双排桩支护结构（通用8篇）
双排桩支护结构 篇1
0 引言
边坡, 规范[1]定义为在建 (构) 筑物场地或其周边, 由于建 (构) 筑物和市政工程开挖或填筑施工所形成的人工边坡和对建 (构) 筑物安全或稳定有影响的自然边坡, 具有倾斜滑动面面的岩土结构, 其在降雨、地震、人工开挖、爆破、上部重载等的荷载影响下, 边坡内部的岩土体有从高处向低处滑动的趋势, 以至某一个滑动面上的滑动力超过其抗滑力就会发生边坡内部岩土体沿着某一个滑带向下滑动, 即滑坡现象。
我国属于滑坡灾害极为频繁的国家, 其中大型和巨型滑坡占有突出重要的地位, 尤其是在中国的西部地区, 大型滑坡更以其规模大、机制复杂、危害大的特点严重威胁着当地民生的安全。根据“中国环境公报”[2]2013 年的统计, 全国共发生各类地质灾害15403 起, 其中滑坡9849 起、崩塌3313 起、泥石流1541 起、地面塌陷371 起、地裂缝301 起、地面沉降28 起。造成481 人死亡、188 人失踪、264 人受伤, 造成直接经济损失101.5 亿元。与上年相比, 地质灾害发生数量、造成死亡失踪人数和直接经济损失分别增加7.5%、78.4% 和92.2%。
随着我国国民经济的快速发展同时西部大开发战略的进一步实施, 无论在交通、水力、矿山等工程建设方面都涉及到大量的边坡问题, 在建设、运行期间, 边坡稳定性问题一直是主要的工程地质问题之一, 因此合理的处治边坡, 保证边坡的稳定性, 是岩土工程界必须考虑的问题, 并且由于西部是地震常发地区, 因此对于边坡在地震动力下的响应作用及边坡抗震设计优化方案则是目前我国乃至国内外地质研究的重点问题之一。
1 数值建模
1.1 工程概况
本文参考[3] 某实测边坡, 边坡高度约为20m, 地区要求抗震等级Ⅶ级。土体参数经合并划分为软弱土和基岩土, 软弱土参数:深度15m, 密度1800 kg/m3, 弹性模量E =3MPa;基岩土参数:深度25m, 密度2300 kg/m3, 弹性模量E =10MPa, 本文地震波选用经典的汶川地震波型曲线, 通过Ⅶ级的地震波曲线校正为0.1g的加速度峰值曲线。
1.2 模型建立
模型基本建立过程:根据实际工况情况, 建立基本模型尺寸—合并上下层的材料属性, 输入基本材料参数—创建地应力平衡分析步及地震分析步—荷载施加分别在地应力步及地震分析步, 施加对应的重力及地震荷载—本文采用平面应变的分析原理, 网格单元使用CPE4单元网格进行划分。
2 结果及展望
(1) 在地震作用下, 双排桩支护结构作为挡土支护结构能有效地支挡桩前土体的滑移, 在支护前边坡结构出现了明显的塑形应变区, 边坡的滑移趋势明显, 最大位移达到了2m, 土体已经明显破坏;而在支护后, 支护结构物支挡了桩前土的滑移趋势, 并且有效地控制了滑移土的位移量, 土体的支护后最大位移为0.2m, 支护结构物尚未达到破坏。
(2) 计算结果了验证了双排桩桩间土的受力机理[4], 双排桩支护结构简化为门式钢架结构, 嵌固于边坡土体之中, 从结构的角度为超静定结构, 在桩与桩间土共同工作的适用条件下, 桩间土分担上部荷载的效果明显, 而在两侧桩的侧摩阻力作用下, 桩间土体会发生隆起及破坏现象, 而双排桩的桩间连梁可有效地桩间土的隆起及塑性破坏。
(3) 从科学、合理、经济的角度, 双排桩的支护结构可保证临近建筑物的安全。结合实践工程, 双排桩支护结构物具有施工简单、工期短的优势。
(4) 本文就双排桩的支护效果进行了数值模拟研究, 可为地震频发地区的边坡支护提供参考。
摘要：本文应用ABAQUS有限元软件, 分析深边坡双排桩支护结构, 在地震作用下的。结果表明, 边坡在静力工况下支护效果比较好, 未产生滑移现象, 而在地震作用下, 桩后土体会有滑移现象, 桩间土及桩前土水平位移相对较小。结合模型的分析结果及双排抗滑桩支护的理论作用机理, 边坡的双排桩支护结构支护下具有较好的抗震效果, 可为实际工程提供参考。
关键词：双排桩,ABAQUS,抗震工程,有限元
参考文献
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[2]国家环保局.2013年中国环境公报[M].中华人民共和国环境保护部, 2013.
[3]费康, 张建伟.ABAQUS在岩土工程中的应用[M].北京:中国水利水电出版社.
[4]杨德健, 王铁成, 尹建峰.双排桩支护结构受力特征与土压力计算分析[J].建筑科学, 2007年第23卷第9期.
双排桩支护结构 篇2
大跨度双排钢板桩围堰工程监测技术探讨
主要研究了中船长兴造船基地一期工程中关于3、4号船坞大跨度双排钢板桩围堰工程的`监测技术,包括监测项目、监测点设置和监测方法等内容.该工程首次对双坞体大跨度双排钢板桩围堰运行过程中的稳定性进行监测,其监测内容之全,在国内外类似水工工程上是罕见的.
作 者：张泽生 ZHANG Zesheng 作者单位：中船勘察设计研究院有限公司,上海,63 刊 名：地理空间信息 英文刊名：GEOSPATIAL INFORMATION 年，卷(期)：2009 7(3) 分类号：P258 关键词：大跨度 双坞体 双排钢板桩 围堰 监测双排桩支护结构 篇3
1 工程概况和计算模型
1.1 工程概况
某国际酒店工程由酒店和外销公寓两部分组成,分别采用框架和框剪结构[2]。其中,酒店地下1层,地上17层(局部19层),公寓地下1层,地上15层～17层,整体地下1层,基坑东西长117 m,南北宽30 m,开挖深度6 m。采用双排桩作为基坑围护结构。根据勘察报告,地层结构及各层土的物理力学指标见表1。
1.2 土体本构关系
Plaxis提供的硬化模型含有卸载模量这一参数,能更好地模拟基坑开挖时土体卸载的情况,因此常用来模拟基坑开挖过程。硬化模型采用3个不同模量描述土体刚度:50%强度处的割线模量E50(1/E50)=1/2(1/Et+1/Es)(其中,Et为初始切线模量;Es为压缩模量),Eur为三轴卸载模量和Eoed为固结仪加载模量。一般取Eur=3E50和Eoed=E50作为不同土体类型的平均值[3]。
1.3 模型建立
本数值模型采用的基本假定为:1)按平面应变考虑,利用对称性进行分析。2)基坑开挖属于临时设施,按不排水条件考虑。3)土体采用15节点单元;连系梁与双排桩刚接,结构单元采用弹性梁单元。4)考虑桩土接触面的影响,粘结力和摩擦角为相应土体的0.6倍。5)忽略加入桩体引起的土体原位应力和性状的改变。6)硬化模型卸载模量是加载模量的3倍。7)计算范围:基坑边界向外延伸30 m,坑底向下延伸27 m。
1.4 支护结构设计计算
双排桩前后排桩直径均为600 mm,间距为1.5 m,入土深度为12 m,两排桩排距为2.5 m。考虑到止水帷幕打设在双排桩之间,桩间加固深度内原状土的加权模量为16.2 MPa,水泥土搅拌桩的弹性模量为91 MPa,桩土置换率为0.28,得到桩间土模量Es=21 MPa。
1.5 工程实测结果与分析
选取基坑长边中部的一根桩,根据实测数据,桩顶位移为6 cm。实测变形与计算结果非常接近,说明应用Plaxis建立的双排桩计算模型能较好地模拟软土中双排桩的工作性状。
2 影响双排桩性能的参数分析
基本算例:开挖深度8 m,基坑宽度30 m。双排桩直径800 mm,长度18 m,桩间距1.6 m,排距3 m。运用文献[4]提供的方法,计算排桩的等效厚度和等效抗弯刚度。连系梁宽0.8 m,高0.5 m。土体重度γ=18 kN/m3,粘聚力c=15 kPa,内摩擦角φ=12.5°,模量E50=1×104 kPa。
由图1可知,由于冠梁的连接作用,前后排桩的最大位移均发生在桩顶部位。随深度增加,桩身侧移不断减小。由图2可知,前排桩最大弯矩作用在靠近桩底1/4部位,后排桩最大弯矩发生在桩顶附近,且前排桩的弯矩大约是后排桩的2倍,说明冠梁在有效协调前后排桩受力。
2.1 桩间止水帷幕宽度的影响
将桩间土体割线模量E50改为原状土体加权平均割线模量的1.8倍和3.77倍,考察桩间止水帷幕对双排桩性能的影响。
割线模量加大为原状土的1.8倍时,前后排桩的最大侧移均减小了17%,最大弯矩分别减小了40%和50%,整体侧移和弯矩也大大减小。当土体割线模量从1.8倍增加到3.77倍时,弯矩和位移减小并不明显,说明桩间土压缩性提高到某一程度之后,对于改善双排桩性能影响有限。
2.2 被动区土体加固的影响
在基坑被动区靠墙脚宽5 m,深5 m的范围内用水泥土搅拌桩进行加固。土体割线模量为原状土体的2.5倍和5倍。
当被动区土体割线模量变为原状土体的2.5倍时,前后排桩的最大位移减少了40%以上。与未加固前相比,前排桩弯矩的大小和形状在坑底以上没有过多的变化,坑底以下的弯矩峰值亦相差不大,但往上移动了近3 m,出现峰值之后弯矩迅速减小。由此可见,被动区土体加固增强了前排桩坑底以下桩身的被动土压力,对于前排桩在坑底以下有很好的锚固作用。通过桩间土的传递作用,被动区加固后增强的被动土压力也传递到后排桩上,后排桩在坑底以下的最大弯矩上移了近1.5 m,且在出现峰值之后迅速减小。
2.3前后排桩排距的影响
前排桩桩身侧移,沿深度变化见图3。前后排桩在4倍～8倍桩径时,双排桩类似于框架结构。小于4倍桩径时与单排桩结构类似。因此,选择了1倍,2倍,4倍,6倍,8倍,10倍桩径进行比较。可以看到,4倍桩径时比1倍桩径时的位移减小了近50%,说明在这个范围之内,一定的有效排距可以发挥双排桩作为空间结构的优势,使得该结构的位移减小。10倍桩径时的位移最大值比4倍桩径时的小30%左右。实际上,这样大的排距下冠梁的刚度是很难保证的。
3结语
1)使用Plaxis建立的二维有限元模型能更全面地考虑双排桩与土的相互作用,反映土体对桩身的约束,主动土压力在前后桩的分配,土层变化的影响等桩土相互作用的问题。2)桩间土体和被动区土体加固均能有效减小双排桩围护结构的变形与最大弯矩,土体的扰动也会导致桩土的相互作用,使前后排桩的侧摩阻力变得复杂,因而弯矩分布不同。3)桩身刚度增加,围护结构位移会相应地减小,同时桩身所受的弯矩加大。4)排桩需要有一定的排距以保证双排桩空间作用的发挥。
参考文献
[1]蔡袁强.软粘土地基基坑开挖中双排桩式围护结构的数值分析及应用[J].建筑结构学报,1999,20(4):65-71.
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[3]Plaxis公司.Plaxis版本8材料手册[Z].Netherlands:Plaxis公司,2006(5):1-12.
[4]熊巨华.一类双排桩支护结构的简化计算方法[J].勘察科学技术,1999(2):32-34.
双排桩支护结构 篇4
1.1 该工程基本情况
中山某工程, 32层 (住宅) 和24层 (写字楼) 双塔楼, 底部四层商场, 地下2层, 地下一层为汽车库, 地下2层主要为设备用房, 地下战时为人防用房。32层为框支剪力墙结构, 四层以上为剪力墙在第四层采用转换大梁;24层为框架剪力墙结构。两塔楼呈对角布置, 对角线为由南西至东北, 该建筑占地约3000m2, 东西长约62m, 南北长约47m, 西北角为弧线型, 西边比东边长约12m, 北线平齐, 南线在中部退12m直至东面。基坑深约10m, 地下10m以上土质:地表有约2m~3m杂填土, 其下为约8m厚的淤泥质粘土;10m以下是厚度12m左右的老粘土, 老粘土下是风化岩。根据勘察报告, 地层结构及各层土的物理力学指标见表1。
基坑北面采用双排钻孔灌注桩, 桩坎入老粘土约6.8m, 在桩口采用冠梁, 在基坑转角处采用加腋加固角部, 南面中部设置坡道可从地表面到坑底。北面采用双排钻孔灌注桩加固, 主要原因是因为面长且北桩过去8米就是城市主干道, 需要确保道路以及道路地下管线设施, 同时, 考虑到厦门地质条件较差, 本工程中有8m的淤泥质粘土层, 因此用双排钻孔灌注桩加固方案。
1.2 双排桩设计参数
基坑支护结构采用矩形形排列的双排钻孔灌注桩 (图1) , 桩顶设置冠梁, 桩顶位于自然地面下2m。基坑围护结构主要设计参数是: (1) 双排桩, 桩径600mm, 桩长l6.65m, 排间距1200mm, 混凝土标号为C25, 钢筋笼主筋为12ф25, 设计桩根数146根; (2) 冠梁, 宽2m, 厚620mm, 混凝土标号C30。
2 计算模型
2.1 冠梁对双排桩的约束作用
本文中介绍的计算方法, 考虑了冠梁对双排桩的约束作用。冠梁的空间协调作用在双排桩支护结构中的作用是明显的, 对于整个双排桩支护结构的稳定性起到重要的作用, 计算模型中考虑冠梁的空间协调作用是必要的。为了在计算模型中便于实现, 在此将冠梁的作用分解为两个部分, 一是协调前后排桩桩顶的位移, 假定为联系前后排桩桩顶的刚性梁;二是空间变形协调作用假定为在双排桩刚架结构顶端的水平支撑。
基本假设: (1) 冠梁只发生平动, 不发生转动, 冠梁的空间作用部分转化为水平支撑弹簧。 (2) 冠梁对前后排桩的联系作用假定为刚性梁, 与前后排桩桩顶刚性连接。 (3) 桩底嵌固。
弹性地基梁法是现行规范推荐的, 其最大优点是能够考虑土与结构的相互作用。考虑到滑移面的存在使得桩间土作用在前后桩体上的土压力存在差异, 针对双排桩通常的工作状态提出一种双排桩弹性地基梁法计算模型。
土压力分布情况:前排桩土压力在坑底以上呈三角形分布, 最大值为PA, 可由式 (2) 求得, 坑底以下桩问土作用与前排桩上的土压力呈矩形分布;后排桩桩后侧主动区土压力在Z0以上呈三角形分布, 最大值为PB, 可由式 (3) 求得, 在Z0以下至桩底呈矩形分布, Z0为按库仑土压力理论确定的滑移面与后排桩相交处的深度。基坑内侧土体对前排桩的抗力用土弹簧来模拟, 桩间土Z0深度以下土体对后排桩的抗力也用土弹簧来模拟, 前后排桩桩体视为竖直放置的弹性地基梁, 地基基床系数按“m”法来确定:
前桩土压力:
后桩土压力:
式中:Kα为主动土压力系数;Ksp为土压力空间效应影响系数;H为基坑深度;q为作用后排桩桩外土体表面的附加荷载;α为比例系数, 按后排桩靠基坑侧滑动土体占整个滑动土体的重量比例确定。需要说明的是对于粘性土, 在计算Z0和L0时, 内摩擦角φ|应该用等效摩擦角φ|D来代替。
双排桩排距L的大小直接影响到作用在前后排桩上的土压力的分配关系。当双排桩的排距大于时, 双排桩支护结构类似于拉锚结构, 此时α=1。这也就意味着在排距L己经确定的基坑开挖过程中, 当开挖深度小于时, 滑移面在前后桩体之间, 此时主要是前排桩起到挡土作用;当开挖深度大于时, 此时的前后桩体才共同承担挡土作用。
笔者借助于MATLAB软件, 针对上述计算模型, 采用了梁单元和winkle地基梁单元, 编制了适合于工程设计计算的双排桩弹性地基梁有限元计算程序。
3 计算结果跟实测结果比较分析
为了对双排桩支护结构进行研究, 在工程进行过程中, 采用了信息化施工技术, 对主要部位的双排桩桩体的深层位移和冠梁的钢筋应力进行监测, 取得了有价值的实测资料。
基坑北侧在开挖到设计深度8.3m后, 对基坑进行了现场实测, 可以看出, 计算得到的前排桩的位移与实测吻合的比较好, 差值在10%以内, 趋势基本一致;后排桩的计算结果略有偏差, 其原因可能是计算过程中将前后桩体简化为刚性连接, 并认为有相同的位移而忽略了梅花形排列的前后桩桩项的位移差所引起的。
4 基坑支护效果
经过两个多月的施工, 该深基坑支护工程全部完工, 通过验收。如今, 大厦已投入使用, 事实证明, 这一设计方案是成功的。
摘要：结合具体工程实例, 从力学的角度分析了双排桩支护系统的特性, 其中考虑了土压力空间效益以及双排桩中冠梁的约束作用。对计算结果和实测进行了对比分析, 结果表明该计算方法能得到比较有效的结果, 同时, 也证明了矩形双排桩深基坑支护系统的优越性。
关键词：深基坑,矩形双排桩,冠梁,空间效益,约束
参考文献
[1]陈页开, 徐日庆, 任超, 等.基坑开挖的空间效应[J].建筑结构, 2001, 31 (10) :42～44.
[2]曹俊坚, 平扬, 朱长歧, 等.考虑圈梁空间作用的深基坑双排桩支护计算方法研究[J].岩石力学与工程学报, 1999, l8 (6) :709～712.
双排桩支护结构 篇5
关键词：双排桩,支护体系,弯矩,桩间土
0 引言
双排桩支护体系由前、后两排灌注桩、桩顶冠梁及其间设置的刚架梁组成, 是一种侧向刚度较大的自立式围护结构体系。在基坑、深水岸坡、防波堤等工程中得到了广泛的应用。
双排桩支护体系的研究主要集中在以下几个方面:[1]
1) 桩侧土压力作用机理及计算方法的研究[1];
2) 双排桩支护体系计算模型的对比分析[4];
3) 基坑开挖过程中的桩身变形及受力性状的研究;
4) 双排桩支护体系数值分析及实测数据对比研究等。
目前, 对于双排桩支护体系, 其在实际工程中的应用已较普遍。但关于前排、后排桩身各自所承受的土压力, 双排桩支护体系的变形特性及受力机理这几个方面的研究仍存有一定的争议, 故有必要对这几个方面进行深入探讨和研究。使得双排桩设计方法更趋于完善。从而保证其在实际工程中的应用更为安全经济合理。
1 双排桩支护体系计算模型
图1为JGJ 120—2012建筑基坑支护技术规程所推荐的双排桩支护体系计算模型。其中, 迎坑面一侧桩称为前排桩, 迎土面一侧桩称为后排桩。
该计算模型适用于前、后排桩根数相等的情况。前、后排桩根数不同时, 由于桩间土与桩处于分离状态, 不能将前、后排桩与桩间土整体考虑, 桩间土对桩侧的压力以及双排桩嵌固深度也不应按照《规程》推荐的方法确定。
该支护体系计算模型的受力特征体现在如下两点:
1) 前、后排桩的变形和受力, 桩间土的变形按仅受压的弹性连杆来模拟。
2) 通过对前、后排桩桩间土对桩侧初始压力的计算, 考虑了滑移面的存在使得桩间土作用在前、后排桩体上的土压力的差异。
2 计算模型的建立
本文以武汉地区多个工程实例为基础, 结合《规程》中双排桩支护设计的一般要求, 简化出一个具有代表性的基本算例。计算参数如下:基坑挖深12.0 m, 插入深度12.0 m。前、后排桩径1.0 m, 桩间距1.5 m, 排距3.0 m。桩顶冠梁、刚架梁的截面尺寸为1 000 mm×800 mm。灌注桩、桩顶冠梁、刚架梁的混凝土强度为C30, 弹性模量E=30 GPa, 泊松比为0.2, 重度为25 k N/m3。
按单一土层计算主动土压力值pa, 采用水土合算的方法。以粉质粘土为例, 土体重度γ=18.5 k N/m3, 粘聚力c=22 k Pa, 内摩擦角φ=10°, 压缩模量Es=8 MPa, 基坑内侧土的水平反力系数的比例系数m=3.2 MN/m4, 水平反力系数kH的最大值为其比例系数m的5倍, 即kH=16 MN/m3。
双排桩外侧主动土压力按照水土分算原则计算, 计算模型示意图如图2所示。
3 计算结果分析
桩身变形、弯矩与开挖深度之间的关系。本文计算了开挖深度H为2 m~12 m之间共5个工况下, 双排桩支护体系水平位移和弯矩的变化情况。
图3, 图4分别为前、后排桩的变形曲线。H为基坑开挖深度。
由图3, 图4可知:1) 随基坑开挖深度增大, 双排桩水平侧移逐渐增大, 位移最大值发生在桩顶。开挖至坑底时, 双排桩桩顶侧移为70.85 mm。2) 桩身位移自上而下逐渐减小, 桩端位移最小。相同深度的前排桩位移小于后排桩。当开挖至坑底时, 前、后排桩桩端位移最大值分别为2.9 mm和16.5 mm。3) 双排桩支护体系中, 连梁刚度较大, 相当于一根水平刚性连杆。因此, 不同开挖深度的前、后排桩的桩顶位移几乎相等。
图5, 图6分别为前、后排桩的弯矩图。H为基坑开挖深度。
由图5, 图6可知:
1) 开挖深度越大, 前、后排桩的弯矩值越大。开挖至坑底时, 前排桩弯矩最值分别为1 096 k N·m和-1 822 k N·m;后排桩弯矩最值分别为701 k N·m和-371 k N·m。
2) 开挖深度较浅时, 前排桩的正弯矩大于负弯矩;开挖深度较深, 前排桩的正弯矩小于负弯矩绝对值。
3) 开挖深度较浅时, 后排桩的正弯矩小于负弯矩;开挖深度较深时, 后排桩的正弯矩大于负弯矩。
4) 开挖深度增大, 前、后排桩反弯点位置逐渐下移, 反弯点位置约在基坑开挖面以上1 m~2 m。
4 桩间土加固的影响
双排桩桩间土起着协调变形、传递前、后排桩受力的作用。实际工程中经常采用桩间土压密注浆等方式进行土体加固, 以控制双排桩的变形。
考虑加固土压缩模量Es提高为原状土的1倍~4倍, 分析双排桩变形和受力特性及规律。
4.1 对双排桩变形的影响
如图7所示为双排桩桩顶及桩端水平位移随加固土压缩模量变化的曲线。
由图7可知, 桩间土压缩模量增大4倍, 桩顶位移减小幅度可达到14%, 同时, 后排桩桩端位移减小幅度可达到67%。
4.2 对双排桩弯矩的影响
如图8所示为前、后排桩正、负弯矩最大值随加固土压缩模量Es变化的曲线。
由图8可知, 随桩间土压缩模量Es增大, 前排桩正、负弯矩的绝对值均逐渐减小。其中, 前排桩正弯矩减小幅度可达到20%;负弯矩减小幅度可达到17%。
随桩间土压缩模量Es增大, 后排桩正、负弯矩的绝对值均逐渐增大。其中, 后排桩正弯矩增幅可达到17%;负弯矩增幅可达到100%。
5 排距的影响
为分析双排桩排距sy变化对桩身弯矩的影响, 分别取sy= (2~6) d (d为桩径, 1.0 m) 进行模拟计算。
由表1中数据可知:
1) 随桩排距sy增大, 桩顶位移逐渐增加。桩排距sy在 (2~6) d之间变化时, 桩顶位移从68.62 mm增大至73.63 mm, 后者较前者增大约7%。
2) 随桩排距sy增大, 前排桩正、负弯矩均增大;后排桩正弯矩小幅增大, 而负弯矩明显减小。
6 结语
1) 双排桩支护体系的最大侧移发生在桩顶位置, 桩身侧移自上而下逐渐减小, 桩端位移最小。相同深度的前排桩位移小于后排桩, 开挖过程中的桩间土体受挤压作用明显。
2) 增大双排桩排距, 将使前排桩受力增大, 而后排桩受力减小。
3) 桩间土加固能够改善双排桩支护体系的变形及受力状态。桩间土压缩模量增大, 桩顶及后排桩水平侧移明显减小。
4) 增大双排桩排距, 改变排桩受力状态, 并且使得桩顶位移增大。
参考文献
[1]聂庆科, 胡建敏, 吴刚.深基坑双排桩支护结构上的变形和土压力研究[J].岩土力学, 2008, 29 (11) :3089-3094.
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双排桩在深基坑支护中的应用 篇6
随着国家经济建设的发展,城市建设日新月异,房地产开发建设空前的火暴。城区可开发用地日益减少、地价日益增值,为了在有限的建筑空间内获得最大的建筑面积,建筑物向地上空间和地下空间的发展,已成为当今建筑发展的方向。
由于武汉市地处江汉平原东部,地势东高西低南高北低,按其形态与成因可分为三种地貌:既剥蚀丘陵区、剥蚀堆积垅岗区、堆积平原区。堆积平原区分布于整个汉口市区及武昌、汉阳沿江一带,主要为长江、汉江冲积物构成的Ⅰ、Ⅱ级阶地。Ⅰ级阶地广泛分布于长江、汉江两岸,地层主要由第四系全新统河流相冲洪积物及湖相沉积物构成。在建设大道、前三眼桥一带原为湖塘,近期填平。这一带地表以下分布有厚10～20m的淤泥。一般其上部为淤泥、强度极低,下部为淤泥或淤泥质土,强度比上部略有增加,但仍属软弱土层。在这种深厚软土地区进行建筑活动,特别是深基坑工程,常遇到很大的困难。根据过去的建筑经验,在深厚层淤泥中进行岩土工程活动风险很大,教训不少。
在这种地质条件下进行深基坑支护设计、施工时,特别是对基坑开挖深度较大的,应特别考虑场区淤泥、淤泥质土层较厚或砂层埋藏较浅、武汉市地下水位较高的特点。在基坑施工中,采用桩锚支护时,淤泥和淤泥质土层不能提供较大的摩擦力而使锚杆需要很长,或在砂层、粉土层中施工出现流沙、流土的现象十分严重,由于这些方面的因素的影响。使桩锚支护型式受到了局限;同时由于有长江、汉水贯穿武汉市,该两条河流每年5月15日—10月15日为主汛期,离长江、汉水较近的建筑物的基坑在主汛期内是不能进行地下室的开挖和基础施工的。因而在离长江、汉水近的基坑采用内支撑的可能性较小,其原因:采用内支撑时,支护结构施工时间较长,同时这种支护结构型式严重影响土方开挖和基础结构的施工,使施工工期难以保证。一旦达到主汛期时,在距长江、汉水500m范围内的基础未施工完毕出自然地面的基坑必须回填,防止影响抗洪,危及城市的安全。由于开发商利用长江、汉水的风景,基本上由几栋超高层的联体建筑,共用一个地下室,而使地下室的规模较大,往往会出现超大、超深的基坑,一般在20000—30000m2,这样大基坑在短期内完成地下室的支护、开挖、地下室结构的施工是非常困难的。同时由于采用内支撑的支护型式使地下室的土方开挖、地下室结构施工的速度大幅下降,对临近长江、汉水这一带的基坑采用内支撑支护型式是不太妥当的。现介绍一种新型的支护设计方法—“双排桩”支护结构型式,本文对设计计算方法探讨,望同行指正,以便应用于深基坑设计中。
1 计算原理简述
双排桩的结构是类似于钢结构中的“门”式桁架梁。在基坑支护中是在沿平行基坑方向,布置两排支护桩,相对的支护采用连梁连接,在基坑边形成若干“门”式结构。为加强各“门”式结构整体性,在双排桩的前、后排桩各设置一道冠梁,进而形成“门”式桁架梁。由于两排桩的作用,使支护结构的刚度大大提高,从而有效地改善了支护结构的水平位移。
对于每一个单元“门”式结构,在进行内力分析时,采用有限元分析法。
设计模型的基本假定(亦是采用该方法必须的):
(1)假定各门式结构受力是一致的,在受到土压力作用后在水平方向的位移是相等的;
(2)前后排桩之间的连梁刚度视为无穷大;
(3)前后排桩在受到水平作用后,不会因为抗拔或抗压而失效;
(4)桩间的各层土(包括处理后的水泥土)是各向同性的,并且在前后排桩之间桩间土的传力是弹性模型;
(5)门式结构本身抗倾覆是满足要求的;
针对该模型的处理对策:
(1)各门式结构在受到水平土压力作用时,由于地层状况的变化,土压力的大小是不一样的,因而在各门式结构之间采用锁口梁连接,其梁的刚度足够协调各门式结构间变形;
(2)连梁的刚度是保证前后排桩共同作用的重要保证。在设计中通常采用的办法是:每对桩采用拉梁连接、前后排之间采用板连接、综合梁板连接;
(3)在受到水平力的作用下,门式结构的前排桩是抗压的、后排桩是抗拔的,在设计之初应计算前、后排桩的极限抗压、抗拔作用力,根据作用力、土层情况计算桩长及桩的设计参数;
(4)往往在采用双排桩的地方,土质条件一般是较差的,需要进行地基处理。处理程度需根据需要的桩间土强度确定;
(5)支护桩的桩长应满足极限抗压、抗拔作用力及抗倾覆的要求。在计算抗倾覆时,应将前后排桩及桩间土视为一个整体,按挡土墙的进行验算。
将一个门式结构的支护桩划分为若干个分析单元,假设在前、后排桩的i单元中,单元受力分别为:前排桩Tqi为后排桩的传递力,Epi为被动土压力(在基坑底以上,Epi=0;或在基坑底以上有锚杆时,Epi=T,T为锚杆的受力);后排桩的受力:Eai为主动土压力,后排桩Thi为前排桩的传递力。力的关系如下:
K为桩间土的弹性模量ε为桩间土的相对变形
建立有限元分析矩阵分析单元,及结构矩阵方程。通过矩阵方程可解出前、后排桩的受力情况。计算桩的变形及桩结构的参数。
2 工程实例
(1)工程概况
武汉某工程在江汉区长江边,京汉大道、解放大道之间与泸沟桥路交汇处。建筑物地上31层,地下二层。基坑形状近似矩形。建筑物采用钻孔桩、管桩基础,基坑开挖深度约9.80-10.50m。基坑安全等级为一级。±0.000=24.0m,本基坑周长为720m,基坑面积为21000m2
(2)环境条件
东面为京汉大道,距基坑边约10m,且东侧北端有一栋8层的建筑物(采用夯扩桩基础),距长江边约600m;南面为泸沟桥路,距人行道边15m;西面为解放大道,距人行道边15m;北面为已建9层建筑物,基坑距路边约10.5m;基坑南面泸沟桥路有地下箱涵,人行道上架有电线,西面解放大道有地下排水管、电缆沟等管线。
(3)地质条件
根据岩土工程勘察报告,场区地层(与基坑支护相关的)见表1:
基坑支护设计参数见表2:
(4)水文地质条件
场区地下水主要为上层滞水和承压水两种类型。上层滞水赋存于第(1)层填土中,受大气降水、生活用水及管道渗透等的补给。由于场区填土层厚度较小,成份为砖渣、砼块、碎石、瓦片等建筑垃圾组成,含少量粘性土。故上层滞水对基坑施工的影响较小。孔隙承压水主要赋存于下部砂类土层中,与长江有较为密切联系,水量较大。场区孔隙承压水是影响基坑施工的主要因素之一。根据抽水试验成果,场区承压含水层平均渗透系数k=17.41m/d,影响半径R=220m,勘察时(枯水季节)场区承压水水头19.15m(绝对高程),自然地面以下4.35m。根据场区水文地质条件,基坑开挖已挖穿隔水层,进入含水层。即使在枯水季节施工,如果不采取降水措施,基坑开挖后亦会发生流土、流砂现象。
(5)基坑设计思路
在基坑四周采用双排桩支护体系,具体如下:
支护桩选用双排900mm钻孔灌注桩,桩间距为1.30m,排距为2.70m;桩顶位于地表下3.00m;桩顶设置冠梁、桩间采用连系梁,加强支护体系的整体性和结构刚度;冠梁上部土体采用200mm厚C20喷射混凝土。采用排水的方法解决地表水对基坑施工的影响。在基坑顶部四周设排水沟一条,疏排地表水,喷锚部分坑壁采用导水管,排泄上部填土中的上层滞水。基坑底部四周设置排水沟,防止地下水浸泡坑内土体。
3 水平位移观测结果
在基坑开挖至基坑底面,并经运行稳定后,基坑的最大位移与设计时最大水平位移限值如下表3所示:
从上表可以看出:位于基坑长边中段水平位移值相对较大,而在基坑角部的水平位移相对较小。总的说来,基坑的水平位移小于设计值,达到了设计效果,满足一级基坑的水平位移的要求。
从工期上来说:本基坑从2006年3月底进行支护桩施工,5月底进行基坑的开挖工作,现建筑物已经顺利封顶,未出现任何质量、安全事故。
从效益而言:该种支护型式比桩锚支护和内支撑贵,但就支护型式本身对环境的影响和对地下室土方开挖和结构施工而言,这种代价是值得的。由于没有采用锚杆,不存在对外界环境的影响,对周围的建筑活动不产生任何影响。由于没有内支撑结构的影响,使土方开挖和地下室结构的施工不存在任何妨碍,因而使地下室施工能顺利进行。
4 施工控制要点
对于双排桩支护型式,影响基坑的水平位移有:基坑开挖深度、支护桩的刚度、桩间土强度及拉梁的刚度。上述推理是在拉梁的刚度无穷大的基础上进行推理的,当然在实际设计中,拉梁的刚度无穷大是不可能的。
由于视拉梁的刚度无穷大,使前、后排支护桩的桩顶位移保持一致,在设计时,每隔一“门”式结构设置一道拉梁,将前、后排冠梁用20cm厚的砼面板连接,由于拉梁刚度大,在实际基坑运行过程中,前排桩是受压的,在配筋时,约有50%的钢筋可为全长的2/3;后排钢筋是受拉的,在配筋时应通长配置。
通过计算分析:前、后排桩中心距宜控制在2.5～3.5倍桩径,这样使双排桩受力效果最为理想。支护桩的施工要求应按桩基规范执行。
支护桩的桩间土是影响基坑位移的重要因素,亦是前、后排桩之间传力的重要媒介,如果桩间土的承载力大于150kPa,对基坑的位移控制非常有利。如果承载力达不到此要求时,应采用搅拌桩进行处理,只需处理在“门”式结构之间的土体,达到良好的传力效果。
双排桩在深基坑支护中的应用 篇7
双排桩支护结构主要针对在保持桩总数量不变的情况下, 将传统的单排悬臂桩中的部分桩后撤, 做成前后排桩对应或梅花式的研究表明, 双排桩的侧向刚度大、水平位移小、受力合理, 较单排桩具有形式, 并在桩顶用连梁把前后排桩连接起来形成的空间结构。模型试验和工程实更好的支护效果, 研究还证明了双排桩支护结构的不同排距会影响双排桩受力。
1. 常见的双排桩支护结构布桩形式及连梁形式
1.1 常见的双排桩支护结构布桩形式
双排桩的布置形式主要有以下6种, 如表1所示。
1.2 连梁形式
除了双排桩支护结构有不同的布桩方式以外, 连梁的结构形式也存在着多样化, 具体形式如表2所示。
大量工程实践经验和试验研究表明, 不同的连梁形式在刚度上存在着差异, 而连梁刚度对双排桩支护体系的性能影响非常重大, 因此在具体的工程施工过程中, 应结合工程的具体要求和实际条件, 科学合理地选择连梁的形式, 确保桩梁连接处的施工高质量。
2. 双排桩支护结构计算模型
大量理论研究和实验研究表明, 在对双排桩支护结构进行计算分析时, 计算模型主要有三类:
(1) 基于经典土压力;
(2) 基于Win-kle假定;
(3) 基于土拱理论。
从工程实际的使用经验来看, (2) 、 (3) 两种计算方法在应用时考虑了桩与土之间的共同作用, 所以计算结果相对要准确一些。在实际应用的过程中用的较多的模型有如图1所示的平面刚架模型和如图2所示的平面秆系有限元模型。
从两个模型上来看, 双排支护桩借助与刚性连系梁将前后排桩有机地组合成为了一个超静定结构, 有效地保证了足够大的整体刚度。理论上, 双排桩就像是一个被插入了土体之中的刚架, 能够借助于基坑以下来自于桩前土的被动土压力作用和刚架插入土中部分的前后桩抗压、拔作用而产生的力偶, 并形成合力有效地平衡倾覆力矩, 凭借桩土间的相互作用有效地减小桩内力和双排桩的水平位移。
从上述的作用上来看, 双排支护桩在复杂多变的外荷载作用下能够对结构本身的内力自动地进行调整, 使之能够更好地适应复杂而又往往难以预计的荷载条件。图2所示为考虑了桩土相互作用的平面杆系有限元模型, 该模型科学地对双排桩的工作性状进行了模拟:
(1) 在受到荷载的作用时, 前后排桩会向着基坑内运动, 导致后排桩的桩底与土体脱离, 桩底无约束作用;
(2) 在 (1) 的条件下, 桩间土的作用就表现为对后排桩有抗力的作用, 对前排桩有推力的作用。
(3) 考虑到桩间土与前、后排桩之间的相互作用力方向主要是水平方向。因此, 可以用弹簧来等效地模拟桩间土体, 对前后排桩进行有效的连接, 而土压力的分配就相当于依靠弹簧与前后排桩之间的位移来协调完成。
(4) 透过对这个模型的分析, 借助于结构力学分析和弹性地基梁方法可以将双排桩支护结构的内力值计算出来。
如图2所示平面杆系有限元模型, 概念清楚, 比较符合工程实际, 桩顶水平位移计算值与工程实测结果非常接近, 被业内专家学者广泛采用。
3. 双排桩支护结构的优点
大量实践经验表明, 与单排悬臂桩相比, 双排桩支护结构有以下几个方面优点:
(1) 单排悬臂桩的作用机制完全来自于被动区的土体的土抗力, 借助于土抗力来平衡来自于桩后土体的侧压力, 维持结构整体的稳定性能, 从设计角度和实践经验来看, 桩顶的水平位移通常比较大。与之相比, 双排桩支护结构则有了很大的差异, 主要是借助于连梁将前后排桩有效地连接, 形成一个门字空间超静定结构, 其结构的整体性好, 刚度比较大。
(2) 在作用机理上, 前后排桩与桩间土相互共同作用下, 生成的力偶方向与侧压力的方向相反, 在复杂多变的外荷载作用下, 它能自动地调整其结构本身的内力, 对复杂多变的外荷载条件有更好的适应性, 桩身的内力较小, 有效地减小了桩顶的水平位移。
(3) 门字双排桩通过增强桩顶连梁的连接, 调整双排桩变形和内力特征, 减少结构位移, 调整正负弯矩, 从而减少桩身配筋, 降低工程造价。
(4) 双排桩可有效地代替桩、锚支护等形式, 其施工工艺简便、速度快、工期更短。
4. 结语
双排桩支护结构 篇8
随着我国城市化的快速发展, 城市建设正在向纵向发展, 地下空间的利用将会越来越多。然而, 由于受到空间、既有建筑物等的影响, 传统的桩锚支护形式及桩加内支撑等支护形式往往不可行, 本文介绍的双排桩支护体系为基坑支护提供了一种新的选择。
1工程概况
广州市天河区林和村改造项目B区建设地点位于广州市天河区林和东路林和村, 基坑周长约739 m, 开挖面积约29 514 m2, 开挖深度8.4～14.7 m, 场地东侧有地铁1号线通过, 最近处距离基坑支护边线仅5.6 m, 沿线地铁埋深2.5～6 m, 分为明挖段和暗挖段。该范围基坑支护体系不能采用传统的桩锚支护体系, 同时由于受到基坑形状的限制, 难以采用桩加内支撑支护体系。因此, 在该范围采用了Φ1 200@1 400 mm双排旋挖桩支护体系, 并在双排围护桩的外排桩内设置了竖向预应力锚定锚索, 锚索进入桩底7.5 m, 基坑内侧预留了土台。工程地质及施工剖面图见图1。
2 工程地质条件及水文地质
场地岩土层有第四系人工填土层 (Qml) 、残积层 (Qel) 粉质黏土, 下伏基岩为白垩系 (K) 泥质粉砂岩。其中靠近地铁侧地层主要为上部2～4 m的填土层, 中间4～8 m的粉质黏土层, 其下为泥质砂岩层, 且一般全风化及强风化层较薄, 距地面6～12 m即进入中风化岩层。
地下水埋深0.15～1.70 m。地下水类型可分为孔隙潜水和基岩裂隙水 (裂隙承压水) 。孔隙潜水主要赋存于填土层中, 以大气降水的渗入补给为主。基岩裂隙水属承压水, 主要沿泥质砂岩风化裂隙带分布, 一般分布在岩面附近和浅部裂隙发育带, 由孔隙水渗入补给和径流侧向补给为主, 富水性较弱。
3 施工工艺流程
施工工艺流程见图2。
其中, 预留土台区的施工流程为:
(1) 平整场地, 施工搅拌桩。
(2) 施工双排旋挖桩、桩间止水旋喷桩、压顶板及锚定预应力锚索。
(3) 分层开挖基坑土方, 施工土钉、微型钢管桩, 预留土台表面喷射100 mm厚的混凝土。
(4) 施工负一层结构及支撑体系。与水平撑连接的主体结构施工≮40 m, 且≮5个柱跨。
(5) 开挖预留土台, 施工结构底板, 支护结构与地下室侧壁间砌筑200 mm厚砖墙, 施工防水层及地下室侧壁, 施工负一层结构梁板。
(6) 主体结构混凝土强度达到设计强度70%以后拆除混凝土支撑, 施工其余主体结构。
4 主要技术措施
(1) 根据设计及地铁保护的要求, 该工程支护桩靠近地铁侧的双排桩及地铁隧道附近20 m范围内的围护桩禁止采用冲孔工艺施工, 因此, 该工程东侧临近地铁位置的围护桩采用旋挖工艺施工。
(2) 由于场地限制, 同时考虑到地铁隧道上方不能有重型机械长期加载, 因此, 在施工顺序上先安排外排桩施工, 再安排内排桩施工, 施工机械全部布置在基坑内侧, 以减少围护桩施工对地铁隧道的影响。
(3) 双排桩旋挖桩施工必须注意以下事项:①围护桩均采用跳桩法施工, 至少跳3条施工1条, 待先期施工围护桩强度达到设计强度的70%以上后, 方能进行相邻围护桩的施工。②旋挖机底盘的地基必须可靠, 可以考虑垫钢板, 防止旋挖机在磨岩时倾斜或沉降。③旋挖机挖出的泥土必须及时清理外运。④在砂层时的进尺和提升速度要适当放慢, 提斗时注意泥浆的及时补充。⑤成孔过程中不能随意移开旋挖机的底盘, 否则需重新定位。⑥由于旋挖机成孔速度快, 必须提前制作旋挖机成孔桩的钢筋笼。⑦旋挖机终孔后立刻通知监理验收, 验收合格后预报预拌混凝土, 在得到混凝土搅拌站通知后再下钢筋笼, 从终孔到开始浇注混凝土的时间≯2 h, 若间隔>2 h则需要量孔深, 必要时再用旋挖机清孔。
(4) 采用信息法施工, 制定针对性的监测方案, 有针对性地进行监测控制。在施工前做好监测计划, 施工过程中做好对应项目的监测工作, 及时收集数据并进行分析, 根据监测情况调整施工方法。该工程的监测工作主要分为两个方面, 一是常规的基坑监测项目, 例如围护结构顶位移、围护结构变形、地下水位、地面沉降、建筑物沉降等;二是地铁区间隧道的变形监测。上述两项监测工作分别由业主委托不同的监测单位进行。
(5) 由于是新型支护体系应用于工程实践, 施工前针对可能出现的基坑危险源制定了相应的应急处理措施。
(6) 由于该位置的施工涉及到公共交通设施 (地铁) 的安全, 因此, 必须进行严格的施工质量控制。开工前, 必须制定严格的质量检测计划;在施工过程中, 必须按要求进行质量控制。
(7) 由于该位置基岩岩面比较高, 基本埋深6～12 m, 且岩石强度较高, 因此, 施工机械选用进口的宝峨25型旋挖桩机, 以确保成桩过程中机械作业稳定进行, 避免震动对地铁区间安全造成不利影响。
5 效果检验
(1) 该工程常规检测全部合格, 围护桩低应变检测全部为Ⅰ类桩, 预应力锚索抗拔检测、喷锚厚度检测等项目检测全部符合要求。
(2) 该项目基坑监测报告显示, 双排桩支护范围的基坑变形符合设计要求, 具体见表1。
同时, 根据业主委托的地铁监控单位的监测资料, 地铁隧道在基坑范围内的最大变形保持在4 mm以内, 变形控制得很成功。
6 双排桩支护体系的优缺点
6.1 双排桩支护体系的优点
(1) 双排桩支护体系的适用性好, 适应范围广。该新型支护体系适用于基坑周边存在建 (构) 筑物或管线, 导致锚索施工无法进行, 同时基坑自身特点决定了不宜设置内支撑或者设置内支撑成本较高的深基坑工程。在林和村改造项目中, 该支护体系是应用于东侧靠近地铁一号线区间, 当然一般条件下的基坑支护也可以采用双排桩支护体系。
(2) 基坑内无结构, 有利于土方开挖及主体结构施工的组织。双排桩支护体系内无内支撑、锚索等支护结构。对于土方开挖来讲, 该支护体系的基坑土方开挖可以完全根据土方和机械的自身特点进行安排, 无需考虑支护体系和基坑的配合, 支护体系一旦形成后, 土方开挖即可全面展开, 不受限制。对于主体结构的施工来讲, 由于结构的施工不需考虑与内支撑及立柱的施工配合, 更容易保证主体结构的施工质量及进度。
(3) 支护效果好, 对周边建 (构) 筑物的安全有益。双排桩支护结构是由前后排桩+桩顶冠梁及连梁组成的结构体系, 充分利用了空间效应, 具有较大的侧向刚度, 可以有效地限制支护结构的侧向位移。
(4) 该支护体系侵入外部地下空间范围小, 给外部空间的利用带来了方便。
6.2 目前双排桩支护体系的不足之处
(1) 双排桩支护体系的设计计算模型尚不成熟, 其合理性尚难以确定, 支护结构的设计计算很难进行有针对性的成本节约。
(2) 目前双排桩支护体系还没有被广泛运用, 很多施工也只是半理论、半经验性地进行, 基坑安全尚存在不确定因素。
(3) 鉴于该支护体系的特殊性, 从经济角度来讲, 其适用性存在一定的范围, 需要进一步研究确定。
7 结语
随着对城市地下空间的开发, 双排桩支护体系给空间受限、工况复杂的工程的支护形式提供了一种新的选择。在广州市天河区林和村改造项目B区工程中, 通过严格的施工工艺控制和针对性的技术措施, 确保了工程的顺利实施, 达到了保证地铁安全的目的。
参考文献
[1]JGJ120—99, 建筑基坑支护技术规程[S].
[2]DBJ/T15-20—97, 广东省标准建筑基坑支护技术规程[S].