CN109723063A - 一种用于基坑支护的集束桩垛支护结构及其计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种用于基坑支护的集束桩垛支护结构及其计算方法。所述集束桩垛支护结构包括沿着基坑长边方向等距布置的一排悬臂支护桩和平行置于前排悬臂支护桩后侧的多组后排扶臂桩,其前排的悬臂支护桩的桩顶通过冠梁连为一体;每组后排扶臂桩包括1~2根扶臂桩,且多组后排扶臂桩等距分布在前排悬臂支护桩后侧;每组后排扶臂桩中的每根扶臂桩分别与对应的悬臂支护桩通过横梁连接,其连接后每组后排扶臂桩与其前侧的悬臂支护桩组成一个集束桩垛结构。本发明在宽大基坑长边中部每隔一定距离增设集束桩垛,用于控制宽大基坑长边中部单排悬臂支护桩的侧向变形,加快了施工进度,节省了工期,很大程度上降低了基坑的建设成本及运营成本。
Description
技术领域
本发明涉及深基坑支护工程技术领域,具体的说是一种用于基坑支护的集束桩垛支护结构及其计算方法。
背景技术
随着城市建设的不断发展,城市用地日益紧张,土地特别稀缺,为了有效的利用士地,高层建筑、超高层建筑、地下建筑等对空间利用率更高的建筑应运而生。但高层建筑抗震性和整体稳定性较差,而这恰恰是地下空间建筑的优势,因此合理开发地下空间已经成为城市建筑发展的一个趋势。基坑工程的数量越来越多,基坑开挖的深度越来越深,单个基坑的开挖面积也越来越大,基坑工程与周边环境的关系越来越密切,基坑开挖与城市建设密集、地下管线众多、建设场地狭小、周围环境要求高等不利因素的矛盾也越来越突出,对周边环境保护的要求越来越高,基坑工程也变得越来越复杂。如此一来,不仅使得基坑工程的造价不断攀升,也给基坑工程的实施带了诸多技术上的难题。
对于采用单排悬臂支护桩的宽大基坑,因基坑每侧支护周长较长导致基坑中部支护桩的实际水平位移大于单元计算的水平位移,偏于不安全,对周边环境保护不利。由于物权法的实施,很多城市要求锚杆不能超出红线导致锚杆在基坑工程中的使用受限,因此为了控制宽大基坑长边中部的侧向变形,只能增设水平支撑或加大支护桩的截面尺寸,前者会影响土方的开挖进度和上部结构的施工从而延误工期而且并无显著的经济性,后者会大大地增加了基坑支护的造价,极度浪费了国家和社会的资源,与当今全社会提倡的低碳环保理念背道而驰。在宽大基坑长边中部每隔一定距离增设集束桩垛,既能实现无撑化又不必增大支护桩的截面尺寸,加快了施工进度,节省了工期,很大程度上降低了基坑的建设成本及运营成本。
发明内容
针对宽大基坑长边中部悬臂支护桩的实际水平位移大于单元计算的水平位移而对周边环境保护不利的现状,本发明提供一种用于基坑支护的集束桩垛结构及其计算方法,控制宽大基坑长边中部单排悬臂支护桩的侧向变形。
本发明的技术方案如下:所述一种用于基坑支护的集束桩垛支护结构,其特征在于:所述集束桩垛支护结构包括沿着基坑长边方向等距布置的一排悬臂支护桩和平行置于前排悬臂支护桩后侧的多组后排扶臂桩,其前排的悬臂支护桩桩顶通过冠梁连为一体;每组后排扶臂桩包括1~2根扶臂桩,且多组后排扶臂桩等距分布在前排悬臂支护桩后侧,且相邻两组后排扶臂桩的间距S与相邻两根悬臂支护桩间距S0的比值为15~25;每组后排扶臂桩中的每根扶臂桩分别与对应的悬臂支护桩通过横梁连接,其连接后每组后排扶臂桩与其前侧的悬臂支护桩组成一个集束桩垛结构;所述每根扶臂桩与对应的悬臂支护桩的中心距Sd为 1.5~3.5倍的悬臂支护桩桩径。
本发明较优的技术方案:所述每组后排扶臂桩设有两根臂桩时,两根扶臂桩之间的间距与悬臂支护桩的间距相等。
本发明较优的技术方案:所述的每个集束桩垛结构的前排悬臂支护桩的桩径D大于后排扶臂桩的桩径d,其差值为50mm~200mm。
本发明较优的技术方案:所述相邻两组后排扶臂桩的间距S与相邻两根悬臂支护桩间距S0的最优比值为20。
本发明较优的技术方案:所述每根扶臂桩与对应的悬臂支护桩的最优中心距Sd为2倍的悬臂支护桩桩径。
本发明较优的技术方案:所述冠梁的高度H不得小于700mm,宽度L 应大于前排悬臂支护桩桩径400mm,且两侧应对称各伸出前排桩边缘 (L-D)/2。
本发明提供一种用于基坑支护的集束桩垛支护结构的计算方法,其特征在于该计算方法针对上述技术方案中的集束桩垛支护结构的受力情况进行计算,具体包括以下步骤:
(1)先将每个集束桩垛结构的前后排桩等效为1根桩顶转角为0的大刚度支护桩,然后通过考虑桩顶冠梁的空间效应,与集束桩垛结构区域以外的前排悬臂支护桩一起进行协同受力分析;
(2)根据冠梁的平衡和变形协调条件,建立各支护桩桩顶处剪力和位移的关系,然后再采用弹性抗力法对每根桩的弯矩、剪力及水平位移求解;束桩垛支护结构被动区抗力安全系数不小于1.35。
本发明较优的技术方案在计算过程中需作下述假设:a.忽略冠梁扭矩的影响;b.冠梁的变形和内力采用欧拉-伯努利梁进行计算;c.冠梁在端点处为弹簧支撑;d.不考虑桩背土压力的空间效应;e.各桩均满足弹性抗力法。
本发明较优的技术方案:不考虑组合结构移轴的强化效果,桩垛处等效支护桩的刚度取前后排桩的刚度代数和。
本发明较优的技术方案:所述支护桩的变形包括土压力与外部荷载作用产生的刚体转动变形及支护桩自身的弯曲变形两部分,当其刚度足够大时,支护桩自身的弯曲变形几乎忽略不计,而刚体转动变形仅跟土压力及外部荷载有关,当土压力及外部荷载一定时,则刚体转动变形为常数。
根据结构力学知识及常规的设计经验可知:在其他条件一定的前提下,悬臂单排桩支护结构中,支护桩的刚度越大,变形越小;当其刚度超过一定数值后,变形基本保持不变,且无论刚度增加多大,其变形始终大于双排桩支护结构的变形。其原因在于如下两个方面:
(1)支护桩的变形包括土压力及外部荷载作用产生的刚体转动变形及支护桩自身的弯曲变形两部分,当其刚度足够大时,支护桩自身的弯曲变形很小,几乎忽略不计,而刚体转动变形仅跟土压力及外部荷载有关,当土压力及外部荷载一定时,若刚度足够大,则变形为常数。
(2)双排桩支护结构的变形之所以始终小于单排悬臂桩支护结构,主要在于前后排桩通过桩顶横梁连接,形成门式钢架结构,其不仅增加了支护桩的刚度(前后排刚度叠加),桩顶横梁还对前、后排桩桩顶的转角进行限制,对转角的限制导致其桩顶变形大幅减少。
因集束桩垛支护结构介于悬臂单排桩与悬臂双排桩之间,悬臂单排桩的被动区抗力安全系数不小于1.5,悬臂双排桩的被动区抗力安全系数不小于1.2,故集束桩垛支护结构被动区抗力安全系数可折中取值,不小于1.35。
本发明的有益效果:
(1)本发明集束桩垛支护结构在形式上是一种后排桩间距较大的、弱化双排桩支护结构,同时也是一种桩垛区域支护桩刚度增强的悬臂单排桩支护结构,其受力特性介于两者中间。
(2)该支护结构通过考虑后排扶臂桩对前排悬臂支护桩的桩顶冠梁的有利约束作用,能够有效减小支护桩桩顶位移、桩身弯矩与剪力,在对变形的要求一致的前提下,设计人员可通过减小桩径来优化设计,达到安全经济的目的。
(3)本发明的集束桩垛支护结构体系的被动区抗力安全系数取值1.35,仅为悬臂单排桩的90%,设计人员可通过减小桩长来优化设计,且相对于悬臂单排桩,桩长的减少幅度超过10%,达到安全经济的目的。
本发明在宽大基坑长边中部每隔一定距离增设集束桩垛,用于控制宽大基坑长边中部单排悬臂支护桩的侧向变形,既能实现无撑化又不必增大支护桩的截面尺寸,加快了施工进度,节省了工期,很大程度上降低了基坑的建设成本及运营成本。
附图说明
图1为本发明的桩体结构平面图;
图2为图1中的A-A剖视图;
图3为实施例中北侧基坑支护平面图;
图4为实施例中集束桩垛结构体系内各桩的内力与变形计算结果包络图;
图5为实施例集束桩垛结构体系内各桩的桩顶位移计算结果;
图6为实施例集束桩垛结构体系内各桩的桩顶反力计算结果;
图7为实施例冠梁端部前排支护桩的内力与变形计算结果;
图8为实施例桩垛部位前排支护桩的内力与变形计算结果;
图9为实施例桩垛中部前排支护桩的内力计算结果;
图10至图13为实施例未设集束桩垛的单排悬臂桩内力与变形计算结果。
图中:1—悬臂支护桩,2—后排扶臂桩,3—横梁,4—冠梁。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。如图1、图2所示的一种用于基坑支护的集束桩垛支护结构,其特征在于:所述集束桩垛支护结构包括沿着基坑长边方向等距布置的一排悬臂支护桩1和平行置于前排悬臂支护桩1后侧的多组后排扶臂桩2,其前排的悬臂支护桩1桩顶通过冠梁4连为一体;每组后排扶臂桩2包括1~2根扶臂桩,且多组后排扶臂桩2等距分布在前排悬臂支护桩1后侧,且相邻两组后排扶臂桩2的间距S与相邻两根悬臂支护桩1间距S0的比值为15~25,其最佳比值为20;每组后排扶臂桩2中的每根扶臂桩分别与对应的悬臂支护桩1通过横梁3连接,其连接后每组后排扶臂桩2与其前侧的悬臂支护桩1组成一个集束桩垛结构;所述每根扶臂桩与对应的悬臂支护桩1的中心距Sd为1.5~3.5倍的悬臂支护桩1桩径,最佳2倍。所述的悬臂支护桩1 的桩径D大于后排扶臂桩2的桩径d,其差值为50mm~200mm。
本发明具体是施工时:首先按照常规的基坑支护结构的施工方法施工基坑长边的前排悬臂支护桩,之后在平行于基坑长边方向布置的单排悬臂支护桩后,每隔一定距离布置1~2根扶臂桩,扶臂桩与对应的前排支护桩通过横梁连接形成整体的集束桩垛支护结构体系。所述的集束桩垛结构体系内前排桩桩径D与后排桩桩径d可不同,可适当减小后排桩桩径,后排桩桩径d与前排桩桩径D的差值控制在50mm~200mm之间为宜。所述的集束桩垛支护结构体系内前排桩桩顶冠梁的高度H不得小于700mm,宽度L应大于前排桩桩径400mm且两侧应对称各伸出前排桩边缘(L-D)/2。所述的两个相邻集束桩垛支护结构的间距S与前排桩间距S0的比值为 15~25,最优比值为20。
本发明中用于基坑支护的集束桩垛支护结构的计算,具体是先将每个集束桩垛处的前后排桩等效为1根桩顶转角为0的大刚度支护桩,根据冠梁的平衡和变形协调条件,建立各支护桩桩顶处剪力和位移的关系,与桩垛区域以外的支护桩一起进行协同受力分析,后再采用弹性抗力法对每根桩的弯矩、剪力及水平位移求解。其桩垛处等效支护桩的刚度取前后排桩的刚度代数和;集束桩垛支护结构被动区抗力安全系数可按不小于1.35取值;求解时考虑冠梁空间效应的影响。计算过程中需作下述假设:a.冠梁平面外的抗弯能力很小,冠梁只对支护桩产生水平反力,忽略冠梁扭矩的影响; b.冠梁的变形和内力可以采用欧拉-伯努利梁进行计算;c.冠梁在端点处为弹簧支撑;d.不考虑桩背土压力的空间效应;e.各桩均满足弹性抗力法。
下面以一个工程实例来论证一种用于基坑支护的集束桩垛结构及其计算方法的可靠性与优越性。
某基坑支护工程北侧支护段为例,其支护基本信息如下:开挖深度 5.25m,桩顶放坡1m,坡比1:1,无平台,桩长10m,桩径700mm,桩间距1000mm,坡顶2m范围内无外荷载,2m以外考虑均布荷载25kPa,坑外设集束桩垛,间距20m,桩垛处前后排桩排距1.45m。其地质概化计算剖面及参数如下表1所示。
表1地质概化计算剖面及参数表
北侧基坑支护平面图如图3所示。冠梁总长91.8m,左侧支护桩距离冠梁端点0.4m,支护桩间距1m,前排合计92根直径700的灌注支护桩,后排设4个扶臂集束桩垛。依据本发明方法,采用Matlab自编计算程序对北侧支护段集束桩垛支护结构体系进行计算,计算过程具体如下:
(1)先建立单根桩的弹性抗力法控制方程,其控制方程是一元四次非齐次常微分方程,方程形式如下:
其中,为支护桩长;
为沿支护桩深度,以开挖方向为正;
w为桩身侧向位移,以朝基坑方向为正;
Ep为桩身弹性模量;
Ip为桩身截面惯性矩;
为被动区沿桩身的地基梁的反力系数,根据场地条件按规范确定;
为主动区桩身荷载分布,根据实际条件按相关规范确定。
控制方程与桩顶和桩底边界处的四个边界条件,构成了闭合的边值问题;通过求解该边值问题可以得到沿桩身的位移、转角、剪力和弯矩,从而用于支护桩的设计。
(2)采用打靶算法将上述边界问题转化为初值问题,然后基于初值问题进行迭代求解,因为初值问题的求解较为简单。具体思路如下:选择支护桩桩顶转角、桩顶位移及桩顶剪力为未知量,通过初值问题的求解,构造出以桩底的剪力和弯矩为因变量的“打靶”函数;以各支护桩桩底的弯矩和剪力均为零的边界条件为“靶的”,构建打靶代数方程;采用布罗伊登迭代法求解代数方程,得到满足桩底剪力和弯矩边界条件的桩顶位移、转角及剪力的未知量;以桩顶解为初始条件,再次求解初值问题,获得支护桩沿深度的位移、转角、弯矩和剪力。整个求解过程类似“打靶”,所以该求解方法又称为打靶算法。
(3)最后将采用本发明计算方法计算集束桩垛结构体系内各桩的内力与变形计算结果与未设集束桩垛的单排悬臂桩计算结果进行对比分析。
采用本发明计算方法计算集束桩垛结构体系内各桩的内力与变形,其结果如图4~9所示。
未设集束桩垛的单排悬臂桩内力与变形计算结果如图10~13所示。
由图4~13分析可知:集束桩垛支护结构体系内,桩垛中部前排支护桩的桩顶位移最大、桩顶反力最小且指向坑外,桩身弯矩最小;桩垛部位前排支护桩的桩顶位移次大、桩顶反力最大且指向坑内,桩身弯矩最大;冠梁端部前排支护桩的桩顶位移最小、桩顶反力次大且指向坑外,桩身弯矩次大。其原因在于:
(1)冠梁端部有强支撑作用,因本基坑四周封闭,东侧及西侧支护桩排对北侧冠梁端部有巨大的顶撑作用,可按强支撑考虑;设计人员在设计过程中若基坑支护桩未形成封闭的情况,则缺口部位对应的冠梁端部的支撑刚度应取0或较小值。
(2)集束桩垛弹性抗力法模型简化时,人为假定桩垛处支护桩桩顶转角为0,这是一个很强的刚性假定,为保证假定基本符合实际,设计人员应对桩垛区域采取加强措施处理:a)对桩垛前后两侧被动区及主动区土体进行加固处理;b)在桩垛区域内支护桩桩顶以下一定深度范围内设置厚承台,形成刚域。
由图4~13分析可知:通过设置集束桩垛可减少所有支护桩的桩顶位移,减少大部分支护桩的弯矩,但须对桩垛处及冠梁刚性端部的支护桩加强配筋。
本发明不限于上述实施例,可根据实际的设计实现不同实施例。
Claims (10)
1.一种用于基坑支护的集束桩垛支护结构,其特征在于:所述集束桩垛支护结构包括沿着基坑长边方向等距布置的一排悬臂支护桩(1)和平行置于前排悬臂支护桩(1)后侧的多组后排扶臂桩(2),其前排的悬臂支护桩(1)桩顶通过冠梁(4)连为一体;每组后排扶臂桩(2)包括1~2根扶臂桩,且多组后排扶臂桩(2)等距分布在前排悬臂支护桩(1)后侧,且相邻两组后排扶臂桩(2)的间距S与相邻两根悬臂支护桩(1)间距S0的比值为15~25;每组后排扶臂桩(2)中的每根扶臂桩分别与对应的悬臂支护桩(1)通过横梁(3)连接,其连接后每组后排扶臂桩(2)与其前侧的悬臂支护桩(1)组成一个集束桩垛结构;所述每根扶臂桩与对应的悬臂支护桩(1)的中心距Sd为1.5~3.5倍的悬臂支护桩(1)桩径。
2.根据权利要求1所述的一种用于基坑支护的集束桩垛支护结构,其特征在于:所述每组后排扶臂桩(2)设有两根臂桩时,两根扶臂桩之间的间距与悬臂支护桩(1)的间距相等。
3.根据权利要求1所述的一种用于基坑支护的集束桩垛支护结构,其特征在于:所述前排的悬臂支护桩(1)的桩径D大于后排扶臂桩(2)的桩径d,其差值为50mm~200mm。
4.根据权利要求1所述的一种用于基坑支护的集束桩垛支护结构,其特征在于:所述相邻两组后排扶臂桩(2)的间距S与相邻两根悬臂支护桩(1)间距S0的比值为20。
5.根据权利要求1所述的一种用于基坑支护的集束桩垛支护结构,其特征在于:所述每根扶臂桩与对应的悬臂支护桩(1)的中心距Sd为2倍的悬臂支护桩(1)桩径D。
6.根据权利要求1所述的一种用于基坑支护的集束桩垛支护结构,其特征在于:所述冠梁(4)的高度H不得小于700mm,宽度L应大于前排悬臂支护桩(1)桩径400mm,且两侧应对称各伸出前排桩边缘(L-D)/2。
7.一种用于基坑支护的集束桩垛支护结构的计算方法,其特征在于该计算方法针对上述权利要求1-6任意一项中的集束桩垛支护结构的受力情况进行计算,具体包括以下步骤:
(1)先将每个集束桩垛结构的前后排桩等效为1根桩顶转角为0的大刚度支护桩,然后通过考虑桩顶冠梁的空间效应,与集束桩垛结构区域以外的前排悬臂支护桩一起进行协同受力分析;
(2)根据冠梁的平衡和变形协调条件,建立各支护桩桩顶处剪力和位移的关系,然后再采用弹性抗力法对每根桩的弯矩、剪力及水平位移求解;集束桩垛支护结构被动区抗力安全系数不小于1.35。
8.根据权利要求7所述的一种用于基坑支护的集束桩垛支护结构的计算方法,其特征在于在计算过程中需作下述假设:a.忽略冠梁扭矩的影响;b.冠梁的变形和内力采用欧拉-伯努利梁进行计算;c.冠梁在端点处为弹簧支撑;d.不考虑桩背土压力的空间效应;e.各桩均满足弹性抗力法。
9.根据权利要求7所述的一种用于基坑支护的集束桩垛支护结构的计算方法,其特征在于:不考虑组合结构移轴的强化效果,桩垛处等效支护桩的刚度取前后排桩的刚度代数和。
10.根据权利要求7所述的一种用于基坑支护的集束桩垛支护结构的计算方法,其特征在于:所述支护桩的变形包括土压力与外部荷载作用产生的刚体转动变形及支护桩自身的弯曲变形两部分,当其刚度足够大时,支护桩自身的弯曲变形几乎忽略不计,而刚体转动变形仅跟土压力及外部荷载有关,当土压力及外部荷载一定时,则刚体转动变形为常数。
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