排桩内支撑支护结构（精选3篇）
排桩内支撑支护结构 篇1
摘要：排桩内支撑支护结构是建筑结构中比较常见的类型, 本文结合实际案例, 对这种结构的优化设计方法进行了研究, 希望对提高我国建筑施工质量有所帮助。本文首先介绍了工程实例概况, 其次分析了该工程的水文地质条件以及排桩内支撑支护结构优化设计方法, 最后对这种结构的剖面设计计算进行了讨论, 希望对相关设计人员优化排桩内支撑支护结构提供一点参考价值。
关键词：排桩内支撑支护结构,优化设计方法,施工效果
随着城乡一体化建设的不断加快, 我国建筑事业发展越来越快, 建筑工程的增多, 使得我国土地面积越来越少, 而且还出现了资源紧缺的问题, 为了缓解城乡发展与土地面积之间的矛盾, 建筑行业必须改革以往发展的路线, 大力开发地下空间资源, 并增加高层建筑工程的数量, 这样才能提高土地资源的利用率。排桩内支撑支护结构是高层建筑中比较常用的结构类型, 其在深基坑支护工程中应用比较多。在建筑工程中, 一般基坑越深, 施工难度则越大, 所以, 施工单位必须采取有效的措施, 优化排桩内支撑支护结构设计方法, 保证地基的稳定性, 这样才能降低安全事故发生的概率。
1 工程实例
某设计单位拟建一座建筑物, 其基本特征要求为:地上30层, 高99.80m;地下4层, 层高3.9m~5.1m, 层总高12.20m。现场自然地坪高-0.25m。平面尺寸为66m×45m。基坑东侧多为2层, 7层砖混结构, 距用地红线最近约为5.0m。基坑南侧和西侧均为砖混建筑结构, 基坑北侧主要为道路和市政管线, 用地红线距道路红线最近约为15.4m。
2 水文地质条件分析
建筑工程施工前, 首先要对施工场地所处环境的水文地质条件进行分析, 这也是保证排桩内支撑支护结构设计方案质量的前提。在绘制工程设计图纸前, 相关技术人员需要对项目建造地的自然环境进行勘察, 还要通过相关技术确定自然环境对工程项目施工质量的影响, 尤其需要对施工现场周边的水文地质条件进行调查, 检测出施工场地下是否存在地下水, 以及地下水运动是否会对施工项目造成影响。在本文案例中, 相关人员通过仔细的调查发现, 工程所处环境地形较为平坦, 基坑挖设的过程中, 机器需要一次穿过素填土、粉砂、粗砂、角砾等土质层, 该地基所处的土层强度较高, 属于强风化岩层。通过分析该工程水文条件调查报告发现, 施工场地地下水的来源主要是自然降雨, 地下水运动的方向是自北向南, 该地下水的水位比较稳定, 处于地下2.8m-3.2m左右。通过分析水文条件, 可以了解该工程的基坑支护方式, 本文案例中, 采用了排桩内支撑支护结构体系, 根据分析显示, 这种方式可以节省支护成本, 操作简单, 可以保证施工的安全性。利用排桩内支撑支护技术, 可以充分利用当地的自然资源, 而且符合因地制宜的设计原则。在工程动工前, 设计人员还要全面考虑影响工程质量的因素, 要根据施工场地的条件、基坑挖设的深度以及地下水情况, 对基坑支护方案进行优化与改进, 这样才能设计出最佳的工程方案。通过综合考虑与分析, 设计人员选择了排桩内支撑支护结构体系, 其比较适合当地水文条件以及地质条件。在基坑支护的过程中, 需要采用钻孔灌注桩的方式, 桩的直径是1.2m, 长度是23.4m, 桩之间的间距为1.5m, 在地基中有着四道支撑体系, 标高分别为2.6m、6.5m、10.5m以及15.5m。
3 排桩内支撑支护结构优化设计方法
排桩内支撑支护结构是有两部分构成, 一部分是排桩体系, 另一部分是内支撑体系, 在对这种结构的设计方法进行优化, 将两部分看做一个整体, 这样我们可以充分考虑他们相互空间作用。本文中采用的是平面整体分析的方法, 即将支撑杆件、腰梁作为一个整体, 视为一个平面体系, 设置若干支座, 借助大型有限元分析软件SAP2000进行分析, 得出支撑体系的内力与变形, 最终设计出各构件的截面。
4 A-A剖面结构设计计算
4.1 排桩体系设计计算
根据前而提出的排桩内支撑体系的结构优化设计方法, 以基坑东侧A-A剖而为例对排桩体系进行结构计算。排桩计算简图如图1所示。
考虑工况, 分段采用等值梁法计算排桩内力和各道支撑力, 计算结果见表1。
表1等值梁法计算结果
4.2内支撑体系的设计计算
内支撑系统由四道平而支撑和立柱组成。每道支撑包括环梁、腰梁和支撑杆。小同地质剖而计算求出的支撑系统需要提供的支护抗力是小同的, 设计支撑系统时按所需最大支护抗力计算, 第一, 二道取N=353k N/m, 第三, 四道取N=571k N/m, 支护抗力较小侧将山基坑外侧的被动土压力平衡。通过对计算结果分析比较得出: (1) 在×向双铰的支撑条件下, 环梁的弯矩最大, 支撑杆件的轴力最大; (2) 在将支撑体系的南侧与西侧的支座设置为固定支座的支撑条件下, 腰梁的弯矩最大。在内支撑体系中, 支撑杆件和环梁是主要的控制构件, 因此考虑选用第一种支撑条件下各构件的最小利内力组介来对各构件进行截面和配筋计算。最终确定四道钢筋混凝土内支撑各主要结构构件的截面几何尺寸分别为: (1) 第一道内支撑冠梁 (GL) :宽×高二1600mm×1000mm;第二道内支撑腰梁 (YL) :宽×高=1200mm×800mm;第三道内支撑腰梁 (YL) :宽×高=1200mm×800mm;第四道内支撑腰梁 (YL) :宽×高=1200mm×800mm; (2) 环梁 (HL) :宽×高=1200mm×800mm; (3) 支撑连杆 (LG) 截面:宽×高=800mm×800mm; (4) 角撑/琵琶撑/楼梯间对撑 (PPC) 截面:宽×高=600mm×600mm。
5 结论
在高层建筑施工前, 首先要对施工场地所处环境的水文地质条件进行调查与分析, 还要对施工现场的地下水运动情况、基坑深度、大小等因素进行综合考虑, 从而对工程需要选择的基坑支护体系进行准确判断。另外, 设计人员还需要利用有限元计算软件掌握基坑支护体系的参数, 从而优化基坑支护结构设计方法。在本文案例中, 设计人员根据施工现场所处的水文地质环境, 根据因地制宜的原则, 采用了排桩内支撑支护结构体系, 经过实践发现, 这种结构体系具有经济节省、操作方便等特点, 在施工的过程中, 对周围环境影响比较小, 而且有着良好的施工效果, 在高层建筑基坑支护中有着良好的应用前景。
参考文献
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排桩内支撑支护结构 篇2
本文结合青岛海景公寓深基坑支护设计方案, 对岩土层开挖超深基坑中排桩内支撑支护结构进行优化设计研究。
1工程介绍
1.1 工程概况
拟建工程场区位于青岛市香港东路南侧, 国家级旅游胜地——青岛市老人海水浴场以北, 青岛啤酒城正南。设计单位提供的拟建物特征:地上30层, 高99.80 m;地下4层, 层高3.9 m～5.1 m, 层总高12.20 m。现场自然地坪高-0.25 m。平面尺寸为66 m×45 m。基坑东侧多为2层, 7层砖混结构, 距用地红线最近约为5.0 m。基坑南侧和西侧均为砖混建筑结构, 基坑北侧主要为道路和市政管线, 用地红线距香港东路红线最近约为15.4 m (见图1) 。
1.2 工程地质与水文地质条件
本场区内地形平坦, 位于滨海平原地貌单元, 第四系较发育。基坑自上而下依次穿越素填土、粉砂、淤泥质粉砂、粉质黏土、粗砂、粉质黏土、角砾, 基地位于强风化岩层。土的物理力学指标见表1。
大气降水是场区地下水的主要补给来源, 地下水由北向南径流, 勘察期间钻孔地下水稳定水位埋深2.80 m～3.20 m。
支护体系的选用要遵循安全、经济、方便施工及因地制宜的总原则。一般要综合考虑场地条件、基坑开挖深度和范围、地质条件以及地下水情况等几个方面做出选择。
根据本工程地层地质情况和周围环境要求, 初步拟定围护方案为排桩内支撑支护结构:钻孔灌注桩的直径为1 200 mm, 桩间距为1 500 mm, 桩长23.4 m, 自上而下分别在标高-2.65 m, -6.50 m, -10.40 m, -15.50 m处设置四道支撑。
2排桩内支撑支护结构优化设计方法研究
排桩内支撑体系的结构设计计算应将排桩体系和内支撑体系看作一个整体, 考虑其空间作用。但由于目前计算机水平有限, 排桩内支撑体系的计算还是将排桩体系和内支撑体系分别计算。本文排桩体系的计算采用考虑工况的等值梁法, 内支撑体系的计算采用平面整体分析的方法, 采用大型有限元分析软件SAP 2000对排桩内支撑体系进行优化设计。
目前内支撑体系结构计算方法主要分为三类:简化计算方法、平面整体分析和空间整体分析。
本文中采用的是平面整体分析的方法, 即将支撑杆件、腰梁作为一个整体, 视为一个平面体系, 设置若干支座, 借助大型有限元分析软件SAP 2000进行分析, 得出支撑体系的内力与变形, 最终设计出各构件的截面。
利用SAP 2000对内支撑体系进行优化设计, 大体上分为以下几步:
1) 定义轴网类型。2) 定义材料属性和截面。本文研究的内支撑为现浇钢筋混凝土支撑, 支撑截面均为矩形。3) 绘制构件。将每一层支撑看作一个平面桁架, 选用线单元来模拟这一桁架。4) 指定节点约束。分不同工况对该平面桁架施加约束。例如:两邻边约束、对边约束等。5) 荷载工况。在内支撑计算中考虑静力荷载工况。6) 分析工况。根据不同的节点约束, 分不同工况对模型进行分析, 得出不同工况下内支撑的内力, 包括弯矩, 剪力和轴向力。7) 找出最不利情况下的内力, 对支撑体系进行结构设计。
3A—A剖面结构设计计算
3.1 排桩体系设计计算
根据前面提出的排桩内支撑体系的结构优化设计方法, 以基坑东侧A—A剖面为例, 对排桩体系进行结构计算。排桩计算简图如图2所示。
考虑工况, 分段采用等值梁法计算排桩内力和各道支撑力, 计算结果见表2。
按各工况求得的墙上弯矩作出弯矩包络图, 计算排桩配筋, 计算结果见表3, 按求得的支撑力设计各道支撑和围檩。
3.2 内支撑体系的设计计算
内支撑系统由四道平面支撑和立柱组成。每道支撑包括环梁、腰梁和支撑杆。不同地质剖面计算求出的支撑系统需要提供的支护抗力是不同的, 设计支撑系统时按所需最大支护抗力计算, 第一, 二道取N=353 kN/m, 第三, 四道取N=571 kN/m, 支护抗力较小侧将由基坑外侧的被动土压力平衡。内支撑体系计算简图见图3。
根据约束条件的不同, 分四种不同支撑条件对支撑体系进行分析:1) X向两铰:即沿X方向在环梁的两端设置固定支座;2) 两邻边固定1:将支撑体系的南侧与西侧的支座设置为固定支座;3) 两邻边固定2:将支撑体系的北侧与东侧的支座设置为固定支座;4) 全铰:将环梁的约束全部设置为固定支座。
通过对计算结果分析比较得出:1) 在X向双铰的支撑条件下, 环梁的弯矩最大, 支撑杆件的轴力最大;2) 在将支撑体系的南侧与西侧的支座设置为固定支座的支撑条件下, 腰梁的弯矩最大。
在内支撑体系中, 支撑杆件和环梁是主要的控制构件, 因此考虑选用第一种支撑条件下各构件的最不利内力组合来对各构件进行截面和配筋计算。
最终确定四道钢筋混凝土内支撑各主要结构构件的截面几何尺寸分别为:1) 第一道内支撑冠梁 (GL) :宽×高=1 600 mm×1 000 mm;第二道内支撑腰梁 (YL) :宽×高=1 200 mm×800 mm;第三道内支撑腰梁 (YL) :宽×高=1 200 mm×800 mm;第四道内支撑腰梁 (YL) :宽×高=1 200 mm×800 mm;2) 环梁 (HL) :宽×高=1 200 mm×800 mm;3) 支撑连杆 (LG) 截面:宽×高=800 mm×800 mm;4) 角撑/琵琶撑/楼梯间对撑 (PPC) 截面:宽×高=600 mm×600 mm。
4结语
本文结合青岛海景公寓基坑工程, 利用有限元计算软件分析, 得出如下结论:
1) 在复杂工程环境条件下进行深基坑支护设计, 基坑支护方案的选择应综合考虑安全、经济、施工和对周围环境影响等各方面因素。2) 排桩体系的计算应考虑时空效应对支护结构受力的影响, 采用考虑开挖工况的等值梁法进行设计计算。3) 内支撑体系的计算将支撑杆件、环梁和腰梁视作一个平面框架, 应用有限元分析软件SAP 2000, 考虑不同的约束条件分别进行分析计算。对计算结果分析, 得到最不利内力组合的工况, 并最终采用此内力设计内支撑体系。
参考文献
[1]刘建航, 侯学渊.基坑工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社, 1997.
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[4]时伟, 刘继明.桩锚支护结构设计及参数的研究[J].青岛理工大学学报, 2005 (6) :56-57.
[5]时伟, 韩晓雷.基坑支护体系主动区土压力计算方法研究[J].青岛理工大学学报, 2003, 23 (3) :112-113.
[6]时伟, 刘继明.基坑支护体系主动区土压力试验研究[J].岩石力学与工程学报, 2002, 2 (5) :67-68.
内支撑密排桩支护结构优化设计 篇3
1 优化设计的基本概念及要素
优化设计就是指在满足一定的设计要求下搜索“最合适的”设计方案。在结构设计过程中很多设计参数，如构件截面尺寸、材料特性、荷载作用位置等都可以用变量表示。优化设计即是通过赋予这些变量以不同值进而计算得到所关心的结果，通过比较这些结果并从中选取“最优”变量的分析过程。
1.1 初始条件
任何优化设计都必须在某些确定的设计前提下进行，不可能把所有的设计参数均当成变量来处理。实际工程中，某些设计条件在整个设计过程中是不因人力而改变的或者是基本确定的，这些设计条件即为优化设计的初始条件。本文的初始条件是:场地土的土层参数和基坑的开挖深度。
1.2 设计变量选取
设计变量是在设计过程中遵循一定规律而变化的参数，一般每一变量均有一定的取值范围，比如构件的截面尺寸、可变荷载的作用范围等。本文根据单排桩加一道钢管内支撑支护结构形式在实际工程中较常变化的设计参数，引入了两个引申变量:1)钢管内支撑的中心与地表的垂直距离d1和钢管内支撑中心与基坑底的垂直距离d2的比值，令其为j;2)第一次开挖深度w1与钢管内支撑的中心与地表垂直距离d1的比值，令其为k。
1.3 目标变量确定
目标变量是优化设计中极小化的变量参数，也是评价设计方案优劣的标准，它必须是设计变量的函数。在结构优化设计中常见的目标变量有内力值、位移值、重量、费用等。由于单排桩加一道钢管内支撑支护结构的最终造价均可与支护桩的内力及位移值相联系，故本文设定两个目标变量:1)支护桩身的最大水平位移u;2)支护桩身最大弯矩值M。
2 实用设计方法
支护结构设计一般多采用弹性地基杆系有限元单元法，这也是相关规范的推荐方法[1]。在实际工程设计中，采用计算机辅助设计，利用通用的商业化计算分析软件来进行支护结构的受力分析是比较实用的方法。本文采用“同济启明星Frws”深基坑计算软件，按前文1中所述的方法进行单排桩加一道钢管内支撑支护结构的优化设计。
3 优化设计工程实例
某深基坑工程，位于滨海地区，场地土依次主要为:素填土、粉土、粘土。各土层力学参数(亦即本文优化设计的初始条件)如下:(1)素填土层:重度18.5 k N/m3，厚度2.5 m，粘聚力c=4.5 kPa，内摩擦角=7°;(2)粉土层:重度19.5 k N/m3，厚度5.5 m，粘聚力c=10 kPa，内摩擦角=21°;(3)粘土层:重度19 kN/m3，厚度15 m，粘聚力c=17 k Pa，内摩擦角=16°。地下水位埋深0.5 m。
本基坑是一市政地道基坑，呈狭长形，长200 m，宽22 m，开挖深度d0=7 m。支护结构为单排桩加一道钢管内支撑，支护桩直径0.8 m，桩间净距0.2 m，钢管内支撑直径为600 mm，水平中心距4.0 m;支护桩外侧设双排咬合水泥搅拌桩止水帷幕;基坑内设大口井降水。基坑施工基本步骤为:1)施工降水大口井、施工水泥搅拌桩止水帷幕、施工支护桩;2)第一次开挖至深度w1;3)在距地表d1位置处加钢管内支撑;4)第二次开挖至基坑底，基坑完成;后续主体结构的施工等不再赘述。支护结构横断面如图1所示。
根据弹性地基杆系有限元单元法建立图1支护结构的计算模型如图2所示。图2中kt根据《建筑基坑支护技术规程》确定。
3.1 对竖向支撑位置的优化
以往单排桩加钢管内支撑支护体系竖向支撑位置的优化[2,3]均没有给出普遍适用的结果。本文取d1∈[0.4,2.0]，单位m，变化步长为0.2 m，按前文第2节的方法，计算得到u,M值。根据计算结果得到引申变量j与u,M的关系如图3所示。由图3可看出:桩身最大弯矩值M在j∈[0.04,0.4]范围内单调递减;当j=1/4时，支护结构桩身最大水平位移u最小。建议对于单排桩加一道钢管内支撑支护结构，竖向支撑位置距地表的垂直距离d1应取为支撑中心与基坑底的垂直距离d2的1/4。
3.2 对第一次开挖深度的优化
在前文3.1的基础上，取对本工程较有利的d1=1.4 m，此时令w1∈[0.4,4.0]，变化步长为0.2 m。同3.1类似，计算得到u,M值。根据计算结果得到引申变量k与u,M的关系如图4所示。
由图4可看出:桩身最大水平位移值u在k∈[1.4,2.8]范围内单调递增;当k=2.3左右时，支护桩桩身最大弯矩值M有最小值。建议对于单排桩加一道钢管内支撑支护结构，加撑前可适当增加超挖深度，以充分利用支护桩自身的支护能力。
4 结语
文章以两个参数竖向支撑位置和第一次开挖深度，对单排桩加一道钢管内支撑支护结构开展优化设计。通过引入参数j,k得到了一些具备普适性的建议。
参考文献
[1]JGJ120-99,建筑基坑支护技术规程[S].
[2]赵文永,俞尧良.基坑内撑式单排桩围护结构优化设计[J].浙江建筑,2001,110(6):22-23.