CN105178331B - 深基坑及超深基坑桩锚支护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深基坑及超深基坑桩锚支护方法，尤其是一种用于建筑基坑支护工程领域的深基坑及超深基坑桩锚支护方法。本发明提供一种避免支护桩嵌固段土体处于不收敛状态，致支护结构失效的深基坑及超深基坑桩锚支护方法，包括以下步骤：a、测定支护桩嵌固段土样黏聚力c和内摩擦角b、计算支护桩嵌固段的变形状态承载力和相应位置处的土反力ps；c、比较与ps大小；d、若调整支护桩尺寸参数或增加嵌固段深度；e、重复b步骤至d步骤直至f、按照前述步骤确定的支护桩尺寸及嵌固段深度施工。本发明可防止因土体达到极限破坏状态，致上部锚索或锚杆轴力增大或被拔出，最终使支护结构失效。
Description
技术领域
本发明涉及一种深基坑及超深基坑桩锚支护方法，尤其是一种用于建筑基坑支护工程领域的深基坑及超深基坑桩锚支护方法。
背景技术
随着城市化进程的加快，地下空间利用快速发展，城市地铁广场等的建设，城市中基坑开挖深度和规模的越来越大，基坑支护工程的难度也随之变得更加突出，而这些基坑支护工程集中于市区，周边环境复杂，基坑变形对周围建筑物、密布管网等的安全构成潜在威胁。桩锚支护结构可以通过施加预应力限制支护结构的变形，具有良好的技术和经济效益，在深或超深基坑支护工程中得到了广泛的应用。
深基坑是指深度范围在5至15m的基坑，超深基坑是指深度范围在大于15m的基坑，深基坑及超深基坑开挖面在暴露时间内，支护结构在基坑外侧土压力的作用下，随基坑暴露时间不同将产生不同发展趋势的侧向位移，若支护结构侧向位移随时间的发展趋于发散状态，将导致基坑外侧土体的侧向变形不收敛，这直接影响基坑自身的稳定和周边建筑物、管线等的安全，因此必须保证深基坑及超深基坑变形随时间发展处于稳定可控状态。具体到桩锚支护结构，基坑内侧支护桩嵌固段土反力与开挖面以上锚索或杆的支点反力共同作用下，平衡基坑外侧土压力。而支护桩是一种典型的被动受力模式，嵌固段土反力依赖于土体的变形，即因嵌固段土体的变形而产生土反力，若嵌固段土体变形处于不收敛的状态，则土体必将达到极限破坏状态，导致上部锚索或杆轴力增大或被拔出，最终结果使支护结构失效，因而支护桩嵌固段土体的变形状态，即变形随时间的发展变化趋势是控制桩锚支护结构侧向位移的关键，结合基坑支护工程特点，支护桩嵌固段土体变形应至少处于缓慢稳定状态。
现有深基坑及超深基坑桩锚支护技术中，是采用控制支护结构强度的方法来保证支护功能的有效性，例如我国JGJ120-2012《建筑基坑支护技术规程》中有关桩锚支护结构的计算，但该技术没有考虑支护桩嵌固段土体变形状态对支护结构的影响。因此现有技术中还没有一种可以避免支护桩嵌固段土体处于不收敛的状态，防止因土体达到极限破坏状态，导致上部锚索或杆轴力增大或被拔出，最终结果使支护结构失效的深基坑及超深基坑桩锚支护方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可以避免支护桩嵌固段土体处于不收敛的状态，防止因土体达到极限破坏状态，导致上部锚索或杆轴力增大或被拔出，最终结果使支护结构失效的深基坑及超深基坑桩锚支护方法。
本发明解决其技术问题所采用的深基坑及超深基坑桩锚支护方法，包括以下几个步骤：
a、测定基坑开挖深度以下支护桩嵌固段土样的黏聚力c和内摩擦角
b、计算基坑底面以下支护桩嵌固段的土体变形处于缓慢稳定状态时的变形状态承载力和相应位置处的土反力ps；
c、比较与ps的大小；
d、如果则调整支护桩尺寸参数或增加支护桩嵌固段深度；
e、重复b步骤至d步骤直至满足
f、按照前述步骤所确定的支护桩尺寸及嵌固深度进行支护桩施工。
进一步的是，在所述b步骤中利用公式
及公式计算其中c(2)、为土体变形处于缓慢稳定状态时的变形状态强度参数，λ(2)为相应于缓慢稳定状态的折减系数，γ为土的容重单位为kN/m3，y为计算点距基坑底面处的深度单位为m。
进一步的是，所述折减系数λ(2)的取值范围为40％至60％。
进一步的是，所述与ps中的计算点距基坑底面处的深度值均取为其中hd为支护桩嵌固段长度。
进一步的是，所述d步骤中采用增加支护桩嵌固段深度的方法来调整支护桩尺寸参数。
进一步的是，所述d步骤中采用增大支护桩截面尺寸的方法来调整支护桩尺寸参数。
本发明的有益效果是：本发明先在桩锚支护结构施工前或设计阶段确定支护桩的尺寸，通过对相应尺寸下基坑底面以下支护桩嵌固段的土反力进行校核，使其不超过基坑底面以下嵌固段土体变形处于缓慢稳定状态时的变形状态承载力，这样按照经过前述校核的支护桩进行施工，充分考虑了支护结构在基坑外侧土压力的作用下，随基坑暴露时间不同将产生不同侧向位移发展趋势的影响，保证了深基坑及超深基坑变形随时间发展处于稳定可控状态，可以避免支护桩嵌固段土体处于不收敛的状态，防止因土体达到极限破坏状态，导致上部锚索或锚杆轴力增大或被拔出，最终结果使支护结构失效。
附图说明
图1是工点开挖6m时支护桩侧向位移s(t)与时间t的实测数据及负幂函数拟合图；
图2是工点开挖12m时支护桩侧向位移s(t)与时间t的实测数据及负幂函数拟合图；
图3是工点开挖23.6m时支护桩侧向位移s(t)与时间t的实测数据及负幂函数拟合图；
图中零部件、部位及编号：现场实测支护桩侧向位移1、负幂函数拟合2。
具体实施方式
本发明的深基坑及超深基坑桩锚支护方法，包括以下几个步骤：
a、测定基坑开挖深度以下支护桩嵌固段土样的黏聚力c和内摩擦角
b、计算基坑底面以下支护桩嵌固段的土体变形处于缓慢稳定状态时的变形状态承载力和相应位置处的土反力ps；
c、比较与ps的大小；
d、如果则调整支护桩尺寸参数或增加支护桩嵌固段深度；
e、重复b步骤至d步骤直至满足
f、按照前述步骤所确定的支护桩尺寸及嵌固深度进行支护桩施工。
按照本发明的方法，先在施工前或设计阶段确定支护桩的尺寸，通过对相应尺寸下基坑底面以下支护桩嵌固段的土反力进行校核，使其不超过基坑底面以下嵌固段土体变形处于缓慢稳定状态时的变形状态承载力，这样按照经过前述校核的支护桩进行施工，充分考虑了支护结构在基坑外侧土压力的作用下，随基坑暴露时间不同将产生不同侧向位移发展趋势的影响，保证了深基坑及超深基坑变形随时间发展处于稳定可控状态，可以避免支护桩嵌固段土体处于不收敛的状态，防止因土体达到极限破坏状态，导致上部锚索或锚杆轴力增大或被拔出，最终结果使支护结构失效。
其中，支护桩嵌固段的土反力ps采用现有技术的方法计算得到。按照JGJ120-2012《建筑基坑支护技术规程》中的弹性地基梁或利用理正深基坑设计软件得到各道锚索或锚杆水平轴力Fhi、基坑底面处支护桩的弯矩M0及剪力Q0；按照弹性地基梁法计算得到基坑底面以下支护桩嵌固段各深度处的侧向位移x；计算公式为
式中：A1、B1、C1、D1分别为随桩换算深度而异的系数；α为支护桩变形系数，m-1；
EI为支护桩抗弯刚度，kN·m2；x0为基坑底面处支护桩侧向位移，m；φ0为基坑底面处支护转角，rad。
桩底为固定端时：
桩底为铰接时：
桩底为自由端时：
然后利用下述公式计算基坑底面以下支护桩嵌固段各深度处的土反力ps，
ps＝myx
式中：m——土反力系数的比例系数，kN/m4；y——计算点距基坑底面处的深度，m；
vb——桩在基坑底处的侧向位移量，m；当vb≤10mm时，取vb＝10mm。
在所述b步骤中利用公式
及公式计算其中c(2)、为土体变形处于缓慢稳定状态时的变形状态强度参数，λ(2)为折减系数，γ为土的容重单位为kN/m3，y为计算点距基坑底面处的深度单位为m。具体实施时先将上一步骤中得到的土样黏聚力c、内摩擦角按前述方法进行折减，得到土体变形处于缓慢稳定状态时的变形状态强度参数c(2)、再确定变形状态承载力。
所述折减系数λ(2)的取值范围为40％至60％。折减系数采用前述取值范围可以准确反映土体变形处于缓慢稳定状态时的变形状态强度参数。
所述与ps中的计算点距基坑底面处的深度值均取为其中hd为支护桩嵌固段长度。深度值均取支护桩嵌固段长度的三分之一可以较准确的反映支护桩嵌固段的力学状态。
所述d步骤中采用增加支护桩嵌固段深度的方法来调整支护桩尺寸参数。
所述d步骤中采用增大支护桩截面尺寸的方法来调整支护桩尺寸参数。
实施例：
某建筑基坑开挖深度23.6m，支护桩嵌固段长度8m，降水后的地下水位位于地面以下24.1m处。共设置四道预应力锚索，与水平方向夹角均为15°，水平间距为2.2m，规格为1×7φs15.2，标准强度为1860MPa；支护桩径1.2m。主要地层分布及物理力学参数如表1所列，各道锚索参数如表2所列。
表1主要地层土物理力学参数
表2各道锚索参数
利用理正深基坑设计软件中提供的弹性支点法计算得到各道预应力锚索的水平向轴力Fhi以及基坑底面处支护桩的弯矩M0、剪力Q0，如表3所列。其中，密实卵石层土反力系数的比例系数m＝2.8×104kN/m4。
表3锚索轴力及基坑底处支护桩内力
假定支护桩底为铰支端，将得到的基坑底面处支护桩弯矩M0、剪力Q0，利用弹性地基梁法求得嵌固段各深度处支护桩侧向位移s，如表4所列。
表4支护桩各深度处侧向位移s
由JGJ120-2012《建筑基坑支护技术规程》推荐的方法计算得到基坑底面以下支护桩嵌固段各深度处的土反力Ps，结果如表5所列。
表5基坑底面以下支护桩嵌固段各深度处的土反力Ps
由表5插值法可得到基坑底面以下(1/3)hd处(y＝2.7m)的土反力根据式(1)可分别得到λ(2)＝40％、60％时的变形状态强度参数分别约为24.7°、31.3°，c(2)＝0，代入变形状态承载力并取y＝(1/3)hd，即可得分别约为158.1kPa、204.7kPa。
从计算结果可知，则可判别嵌固段土体变形处于缓慢稳定状态。
利用负幂函数如图1，图2，及图3所示，对实例计算工点现场实际测得的支护桩侧向位移s(t)随时间t的变化曲线数据进行拟合。得到的幂次p值分别约为1.80、1.84、1.62，平均值约为1.75，则由幂次p与该负幂函数的敛散性可知，s(t)为收敛函数，即表明支护桩侧向位移处于缓慢稳定状态，亦即嵌固段土体变形同样处于缓慢稳定状态。与本发明专利提出的设计方法得到的结果一致。
Claims (4)
1.深基坑及超深基坑桩锚支护方法，其特征在于：包括以下几个步骤：
a、测定基坑开挖深度以下支护桩嵌固段土样的黏聚力c和内摩擦角
b、计算基坑底面以下支护桩嵌固段的土体变形处于缓慢稳定状态时的变形状态承载力 和相应位置处的土反力ps，其中计算的公式为
其中c(2)、为土体变形处于缓慢稳定状态时的变形状态强度参数，λ(2)为相应于缓慢稳定状态的折减系数，γ为土的容重单位为kN/m3，y为计算点距基坑底面处的深度单位为m；
c、比较与ps的大小；
d、如果则调整支护桩截面尺寸或增加支护桩嵌固段深度；
e、重复b步骤至d步骤直至满足
f、按照前述步骤所确定的支护桩截面尺寸及嵌固深度进行支护桩施工。
2.如权利要求1所述的深基坑及超深基坑桩锚支护方法，其特征在于：所述折减系数λ(2)的取值范围为40％至60％。
3.如权利要求2所述的深基坑及超深基坑桩锚支护方法，其特征在于：所述与ps中的计算点距基坑底面处的深度值均取为其中hd为支护桩嵌固段长度。
4.如权利要求1所述的深基坑及超深基坑桩锚支护方法，其特征在于：所述d步骤中采用增大支护桩截面尺寸的方法来调整支护桩尺寸参数。
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