CN112231798A - 关于均质土深基坑考虑空间效应简化计算的桩形调整方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种关于均质土深基坑考虑空间效应简化计算的桩形调整方法，包括如下步骤：1)对均质土深筒形基坑进行二维计算分析；2)均质土深筒形基坑考虑空间效应的简化计算：对均质土深筒形基坑支护桩的平面桩形布置进行桩型调整；对角部桩及中部桩进行剖面的内力与位移计算，得到角部桩P1、中部桩P2剖面的支撑点a处最大支反力F1、F2；基于内力计算结果，将支反力F1、F2分别施加到角部桩及中部桩，对桩形调整后的均质土深筒形基坑支护桩的平面框架的内力及位移进行计算，得到简化计算后的支护桩平面框架位移及内力计算结果。本发明操作步骤简单，计算模型及计算条件清晰明确，适用于工程实际应用，实现对均质土深筒形基坑考虑空间效应的设计。

Description

关于均质土深基坑考虑空间效应简化计算的桩形调整方法
技术领域
本发明属于均质土深基坑的计算方法技术领域，尤其是一种关于均质土深基坑考虑空间效应简化计算的桩形调整方法。
背景技术
深基坑(Deep Foundation Excavation，DFE)工程在国内外已有近百年的历史，且理论与工程技术发展迅速。现代城市中，各种市政管线的施工面临着极为复杂的施工环境条件，加之工程地质及水文地质条件复杂、施工中基坑变形过大及地下水渗漏施工时有发生，一旦发生工程事故，不但影响工程进度，更使得道路、管线及邻近建筑等公共环境设施的安全受到威胁，甚至会造成严重的人员伤亡和经济损失。因此，保证深基坑工程设计、施工等的安全可靠至关重要。
深筒形基坑工程具有横截面较小、深度大等特点，使得深筒形基坑的施工安全问题尤为突出，而许多情况下深筒形基坑的工程事故是由于设计不当引起的。深筒形基坑工程的设计涉及土力学中的典型强度与稳定性问题，又包含了变形问题，同时还涉及到土与支护结构共同作用问题。特别是深筒形基坑工程支护的设计、计算较为复杂，传统手工计算时，往往采用各种方法进行简化计算，容易引起较大的误差，这也是深筒形基坑工程支护设计技术是近十多年来我国岩土工程界的难点与热点问题。为解决此问题，国内外进行了大量的研究，相关的新的理论与新技术被推广应用，相关设计软件的研究与开发逐步发展起来。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种关于均质土深基坑考虑空间效应简化计算的桩形调整方法，考虑了当前支护结构设计、设计不当等问题，避免了计算不准确和基坑支护体系选型不合理而造成的经济浪费，进一步提高支护结构设计的经济性、安全性及准确性。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种关于均质土深基坑考虑空间效应简化计算的桩形调整方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)对均质土深筒形基坑进行二维计算分析：采用二维平面计算软件对均质土深筒形基坑支护桩的内力及位移进行计算：
A.设定均质土深筒形基坑的支护桩剖面的二维计算模型；
B.对支护桩剖面的内力及位移进行计算；
C.基于支护桩剖面的内力计算结果，对支护桩平面框架的内力及位移进行计算，得到支护桩的平面框架位移及内力计算结果；
2)均质土深筒形基坑考虑空间效应的简化计算：
A.对均质土深筒形基坑支护桩的平面桩形布置进行桩型调整：将均质土深筒形基坑的角部的支护桩设置为角部桩P1，将均质土深筒形基坑的其余支护桩设置为中部桩P2；
B.采用启明星软件对角部桩及中部桩进行剖面的内力与位移计算，得到角部桩P1、中部桩P2剖面的支撑点a处最大支反力F1、F2；
C.基于上一步中的内力计算结果，将支反力F1、F2分别施加到角部桩及中部桩，采用启明星软件对桩形调整后的均质土深筒形基坑支护桩的平面框架的内力及位移进行计算,得到简化计算后的支护桩平面框架位移及内力计算结果；
D.简化计算后的支护桩平面框架位移及内力计算结果与步骤1)中的支护桩的平面框架位移及内力计算结果结果对比。
而且，所述角部的支护桩设置为角部桩P1，角部桩为距离均质土深筒形基坑的角部1/6-1/4基坑截面边长以内的支护桩。
本发明的优点和有益效果为：
1、本发明的关于均质土深基坑考虑空间效应简化计算的桩形调整方法，考虑空间效应对于基坑不同位置处支护桩变形和受力的影响，越靠近边端，空间效应影响程度越大，桩体的嵌固作用越明显，使其受力越大，变形越小，所以在基坑支护设计中应考虑空间效应对于减弱支护桩强度的积极作用，做到设计的经济性和安全性。
2、本发明的关于均质土深基坑考虑空间效应简化计算的桩形调整方法，能够将支护结构分段选取截面，根据不同内力及位移结果选取不同的支护桩截面和配筋，应用考虑空间效应简化方法对深筒形基坑支护设计具有一定的指导意义，同时保证安全的基础上节省了用钢量，具有更强的经济性。
3、本发明的关于均质土深基坑考虑空间效应简化计算的桩形调整方法，操作步骤简单，计算模型及计算条件清晰明确，较适用于工程实际应用，实现对均质土深筒形基坑考虑空间效应的设计。
附图说明
图1为均质土深筒形基坑平面支护布置简图；
图2为均质土深筒形基坑支护桩剖面计算简图；
图3a为均质土深筒形基坑支护桩的位移包络图；
图3b为均质土深筒形基坑支护桩的弯矩包络图；
图3c为均质土深筒形基坑支护桩的轴力包络图；
图4为均质土深筒形基坑BSC平面框架计算简图；
图5a支护桩在a点高程处的位移包络图；
图5b支护桩在a点高程处的弯矩包络图；
图5c支护桩在a点高程处的剪力包络图；
图5d支护桩在a点高程处的轴力包络图；
图6为均质土支护结构平面布置简图；
图7为均质土中部桩P1剖面布置简图；
图8a为角部桩P1位移包络图；
图8b为角部桩P1弯矩包络图；
图8c为角部桩P1剪力包络图；
图9a为中部桩P2位移包络图；
图9b为中部桩P2弯矩包络图；
图9c为中部桩P2剪力包络图；
图10为平面框架受力简图；
图11a为BSC平面框架简化计算桩型调整方法前后平面框架位移及内力计算结果对比位移结果图；
图11b为BSC平面框架简化计算桩型调整方法前后平面框架位移及内力计算结果对比弯矩结果图)；
图11c为BSC平面框架简化计算桩型调整方法前后平面框架位移及内力计算结果对比剪力结果图；
图11d为BSC平面框架简化计算桩型调整方法前后平面框架位移及内力计算结果对比轴力结果图；
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种关于均质土深基坑考虑空间效应简化计算的桩形调整方法，其包括如下步骤：
1)对均质土深筒形基坑进行二维计算分析：采用二维平面计算软件对均质土深筒形基坑支护桩的内力及位移进行计算：
A.设定均质土深筒形基坑的支护桩剖面的二维计算模型；
基坑土体参数及支护方案如下：①如表1所示，模型高度范围内为均质粉质黏土层，地下水位-1m。②图1所示，均质土深筒形基坑平面支护布置简图。基坑平面尺寸为7m×7m，在桩顶以下0.3m处设置一道钢管内支撑
Figure BDA0002696398480000041
③基坑不同平面位置处支护桩取钢板桩P(H700×300×13×24@1200)，由于启明星软件计算模型的平面应变特性，端部桩与中部桩不同位置支护桩剖面计算模型一致。如图2所示，均质土深筒形基坑支护桩剖面计算简图，基坑开挖深度6m，放坡1.5m，支护桩桩长9m。
表1土层参数
Figure BDA0002696398480000051
B.对支护桩剖面的内力及位移进行计算；
由于二维计算模型平面应变特性的限制，基坑平面上不同位置处支护桩的位移、弯矩、剪力均保持一致，由图3剖面计算结果可知，支护桩最大位移为8.9mm，最大弯矩为221.2kN.m，最大剪力为69.3kN，未能考虑空间效应对于不同位置处支护桩变形受力的影响。
支护桩剖面支撑反力计算：
如表2所示，支护桩在a高程处支撑反力为66.1kN/m。
表2支(换)撑反力范围表
Figure BDA0002696398480000052
采用二维计算模型进行深筒形基坑开挖计算时，不能考虑空间效应。对于支护桩(端部桩与中部桩)在高程a点处支反力均为66.1kN/m。同样，实际工程不同平面位置所受支撑的支反力是有差异的，启明星软件设计方法并不能真实的反应工程实际，从设计角度出发，应更多关注空间效应对支护结构的变形及内力影响，从而更精准的对支护结构进行优化设计，区别开不同位置的不同支护桩型及支护桩配筋等设计细节问题。
基于支护桩剖面的内力计算结果，对支护桩平面框架的内力及位移进行计算，得到支护桩的平面框架位移及内力计算结果；
在均质土深筒形基坑平面框架计算模型中，施加支护桩在a高程处支撑反力F1作为平面框架的均质线荷载，由于腰梁与角撑材质选用钢支撑，角部焊接点不能完全保证施工质量，从设计保守角度考虑将腰梁与腰梁之间的连接节点定义为铰结点，同样，腰梁与角撑的连接方式也为铰结点(对于支护桩的截面选取依然取决于启明星FRWS软件对支护剖面的弯矩结果及其他控制指标)。BSC平面框架计算简图如图4，得出基坑支护桩在a点高程处的平面框架位移与内力计算结果，如图5。
由图5(a)可知，端部桩在高程a处水平位移为0.1mm，而中部桩在高程a处水平位移为0.7mm，端部桩水平位移小于中部桩水平位移，说明不同平面位置处支护桩的水平位移不同，具有空间效应；由图5(b)可知，端部桩在高程a处弯矩为0kN.m，而中部桩在高程a处弯矩为47kN.m，有角撑处的支护桩弯矩为54kN.m，角撑作用在角撑处出现了弯矩突变；由图5(c)可知，端部桩在高程a处剪力为0kN，而中部桩剪力最大处为116kN；说明角部与中部不同位置剪力不同，同样在角撑位置出现了剪力突变，体现了角撑的限制作用；由图5(d)可知，最大轴力出现在角撑处，其次轴力偏大值出现在中部位置。
通过对均质土的深筒形基坑启明星软件二维计算发现：
①平面框架BSC计算中不同位置实际上所受支反力不同，而启明星软件对支护桩剖面计算的局限性只能取同数值的支反力以等线荷载的条件施加到基坑周边，造成原本端部桩、中部桩平面框架计算荷载条件相同。
②未能考虑到空间效应的影响，从工程设计角度分析存在一定的问题，即不同位置支护桩未进行不同截面或不同配筋的优化设计。在此问题基础上，本文深化对均质土深筒形基坑考虑空间效应的桩型调整方法进行简化计算分析，主要针对不同位置(端部桩与中部桩)支护结构的变形及内力计算分析。
2)均质土深筒形基坑考虑空间效应的简化计算：
A.对均质土深筒形基坑支护桩的平面桩形布置进行桩型调整：将均质土深筒形基坑的角部的支护桩设置为角部桩P1，将均质土深筒形基坑的其余支护桩设置为中部桩P2；角部的支护桩设置为角部桩P1，角部桩为距离均质土深筒形基坑的角部1/6-1/4基坑截面边长以内的支护桩。
根据上述均质土深筒形基坑计算，在满足基坑其他控制指标的条件下，通过不断调整支护桩截面尺寸，使其实现空间效应。角部桩(A～B段、C～D段、D～E段、F～G段、G～H段、I～J段、J～K段、L～A段)P1截面仍为：HN700×300×13×24(每边4根)，中部桩(B～C段、E～F段、I～H段、L～K段)P2截面取HN400×400×13×21(每边3根)，支护结构平面布置简图，如图6。对两种支护结构桩进行启明星软件剖面计算，角部桩P1剖面计算，图7为均质土深筒形基坑中部桩P2剖面布置简图。
B.采用启明星软件对角部桩及中部桩进行剖面的内力与位移计算，得到角部桩P1、中部桩P2剖面的支撑点a处最大支反力F1、F2；
启明星FRWS对角部桩P1、P2剖面计算结果，如图8、图9。角部桩P1、P2剖面计算a点最大支反力，如表3。
表3角部桩P1、P2剖面计算a点最大支反力
Figure BDA0002696398480000071
C.基于上一步中的内力计算结果，将支反力F1、F2分别施加到角部桩及中部桩，采用启明星软件对桩形调整后的均质土深筒形基坑支护桩的平面框架的内力及位移进行计算,得到简化计算后的支护桩平面框架位移及内力计算结果；
由启明星软件FRWS对支护桩剖面计算可得，角部角部桩P1在a点高程处支撑反力F1为66.1kN/m，中部桩P2在a点高程处支撑反力F2为55.8kN/m。
应用启明星BSC软件对支护桩a点高程处的平面框架计算，将支反力F1、F2分别施加到平面框架计算的角部和中部，由于腰梁与角撑材质选用钢支撑，角部焊接点不能完全保证施工质量，从设计保守角度考虑将腰梁与腰梁之间的连接节点定义为铰结点，同样，腰梁与角撑的连接方式也为铰结点。计算简图如图10。
D.简化计算后的支护桩平面框架位移及内力计算结果与步骤1)中的支护桩的平面框架位移及内力计算结果结果对比，如图11。
(单位及数值详见表4)
表4简化桩型调整方法与未考虑空间效应的平面框架计算水平位移与受力最大值比对
Figure BDA0002696398480000072
(1)考虑空间效应的深筒形基坑，支护桩在a点高程处水平的最大位移值为0.6mm，而未考虑空间效应的计算结果为0.7mm，且最大位移均发生在中部桩，考虑空间效应位移值减小0.86倍。
(2)考虑空间效应的深筒形基坑，支护桩在a点高程处水平的最大弯矩值为46kN.m，而未考虑空间效应的计算结果为54kN.m，考虑空间效应弯矩值减小0.85倍。
(3)考虑空间效应的深筒形基坑，支护桩在a点高程处水平的最大剪力值为98kN，而未考虑空间效应的计算结果为116kN.m，考虑空间效应剪力值减小0.84倍。
(4)考虑空间效应的深筒形基坑，支护桩在a点高程处水平的最大支撑轴力值为244kN，而未考虑空间效应的计算结果为284kN.m，考虑空间效应剪力值减小0.86倍。
(5)从(1)～(4)条结论可以看出，在减小中部桩截面的情况下，在a点高程处整体内力及变形趋势没有改变，只是数值上减小为85％左右，在支护桩剖面计算中，支护桩截面减小，桩身最大变形为11.7mm，较未优化设计方案增大2.8mm，在基坑支护桩变形控制范围内，说明优化设计简图及计算结果合理性。
(6)考虑空间效应能够将支护结构分段选取截面，根据不同内力及位移结果选取不同的支护桩截面和配筋，应用考虑空间效应简化方法对深筒形基坑支护设计具有一定的指导意义，同时保证安全的基础上节省了用钢量具有更强的经济性。
空间效应对于基坑不同位置处支护桩变形和受力的影响。越靠近边端，空间效应影响程度越大，桩体的嵌固作用越明显，使其受力越大，变形越小。所以在基坑支护设计中应考虑空间效应对于减弱支护桩强度的积极作用，做到设计的经济性和安全性。
考虑空间效应的简化计算桩型调整方法中，能够将支护结构分段选取截面，根据不同内力及位移结果选取不同的支护桩截面和配筋，应用考虑空间效应简化方法对深筒形基坑支护设计具有一定的指导意义，同时保证安全的基础上节省了用钢量，具有更强的经济性。
此方法操作步骤简单，计算模型及计算条件清晰明确，较适用于工程实际应用，实现对均质土深筒形基坑考虑空间效应的设计。
尽管为说明目的公开的本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解，在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (2)

1.一种关于均质土深基坑考虑空间效应简化计算的桩形调整方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)对均质土深筒形基坑进行二维计算分析：采用二维平面计算软件对均质土深筒形基坑支护桩的内力及位移进行计算：
A.设定均质土深筒形基坑的支护桩剖面的二维计算模型；
B.对支护桩剖面的内力及位移进行计算；
C.基于支护桩剖面的内力计算结果，对支护桩平面框架的内力及位移进行计算，得到支护桩的平面框架位移及内力计算结果；
2)均质土深筒形基坑考虑空间效应的简化计算：
A.对均质土深筒形基坑支护桩的平面桩形布置进行桩型调整：将均质土深筒形基坑的角部的支护桩设置为角部桩P1，将均质土深筒形基坑的其余支护桩设置为中部桩P2；
B.采用启明星软件对角部桩及中部桩进行剖面的内力与位移计算，得到角部桩P1、中部桩P2剖面的支撑点a处最大支反力F1、F2；
C.基于上一步中的内力计算结果，将支反力F1、F2分别施加到角部桩及中部桩，采用启明星软件对桩形调整后的均质土深筒形基坑支护桩的平面框架的内力及位移进行计算,得到简化计算后的支护桩平面框架位移及内力计算结果；
D.简化计算后的支护桩平面框架位移及内力计算结果与步骤1)中的支护桩的平面框架位移及内力计算结果结果对比。
2.根据权利要求1所述的关于均质土深基坑考虑空间效应简化计算的桩形调整方法，其特征在于：所述角部的支护桩设置为角部桩P1，角部桩为距离均质土深筒形基坑的角部1/6-1/4基坑截面边长以内的支护桩。
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