周或道路兩旁埋設(shè)了許多復(fù)雜的地下水管、城市排污管道等設(shè)施. 湘潭市某深基坑工程就處于老城中心地區(qū), 為了保護埋置在基坑周圍的管道設(shè)施, 監(jiān)測其變形、位移, 同時從優(yōu)化支護結(jié)構(gòu)的受力性能等方面考慮, 湘潭大學(xué)印長俊設(shè)計出新型式的預(yù)應(yīng)力錨—h型雙排微型鋼管樁支護結(jié)構(gòu). 這種支護結(jié)構(gòu)型式目前已在湖南省湘潭市某基坑支護工程和湖北鐘祥市某基坑支護工程中進行了應(yīng)用, 并在施工過程中對基坑周邊地下管道設(shè)施同步進行了監(jiān)測、保護, 取得了較好的支護效果. 對于傳統(tǒng)型式的樁錨支護結(jié)構(gòu), 《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》(JGJl20—2012)[1]中采用彈性支點法進行分析, 彈性支點法基本上未考慮到土體的強度問題. 高美玲[2]與王萍萍[3]采用經(jīng)典的等值梁法對雙排樁—錨桿支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力進行了計算, 本文結(jié)合文獻[2—3]建立了樁錨支護計算模型對預(yù)應(yīng)力錨—h型雙排樁支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力進行了計算分析.

1 工程實例

湘潭市某基坑工程位于湘潭市車站路、韶山中路及建設(shè)北路沿線, 該工程的設(shè)計使用年限為50年, 耐火等級一級, 防水等級一級. 主體部分為地下工程, 地下負一層, 埋深主體工程約8 m. 該基坑由于地處老城區(qū)中心, 地下管線較多, 有國防光纜、交通設(shè)施、電力、通信、供水、排水、天然氣管線等, 都需要重點保護. 地下水位埋深9.50～13.50 m, 不考慮地下水對支護結(jié)構(gòu)的影響. 由于地處城市核心區(qū), 交通壓力大, 周邊建筑環(huán)境復(fù)雜, 地面超載為40 kPa.

基坑圍護結(jié)構(gòu)主要設(shè)計參數(shù): ① h型雙排微型鋼管樁, 樁徑65 mm, 壁厚3 mm, 管內(nèi)注漿, 前后排樁長均為8 m, 排間距1 500 mm, 前后排樁頂標高差為2 m. ②樁頂連梁為厚100 mm的C30混凝土. ③前排樁上每隔2 m設(shè)置1根錨桿, 第1根錨桿位于地面下2 m, 錨桿長度為15 m, 每根錨桿上施加預(yù)拉力120 kN. 結(jié)構(gòu)參數(shù)詳見圖1. 根據(jù)《湘潭市河西核心商務(wù)區(qū)人防平戰(zhàn)結(jié)合工程巖土工程勘察報告》, 具體工程地質(zhì)參數(shù)見表1.

圖1 設(shè)計簡圖

表1 各土層主要參數(shù)

注: 表中帶*號的均為經(jīng)驗數(shù)據(jù).

2 計算方法

① 整個支護結(jié)構(gòu)的計算模型仍看作樁錨支護體系, 樁體部分由2排階梯型微型樁通過連梁固結(jié)在一起, 并形成2個直角剛結(jié)點, 3根錨桿作為支座提供水平集中力, 前后排樁底端固定. 假定土壓力[3]符合郎肯土壓力的分布形式, 則計算模型簡化見圖2.

② 考慮到雙排樁間存在排距, 后排樁距前排樁及基坑支護面1.5 m, 后排樁的開挖深度按文獻[4]中的等效開挖深度計算, 后排樁的等效開挖深度為:

其中為土層的內(nèi)摩擦角.

③ 文章中的h型雙排樁簡化為門式剛架模型, 把后排樁高出前排樁部分所受的外荷載和土壓力, 簡化為1個彎矩和1個水平力.

后排樁樁頂上的地面超載和點以上的土壓力簡化為對結(jié)點的外力0和彎矩, 得到0= 88.8 kN,= 73.43 kN×m.

④ 樁身內(nèi)力計算采用等值梁法[5]. 等值梁理論中, 基坑底以下的零彎矩點位置與土壓力分布零點位置很接近, 計算中找出土壓力零點位置代替彎矩零點位置. 即:

式中:a為主動土壓力系數(shù),P為被動土壓力系數(shù),為土的粘聚力. 前后排樁土壓力強度零點距離基坑底面的距離1= 1.07 m,2= 0.47 m.

⑤ 前后排樁的受力情況分析. 圖3、圖4分別為前、后排樁受力簡圖.

對點求力矩平衡可得1=108.6 kN. 門式框架各結(jié)點固端彎矩按《建筑結(jié)構(gòu)靜力計算手冊》[6]進行計算可得:段一端固定一端簡支,M=-2.8 kN×m;段兩端固定,M=-15.1 kN×m,M= 16.4 kN×m;段一端固定一端簡支,M=-75.4 kN×m;同段, 所以有M=-85.32 kN×m.

已知各固端彎矩, 應(yīng)用結(jié)構(gòu)力學(xué)[7]中的彎矩分配法得出各桿端的最終彎矩, 再對每段桿件隔離分析, 求解平衡方程計算支點反力, 最后用超靜定結(jié)構(gòu)求解方法可得前、后排樁的內(nèi)力分布情況. 錨桿作用力為R= 115.26 kN,R= 47.2 kN,R= 181.86 kN.

圖2 計算模型簡化

圖3 前排樁受力簡圖

圖4 后排樁受力簡圖

⑥雙排樁-錨桿的內(nèi)力圖.采用上述方法計算得出h型雙排樁支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力情況. 圖5為結(jié)構(gòu)彎矩圖, 單位是kN×m, 圖6是結(jié)構(gòu)剪力圖, 單位是kN.

圖5 結(jié)構(gòu)彎矩圖

圖6 結(jié)構(gòu)剪力圖

由圖5可以看出, 前排樁上由于三處錨桿的反作用力, 使得彎矩在錨桿作用點反向回縮, 整體上控制了樁身彎矩的增大. 設(shè)計時可縮小排樁尺寸, 節(jié)約建材. 另外, 從彎矩圖5可以看出, 前排樁在基坑開挖面點下, 后排樁在基坑等效開挖面點下都存在反彎點, 映證了等值梁理論在這種支護結(jié)構(gòu)受力分析中的適用性.

由圖6可以看出, 前排樁上三錨桿處剪力值發(fā)生突變, 錨桿的反作用力制約了樁身剪力的發(fā)展, 優(yōu)化了結(jié)構(gòu)受力性能, 其中處錨桿支反力值最大, 對支護結(jié)構(gòu)樁身的受力有較大影響. 連梁在前后排樁之間起到了傳遞彎矩和力的作用.

圖7 傳統(tǒng)的雙排樁錨支護結(jié)構(gòu)

3 與傳統(tǒng)的雙排樁錨支護結(jié)構(gòu)比較

圖7為傳統(tǒng)型式的雙排樁錨桿支護結(jié)構(gòu), 它前后排樁長均為10 m, 比圖1中的新型式h型雙排樁復(fù)合錨桿支護結(jié)構(gòu)中前后排8 m樁要長2 m. 在同樣假設(shè)和同樣參數(shù)的前提下, 采用上述方法對傳統(tǒng)型式的雙排樁錨桿支護結(jié)構(gòu)進行了內(nèi)力計算, 并且與上文中的預(yù)應(yīng)力錨桿—h型雙排樁支護結(jié)構(gòu)進行了比較. 圖8、圖9分別為2種支護結(jié)構(gòu)前、后排樁剪力的計算結(jié)果.

圖8 前排樁剪力對比

圖9 后排樁剪力對比

從圖8可以看出, 傳統(tǒng)型式雙排樁錨桿支護結(jié)構(gòu)前排樁上2 m處有錨桿支反力作用, 產(chǎn)生了較大的剪力突變, 且樁身剪力值達到了90 kN, 而h型雙排樁由于采用階梯型布樁型式, 前排樁上2 m以上土體挖除, 卸掉了土壓力, 其樁身剪力值很小, 與傳統(tǒng)型式雙排樁樁身剪力相差很大. 在2 m以下地區(qū), 距地表越深處, 土壓力值趨向相等, 且受3根錨桿作用影響, 剪力值差別減小. 圖9顯示的后排樁上, h型雙排樁由于連梁的作用, 在2 m深處剪力值發(fā)生了突變, 控制了剪力的增長趨勢. 另外, 從圖8、圖9中可以看出傳統(tǒng)型式雙排樁樁身最大剪力值為150 kN, 大于h型雙排樁樁身最大剪力120 kN.

圖10、圖11分別為2種支護型式前、后排樁彎矩的計算結(jié)果.

圖10 前排樁彎矩對比

圖11 后排樁彎矩對比

從圖10和圖11可以看出, 在2 m以下部位, 2種型式雙排樁在前排樁上由于錨桿的存在, 彎矩值相差不大, 但由于h型雙排樁采用階梯型布樁型式, 連梁位置不同, 后排樁彎矩值有很大差別. 2 m深處, h型雙排樁的后排樁彎矩值發(fā)生突變, 使得后排樁身彎矩值比傳統(tǒng)型雙排樁后排樁身彎矩值要小很多. 這是因為h型雙排樁樁身結(jié)構(gòu)更加合理, 且前排樁樁頂卸掉了部分土體可以減小土壓力的原因. 因此, 這種階梯型布樁型式優(yōu)化了整個結(jié)構(gòu)的受力性能.

4 結(jié)語

結(jié)合工程應(yīng)用實例, 對新型式的預(yù)應(yīng)力錨—h型雙排微型鋼管樁支護結(jié)構(gòu)進行了內(nèi)力分析與計算, 得到的結(jié)果比較理想. 這種方法簡單、適用, 計算結(jié)果偏于安全, 可以指導(dǎo)支護結(jié)構(gòu)設(shè)計.

從對新型式的錨桿—h型雙排樁支護結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)錨桿—雙排樁支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力進行的對比分析可得出, 新型式的錨桿—h型雙排樁支護結(jié)構(gòu)不僅便于施工作業(yè)和對附近管線的監(jiān)測保護, 而且在排樁型式上進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化, 樁身受力更加合理, 對工程上節(jié)約材料成本具有一定意義.

本文采用等值梁法進行計算, 沒有考慮樁體剛度及樁間土的影響, 有待改進.

[1] JGJl20—2012. 建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版, 1999: 15—17.

[2] 高美玲. 單支點雙排樁復(fù)合錨桿支護結(jié)構(gòu)受力分析及 FLAC_3D數(shù)值模擬[D]. 武漢: 中國地質(zhì)大學(xué), 2002.

[3] 王萍萍. 雙排樁—錨桿支護結(jié)構(gòu)受力性狀分析[D]. 邯鄲: 河北工程大學(xué), 2011.

[4] 王曦平. 深基坑雙排樁支護結(jié)構(gòu)的計算方法與工程應(yīng)用研究[D]. 長沙: 湖南大學(xué), 2012.

[5] 謝猛, 侯克鵬, 傅鶴林. 等值梁法在深基坑支護設(shè)計中的應(yīng)用[J]. 土工基礎(chǔ), 2008, 22(1): 14—17.

[6] 編寫組. 建筑結(jié)構(gòu)靜力計算手冊[M]. 2版. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 1998:121—124.

[7] 龍馭球, 包世華. 結(jié)構(gòu)力學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2000: 443—458.

Analysis of the h-type double pile-anchor structure

DUAN ZhengBin, MA ShiCheng, YIN ChangJun

(Civil Engineering and Mechanics of Xiangtan University, Xiangtan 411105, China)

As example of the new h-type double pile-anchor structure with a deep pit of Xiangtan, its internal force was calculated by the multi-node equivalent beam model. The calculation method is simple, high safety, and it can be used in the design of foundation pit supporting. Contrasted with the mechanical property of the traditional double pile-anchor structure, conclusion shows that h-type double pile-anchor structure not only saves material and the stress on pile body is more reasonable, it is worthy of promotion.

foundation pit supporting; pile-anchor structure; multi-node equivalent beam model; internal force calculation

10.3969/j.issn.1672-6146.2014.03.013

TU 473

1672-6146(2014)03-0055-04

email: 2826209779@qq.com.

2014-03-14

湖南省教育廳資助科研項目(10C1286); 湖南省科技廳一般項目(2010CK3035).

(責(zé)任編校: 江 河)