CN101615212B

CN101615212B - 一种排桩-内支撑支护体系简化设计计算方法

Info

Publication number: CN101615212B
Application number: CN2009100633535A
Authority: CN
Inventors: 袁海庆; 孙明; 范剑锋; 何克农; 郑祥斌; 袁内镇; 申俊甫; 李受祉; 陆祖欣; 向艳; 王佶; 范小春; 张光文; 张广海; 吴茜婷; 孙骞
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2009-07-28
Filing date: 2009-07-28
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2029-07-28
Also published as: CN101615212A

Abstract

本发明涉及一种排桩-内支撑支护体系简化设计计算方法，是将桩等效为连结在内支撑结构上的弹簧支座，把主动土压力转化为作用在内支撑上的等效节点荷载，把原体系转化为由桩弹簧支座-等效结点荷载-内支撑组成的等效平面体系，解决桩与内支撑的位移不协调问题；同时，把空间问题转化为平面问题，使得排桩-内支撑系统的计算得到简化，同时也考虑整个结构空间效应的影响。本发明把空间问题转化为平面问题，计算简单，不需要专业性很强的技术和人员支持，可靠性高，工程应用成本低。

Description

一种排桩-内支撑支护体系简化设计计算方法

技术领域

本发明属于一种深基坑支护体系的结构设计计算方法，属于基坑支护设计计算方法的创新，特别用于排桩-内支撑支护体系简化设计计算方法。

背景技术

目前深基坑工程中有多种支护形式，其中排桩-内支撑支护体系由于它可靠性高、不侵越红线、便于与逆作法相结合等优点而受到了越来越广泛的应用。而目前对于排桩-内支撑支护体系分析的设计计算方法主要有两种：第一种是建立一个基坑支护体系的整体空间有限元模型，将支护桩结构与内支撑看作共同作用体，通过有限元计算分析得到结果。由于建立模型复杂、计算量过大，需要有相关计算机软件和人力支持，实际工程中很少应用。第二种是将支护体系的平面支撑框架和竖向支护体分开计算，各自按平面问题简化计算。计算依据为我国《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-99)推荐采用的“弹性支点法”。这种计算方法已在工程实践中大量应用，而且国内通行的几种深基坑计算软件就是这一方法的程序化。但是这种方法在力学上存在明显的理论缺陷，在实际工程应用中存在明显的不便：其一、除了简单情况之外，实际上都没有适当的计算方法来计算内支撑的刚度，主要靠经验估计，缺乏理论依据，由于实际计算过程中，内支撑结构在支点处的等效刚度估算的偏差，导致支护桩和内支撑在桩顶支点处位移不协调。常需反复试算调整，才可逐步使计算结果改善，计算过程繁琐、重复。有些软件采用人为直接调整桩对内支撑作用力(即荷载)的方法，缺乏定量依据，完全靠主观估计判断。其二、在对支撑结构进行平面分析时，为了不产生刚体位移，需在平面框架中设置约束，为了反映实际，约束支杆应加在位移为0的支点上，方向应取与0位移相应的方向。但实际工程中，由于基坑形状、土层分布的任意性，基坑周边上0位移的支点往往很难估计判断。所取的约束条件不合适，就会引起很大的人为约束反力，造成内支撑结构局部内力分布失真。为此，又需要反复调整试算，增加了计算工作量。尤其是在多层内支撑的情况下，由于层与层之间的相互影响，上述问题显得更加突出。

发明内容

本发明的目的是提供一种能符合排桩-内支撑支护体系实际受力状态、满足变形协调条件且简便实用的排桩-内支撑支护体系简化设计计算方法。

为了实现上述目的，本发明的方法(简称为“桩弹簧等效方法”)是不将支护桩和内支撑结构分开，而是将它们作为一个整体体系来计算，即将桩等效为连结在内支撑结构上的弹簧支座，把主动土压力转化为作用在内支撑支点上的等效结点荷载，把原体系转化为由桩弹簧支座-等效结点荷载-内支撑组成的等效平面体系，把空间问题转化为平面问题，使得排桩-内支撑系统的计算得到简化，并满足桩与内支撑的位移协调条件，同时也考虑了整个结构空间效应的影响，其设计方法为：

对于单层内支撑的排桩-内支撑体系：

取桩-内支撑结构的一个截面，将原结构桩顶部结点处都用附加链杆约束住，则在土压力荷载的作用下，附加约束产生支座反力，将它反向加到原结构上，荷载等效的任务是将主动土压力等效成作用于支点处的水平集中力，应用荷载等效原则-使结构在原荷载和等效结点荷载作用下产生相同的结点位移，而上述桩看作是的弹簧支座的刚度可以通过在桩与内支撑节点处施加单位位移求得，经过上述的等效转换，将分布在内支撑平面外的土压力等效至内支撑平面。同时确定完每个弹簧支座的刚度系数后，将“弹簧支座”安装至内支撑结构四周，最终实现空间模型向平面计算模型的转换；

对于排桩-多层内支撑体系：

取桩-多层内支撑结构的一个截面，将原结构每层桩支点处都用附加链杆约束住，则在土压力荷载的作用下，附加约束必然会产生支座反力，将它反向加到原结构上，按照上述满足位移协调的排桩-单层内支撑支护体系简化计算方法的原理，将排桩-多层内支撑简化问题归结为求各层的等效荷载和支护桩等效为弹簧的刚度，然后采取各层轮换约束-放松的迭代渐进算法，将多层支撑的空间耦合问题转换为一系列单层问题，即先放松单层约束，保留其它层的约束，这时桩仍然视为弹簧支座，求出它的等效刚度，这样，将本层等效为桩弹簧-本层内支撑-等效结点荷载的平面问题求解，之后，将这一层约束住，放松相邻的另一层，用同样方法处理，从而把排桩-多层内支撑问题转化成排桩-单层内支撑问题的叠加，具体计算过程为：

A、约束第二层支点处位移，释放第一层支点处链杆约束

先放松第1层，保留第2层的约束，故第2层内支撑不受力，从而它去除，因此变成一个单层桩-内支撑结构，则该层可按单层内支撑的排桩-内支撑体系计算简图求解；

B、约束第一层支点处位移，释放第二层支点处链杆约束

根据轮换约束-放松的思想，在步骤A计算完毕后，将第2层内支撑处的附加约束放松，同时在第1层内支撑处设置链杆约束，从而去除第1层内支撑，则变成另一个单层内支撑问题，同样该层也按单层内支撑的排桩-内支撑体系计算简图求解；

C、轮换约束-放松

依次分别按照上面的步骤(A)、步骤(B)，对结构依次进行轮换约束-放松，求出各次循环中各层的位移和内力，直至所求位移值满足相应的工程精度要求为止，即可停止循环；

D、总位移、总内力求解

将各次循环中解得的位移叠加，得到桩-内支撑体系的结点总位移，将各次循环中解得的内力叠加，并叠加上各层全部约束状态下的结构内力，即得到桩-内支撑体系的总内力。

本发明的方法(简称为“桩弹簧等效方法”)有如下优点：

(1)考虑桩和内支撑共同作用，满足桩与内支撑的位移协调条件，可应用于各种桩，包括挖孔桩、钻孔桩、混凝土管桩、钢管桩等，也可应用于各种复杂的内支撑形式，并且可以应用于一层也可以应用于多层内支撑支护体系。

(2)把空间问题转化为平面问题，计算简单，不需要专业性很强的技术和人员支持，可靠性高，工程应用成本低。

附图说明

图1为本发明排桩-内支撑支护体系结构示意图。

图2为本发明满足位移协调的排桩-单层内支撑支护结构简化计算方法原理图。

图3为本发明满足位移协调的排桩-单层内支撑支护结构刚度系数计算简图。其中Δ＝1。

图4为本发明排桩-内支撑支护结构简化计算平面模型示意图。

图5为本发明满足位移协调的排桩-多层内支撑支护结构简化计算方法的方法建立示意图。

图6为本发明约束第二层支点处位移，释放第一层支点处链杆约束计算原理图。其中Δ＝1。

图7为本发明约束第一层支点处位移，释放第二层支点处链杆约束计算原理图。其中Δ＝1。

图8为本发明实施例1基坑平面形状及内支撑布置示意图。

图9为本发明实施例1桩弹簧-内支撑-等效荷载平面计算示意图。

图10为本发明多层内支撑支护体系计算机编程迭代流程图。

图中：1-被动区土弹簧、2-主动区土压力、3-内支撑结构、4-排桩支护结构、5-桩(连同土弹簧)的等效弹簧支座、6-等效荷载、7-附加链杆约束。8-附加链杆约束反力。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

下面介绍本发明的排桩-内支撑简化计算方法的具体理论，以说明该方法是更能符合排桩-内支撑支护体系实际受力状态、满足变形协调条件且简便实用的计算方法。

先以图1为例说明单层内支撑的排桩-内支撑体系的“桩弹簧等效法”的原理。

取图1桩-内支撑结构的一个截面(内支撑简化为压杆)(图2a)，如果将原结构桩顶部结点处都用附加链杆约束住，则在土压力荷载的作用下，附加约束必然会产生支座反力(图2b)，这个反力是人为加上去的，为了消除这一人为反力，将它反向加到原结构上(图2c)，则根据叠加原理，图2(b)和图2(c)所示状态之和就是原结构(图2a)解。

于是，原结构(图2a)的问题就转化为图2(b)和图2(c)的问题。

首先解决图2(b)的问题：

荷载等效的任务是将主动土压力(分布力)等效成作用于支点(内支撑)处的水平集中力。应用荷载等效原则——使结构在原荷载和等效结点荷载作用下产生相同的结点位移，可知由于图2(b)桩顶结点水平位移为0，所以图2(c)的桩顶水平位移就是原结构(图2a)的桩顶水平位移。从这个意义上说，图2(c)中的荷载F即为等效结点荷载。而图2(c)中的荷载F根据作用力与反作用力的关系就是图2(b)中的荷载F。

由于附加了链杆支座，桩顶水平位移被限制，图2(b)等效于图2(d)，这是一个单桩计算问题，可以立即由常规方法解出。于是附加链杆的支座反力F(反向即为等效荷载)可求。

再解决图2(e)的问题：

将F反向，图2(c)的荷载即可得到，上已述及，它就是等效结点荷载。将图2(c)中每个桩(连同土弹簧)看作是一个弹簧支座，图2(c)就转化成了图2(e)。

而上述桩(连同土弹簧)看作是的弹簧支座的刚度可以通过在桩与内支撑节点处施加单位位移求得，如图3。

经过上述的等效转换，将分布在内支撑平面外的土压力等效至内支撑平面。同时确定完每个弹簧支座的刚度系数后，将“弹簧支座”安装至内支撑结构四周，最终实现空间模型向平面计算模型的转换(图4)。

对于排桩-多层内支撑体系，同样可以利用上述方法将空间结构简化成平面结构进行设计计算(图5)。图5(a)为桩-双层内支撑结构的一个截面，如果将原结构每层桩支点处都用附加链杆约束住，则在土压力荷载的作用下，附加约束必然会产生支座反力(图5b)，同样由于这个反力是人为加上去的，为了消除这一人为反力，将它反向加到原结构上(图5c)，则根据叠加原理，图5(b)和图5(c)所示状态之和就是原结构(图5a)解。

于是，原结构(图5a)的问题就转化为图5(b)和图5(c)的问题。

按照上述满足位移协调的排桩-单层内支撑支护体系简化计算方法的原理，将排桩-多层内支撑简化问题归结为求各层的等效荷载和支护桩等效为弹簧的刚度。但这样会发现在各层的支护桩等效弹簧刚度不能求出，层与层之间存在相互耦合影响，故对于排桩-多层内支撑体系，要重点解决支护桩等效弹簧的刚度问题。

为此，采取各层轮换约束-放松的迭代渐进算法，将多层支撑的空间耦合问题转换为一系列单层问题。即先放松某层约束，保留其它层的约束，这时桩仍然可以视为弹簧支座(与单层的不同是多了一个支杆约束)，可以求出它的等效刚度。这样，可将本层等效为桩弹簧-本层内支撑-等效结点荷载的平面问题求解。之后，将这一层约束住，放松相邻的另一层，用同样方法处理。从而把排桩-多层内支撑问题转化成一系列排桩-单层内支撑问题的叠加。对于图5所示的两层内支撑问题，具体计算过程如下：

(1)约束第二层支点处位移，释放第一层支点处链杆约束

从图5(b)的状态开始，不是一步就全部放松两层的约束达到图5(c)的状态，而是先放松图5(b)的第1层，保留第2层的约束，故第2层内支撑不受力，从而它去除，因此变成一个单层桩-内支撑结构，即图6(a)的状态。图6(a)状态下桩可视为在第1层内支撑上的等效弹簧(图6b)，其刚度可按图6(d)求解，则该层可按图6(c)所示计算简图求解。

(2)约束第一层支点处位移，释放第二层支点处链杆约束

根据轮换约束-放松的思想，在步骤(1)中图6(a)状态计算完毕后，将第2层内支撑处的附加约束放松，同时在第1层内支撑处设置链杆约束，从而去除第1层内支撑，则变成另一个单层内支撑问题，即图7(a)所示状态，依照上述方法可求解。但是由于计算步骤(1)时会在第2层附加链杆约束中产生附加约束反力f₂，所以第2层约束上的总反力应为(F₁+f₁)，将这个总反力反向，即为在本步骤第二层的等效结点荷载。

(3)轮换约束-放松

依次分别按照上面的步骤(1)、步骤(2)，对结构依次进行轮换约束-放松，求出各次循环中各层的位移和内力，直至所求位移值满足相应的工程精度要求为止，即可停止循环。

(4)总位移、总内力求解

上述分别介绍了单层和两层内支撑的“桩弹簧等效法”，对于两层以上的多层同样可以利用本发明所述的方法并结合迭代渐进的算法求解。

同时在上述对“桩弹簧等效法”的阐述中，没有涉及对排桩在沿基坑侧壁方向的位移和刚度问题。实际上只要依照上述处理方法，在沿基坑侧壁方向同样考虑加上土弹簧，求得其刚度和切线方向的等效荷载就得以解决。此外，在算例中也没有考虑对挖土过程的模拟，因为这仅仅是对荷载的处理方法问题，与算法本身并无直接关系。在运用本发明进行编程时，可以在程序上实现对挖土过程、逆工况的模拟。

实施例1

设基坑为40×24m的矩形，排桩间距4m，排桩入土深度9.45m，开挖深度为6.7m。本工程基础设计采用后压浆钻孔灌注桩基础，基坑采用排桩-内支撑的支护方式。基坑开挖过程中暴露的土层为：(1)6.7m厚杂填土(2)1.05m厚粉质粘土(3)3.2m厚粘土(4)5.2m厚粉砂粉土与粉质粘土互层。各土层的设计参数如表附1。

支护桩直径为0.8m，嵌入冠梁0.1m，桩长16.15米，混凝土强度C30。钢筋混凝土内支撑主杆700×600(高×宽)，混凝土强度等级采用C 30，施工时用C40混凝土浇筑，以便混凝土浇筑七天后可进行土方开挖。支撑下设置钢筋混凝土灌注桩与钢结构组合立柱(采用470mm×470mm钢结构立柱)。锁口梁截面尺寸为1000×1300mm(高×宽)，采用双面对称配筋，混凝土强度等级C30。

根据基坑平面形状及内支撑布置方案，内支撑布置如图8所示：

附表1 各土层设计参数

按照上述理论，地基土为成层土时，采用有限元方法。将土体沿竖向划分有限个单元，每单位长度范围内的土体视为土弹簧。根据m弹性抗力法则有：

K_土弹簧＝mZb₁L

b₁-桩的截面计算宽度；

L-“土弹簧”所代表土体竖向厚度；

m-地基土横向抗力系数的比例系数，工程资料中已给出数值大小；

Z-“土弹簧”所代表土体竖向中点的深度；

故可以利用上述公式，分别按照单元划分长度计算被动区土弹簧的刚度系数。通过上述的方法(附图3)求得桩(连同土弹簧)看作是的弹簧支座的刚度系数K为1438.456kN/m，而通过附图2(d)求得的等效荷载F为524.3321kN，方向为向基坑内侧。将“弹簧支座”安装至内支撑结构四周，同时将等效荷载施加在内支撑节点上，从而将实施例1的空间结构转化为图9的平面结构，进行内支撑截面的设计计算，最后利用内支撑截面的计算结果，对桩进行设计计算，完成整个支护结构体系的计算。

通过空间有限元计算结果与“桩弹簧等效法”计算结果比较分析可得：

1、两者反映的变形、应力规律是一致的。

2、有限元计算的长边方向的沿基坑侧壁法向的最大位移值为0.41006cm，短边方向的沿基坑侧壁法向的最大位移值为0.42301cm，而通过“桩弹簧等效法”计算得到的长边方向沿基坑侧壁法向的最大位移值为0.410073cm，短边方向的沿基坑侧壁法向的最大位移值为0.423031cm，百分比误差分别为0.003％和0.005％，反映在位移比较曲线两种方法的位移曲线几乎完全重叠。

3、有限元计算得到各支点的弯矩值和“桩弹簧等效法”计算得到的支点弯矩值百分比误差最大为0.007％。误差很小，以致弯矩比较曲线重叠在一起。

从上述实施例的比较分析结果中可得，本发明的结果与ANSYS软件空间有限元计算结果有很好的符合，误差极小(两种方法的计算曲线几乎完全重叠)，并且这些误差主要由计算误差和舍入误差引起，从而验证了本发明的正确性。

实施例2

为了简化验证计算过程，取排桩-双层内支撑支护体系，其支撑形式与构件截面均与单层内支撑相同，并且所有的参数不变，第二层内支撑位置距离第一层内支撑位置5.7m，则可用有限元模拟其空间结构受力状态。

本发明可以采用图5示意图计算。先计算等效荷载F1＝1350.98303kN和F2＝145.566378kN，然后由图6计算约束支护桩第二层支点位移，释放第一层支点位移所等效的弹簧刚度系数K1＝4992.76kN/m和由于第一层支点产生单位位移在第二层链杆约束中产生的支座反力K12＝-12674.9865kN/m，再将“弹簧支座”安装至内支撑结构四周，同时将等效荷载施加在内支撑节点上，从而将空间结构转化为平面结构，进行内支撑截面的设计计算，并计算在二层链杆中产生的约束反力f2。然后由图7计算桩约束第一层支点位移约束，释放第一层支点位移所等效的弹簧刚度系数K2＝45207.9566kN/m，同时等效荷载考虑f2的影响，将荷载叠加求得等效荷载，同理得到相应的平面结构进行计算，按照上述过程进行循环计算，最终求得排桩-内支撑支护体系的位移和内力。

用空间有限元模拟计算得到的长边方向的沿基坑侧壁法向的最大位移分别为：第一层0.24699cm，第二层0.99058cm，而用本方法计算得到的最大位移点与有限元计算相同，最大位移值分别为：第一层0.24743cm，第二层0.991555cm，两者第一层位移误差为0.18％，第二层位移误差为0.09％。由于考虑到计算的精度已经满足工程需要，本例在用“桩弹簧等效法”计算的过程中仅迭代了1次，若使用计算机编程迭代计算(图10)，可逼近精确解。

空间杆系有限元方法全面考虑了支护结构空间效应，所以可以将它的计算结果与排桩-内支撑简化设计法的计算结果相比较，以验证排桩-内支撑简化设计法的正确性。在实施例中，“桩弹簧等效法”的结果与ANSYS软件空间有限元计算结果有很好的符合，验证了“桩弹簧等效法”的正确性。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims

1.一种单层内支撑的排桩-内支撑支护体系简化设计计算方法，其方法是：将桩等效为连结在内支撑结构上的弹簧支座，把主动土压力转化为作用在内支撑上的等效节点荷载，把原体系转化为由桩弹簧支座-等效结点荷载-内支撑组成的等效平面体系，解决桩与内支撑的位移不协调问题；同时，把空间问题转化为平面问题，使得排桩-内支撑系统的计算得到简化，同时也考虑整个结构空间效应的影响，其设计计算步骤为：

取桩-内支撑结构的一个截面，将原结构桩顶部结点处都用附加链杆约束住，则在土压力荷载的作用下，附加约束产生支座反力，将它反向加到原结构上，荷载等效的任务是将主动土压力等效成作用于支点处的水平集中力，应用荷载等效原则-使结构在原荷载和等效结点荷载作用下产生相同的结点位移，而上述桩看作是弹簧支座，弹簧支座的刚度可以通过在桩与内支撑节点处施加单位位移求得，将分布在内支撑平面外的土压力等效至内支撑平面，同时确定完每个弹簧支座的刚度系数后，将“弹簧支座”安装至内支撑结构四周，最终实现空间模型向平面计算模型的转换。

2.根据权利要求1所述的单层内支撑的排桩-内支撑支护体系简化设计计算方法，其特征在于：所述桩的桩径为800-1600mm。

3.根据权利要求1所述的单层内支撑的排桩-内支撑支护体系简化设计计算方法，其特征在于：所述的内支撑截面为由冠梁、围檩与对顶式支撑、角撑、斜撑、格构式支撑、环梁式支撑、桁架式支撑中的1种或几种组合成的内支撑结构。

4.根据权利要求1所述的单层内支撑的排桩-内支撑支护体系简化设计计算方法，其特征在于：所述的桩包括挖孔桩、钻孔灌注桩、沉管灌注桩、预应力混凝土管桩、钢管桩、钢板桩。

5.根据权利要求1所述的单层内支撑的排桩-内支撑支护体系简化设计计算方法，其特征在于：所述桩的开挖深度为6-40m和桩的长度7-50m。