CN113434947B - 一种狭小空间锚桩式支护结构及设计方法 - Google Patents

一种狭小空间锚桩式支护结构及设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种狭小空间锚桩式支护结构及设计方法，支护结构包括设置于基坑开挖侧的排桩和设置于基坑滑裂面以外的锚桩，排桩的桩顶和锚桩的桩顶之间通过锚索连接，设计方法包括如下步骤：S1计算基坑外侧受到的主动土压力，得到排桩处需要承担的主动土压力；S2通过弹性支点法计算锚索处水平力，确定锚索内力，根据锚索内力大小确定配备锚索数量；S3根据基坑深度及土质情况确定锚桩的位置，通过锚桩桩前有限被动土压力确定锚桩水平承载力的折减系数，计算锚桩的水平承载力，根据锚桩水平承载力计算锚桩桩长及嵌固深度，验证锚桩桩长及嵌固深度是否满足要求；S4整体滑动稳定性分析采用瑞典圆弧滑动条分法进行验算是否满足规范要求。

Description

一种狭小空间锚桩式支护结构及设计方法
技术领域
本发明涉及土建安装技术领域，尤其是一种狭小空间锚桩式支护结构及设计方法。
背景技术
基坑是在基础设计位置按基底标高和基础平面尺寸所开挖的土坑。开挖前应根据地质水文资料，结合现场附近建筑物情况，决定开挖方案，并作好防水排水工作。开挖不深者可用放边坡的办法，使土坡稳定，其坡度大小按有关施工工程规定确定。开挖较深及邻近有建筑物者，例如智慧电厂及综合能源站基坑，常用支护形式如桩+内支撑、桩锚结构等，常用支护形式如桩+内支撑、桩锚结构等，上述支护结构可有效的控制基坑的变形，但是其施工周期较长，造价较高，并且施工占用空间较大，且不利于环保，桩+内支撑结构因为需要占用结构空间，给结构施工带来一系列的不便，桩锚结构由于锚索长度较长，往往超出用地红线，给相邻地块带来地下隐患。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种狭小空间锚桩式支护结构及设计方法，支护结构具有施工周期快，可有效控制基坑水平变形、适用于狭窄空间施工、支护造价低等特点。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种狭小空间锚桩式支护结构，包括设置于基坑开挖侧的排桩和设置于基坑滑裂面以外的锚桩，所述排桩的桩顶和锚桩的桩顶之间通过锚索连接。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述排桩采用钢板桩、工字钢或钢管任一种，所述锚桩采用工字钢或钢管任一种。
一种狭小空间锚桩式支护的设计方法，包括如下步骤：
S1、计算基坑外侧受到的主动土压力，得到排桩处需要承担的主动土压力；
S2、通过弹性支点法计算锚索处水平力，确定锚索内力，根据锚索内力大小确定配备锚索数量；
S3、根据基坑深度及土质情况确定锚桩的位置，通过锚桩桩前有限被动土压力确定锚桩水平承载力的折减系数，计算锚桩的水平承载力，根据锚桩水平承载力计算锚桩桩长及嵌固深度，验证锚桩桩长及嵌固深度是否满足要求；
S4、整体滑动稳定性分析采用瑞典圆弧滑动条分法进行验算是否满足规范要求。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤S1中基坑外侧主动土压力采用库伦主动土压力：地下水位以上或水土合算的土层支护结构外侧的主动土压力标准值pak、支护结构内侧的被动土压力标准值ppk计算如下：
Figure BDA0003152781980000021
Figure BDA0003152781980000022
Figure BDA0003152781980000023
Figure BDA0003152781980000024
式中：σak为支护结构外侧竖向应力标准值，σpk：支护结构内侧竖向应力标准值，φi：第i层土的φ内摩擦角，ci：第i层土的黏聚力，Ka,i为i层土主动土压力系数，Kp,i为i层土被动土压力系数；
排桩需要承担的主动土压力Eak：
Eak＝pakh，
其中，h：基坑深度，Eak为基坑深度h范围的主动土压力。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤S2中锚索处水平力计算公式如下：
Figure BDA0003152781980000031
Figure BDA0003152781980000032
式中：Fh为计算宽度支点水平反力，Es为锚索杆体弹性模量，Ap为锚索杆体截面积，ba为挡土结构计算宽度，l为锚索长度，s为锚索间水平间距，vR为挡土构件在支点处水平位移；vR0为设置锚索时，支点初始水平位移；Ph为锚索预加力；Fpy为锚索杆体抗拉强度。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤S2中锚索内力计算公式如下：
Figure BDA0003152781980000033
F≤fpy·Ap，
F：锚索内力设计值；γ0：支护结构重要性系数；γF：作用基本组合综合分项系数；s：锚索间水平间距；ba：挡土结构计算宽度；fpy：预应力筋抗拉强度设计值；Ap：预应力筋截面面积。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤S3中计算锚桩水平承载力的折减系数具体如下：
①有限被动土压力计算：
假定支护墙体垂直、滑裂面为直线，土体符合摩尔-库伦准则，有限土体受到土体自重G、滑裂面以下土体反力R、有限被动土压力Ep、滑裂面黏聚力c总和墙面与土体摩擦力cw的作用，并复合极限平衡条件：
Figure BDA0003152781980000034
Figure BDA0003152781980000035
其中，h：基坑深度，b：土体破裂角与地面交点到锚桩距离，θ：滑裂面与水平方向夹角，β：桩前土体破裂角与水平面夹角，γ：土体重度；
建立平衡方程：
Figure BDA0003152781980000041
Figure BDA0003152781980000042
δ＝0.6～1.0φ
其中，EP'为基坑底部以上有限空间被动土压力，EP为被动土压力，c为土体黏聚力，γ为土体重度，β为桩前土体破裂角，θ为滑裂面与水平方向夹角，δ为土对墙背的摩擦角，φ为内摩擦角，k为折减系数；
②锚桩水平承载力计算：
Figure BDA0003152781980000043
Ra'＝k Ra
其中，Ra为锚桩水平承载力特征值，Ra'为锚桩水平承载力，α为锚桩的水平变形系数，EI为锚桩身抗弯刚度，νx为锚桩顶水平位移系数，λoa为锚桩顶允许水平位移；
③锚桩桩长计算：
Figure BDA0003152781980000044
L：锚桩结构到支护桩距离，h0：支护桩破裂体高度，d：锚桩桩长；
验证锚桩桩长：
Ep'+Ep1≥1.5(Ea+Fh)，
Ep1＝ppk·d1
Ea＝pak·d
Ep’为基坑底部以上有限被动土压力，Ep1为基坑底部以下锚桩侧被动土压力，d1为嵌固深度，Ea为锚桩侧主动土压力；
验证锚桩嵌固深度：
Figure BDA0003152781980000051
Epk＝ppk·(h+d1)
Eak'＝pak·(h+d1)
其中，Eak'为基坑深度h与嵌固深度d1之和的范围主动土压力，Epk为基坑深度h与嵌固深度d1之和的范围被动土压力，Ke为嵌固稳定安全系数，安全等级为一级、二级、三级的结构，其值不小于1.25、1.2、1.15；aa2、ap2分别为基坑外侧主动土压力、基坑北侧被动土压力合力作用点至排桩桩底距离(m)。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
1、本发明支护结构应用于二级及以下基坑，可有效的控制基坑变形，在安全性保证上与桩撑支护及桩锚支护具有相同的效果，本结构由于主要构件为钢结构，施工环境环保，构件可重复利用，且施工施工周期快，造价相比较桩撑支护及桩锚支护可节省造价30％以上，本结构适用于狭窄空间施工，对于目前智慧电厂及能源站占地紧张方便具有明显的优势；
2、本发明支护结构的设计方法，分析支护结构的变形模式的基础上，根据破裂角内有限填土压力与土压力的比值，引入折减系数的概念，计算了锚桩的水平承载力，该方法基于基坑变形概念方法，具有较强的可实施性及可靠性。
附图说明
图1是本发明支护结构示意图；
图2是本发明有限被动土压力计算的力学分解图；
图3是本发明锚桩结构剖面图；
其中，1、排桩，2、锚索，3、锚桩。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：
如图1所示，一种狭小空间锚桩式支护结构，包括设置于基坑开挖侧的排桩1和设置于基坑滑裂面以外的锚桩3，所述排桩1的桩顶和锚桩3的桩顶之间通过锚索2连接。所述排桩1采用钢板桩、工字钢或钢管任一种，所述锚桩2采用工字钢或钢管任一种。
结合具体实施例给出一种狭小空间锚桩式支护的设计方法，基坑支护项目为某能源站地下工程，基坑南北宽120m，东西宽70m，基坑深度支护为5.4m。
设计方法具体包括如下步骤：
S1、计算基坑外侧受到的主动土压力，得到排桩1处需要承担的主动土压力；
基坑外侧主动土压力采用库伦主动土压力：地下水位以上或水土合算的土层支护结构外侧的主动土压力标准值pak、支护结构内侧的被动土压力标准值ppk计算如下：
Figure BDA0003152781980000061
Figure BDA0003152781980000062
Figure BDA0003152781980000063
Figure BDA0003152781980000064
式中：σak为支护结构外侧竖向应力标准值，σpk：支护结构内侧竖向应力标准值，φi：第i层土的φ内摩擦角，ci：第i层土的黏聚力，Ka,i为i层土主动土压力系数，Kp,i为i层土被动土压力系数，本基坑深度5.4m，代入上式计算主动土压力为106.54kN/m。；
排桩1处需要承担的主动土压力Eak：
Eak＝pakh，
其中，h：基坑深度，Eak为基坑深度h范围的主动土压力。
S2、通过弹性支点法计算锚索2处水平力，确定锚索2内力，根据锚索2内力大小确定配备锚索数量；
所述步骤S2中锚索2处水平力计算公式如下：
Figure BDA0003152781980000071
Figure BDA0003152781980000072
式中：Fh为计算宽度支点水平反力，Es为锚索杆体弹性模量，Ap为锚索杆体截面积，ba为挡土结构计算宽度，l为锚索长度，s为锚索间水平间距，vR为挡土构件在支点处水平位移；vR0为设置锚索时，支点初始水平位移；Ph为锚索预加力；Fpy为锚索杆体抗拉强度，本工程s取2.0m，l取8.2m，vR取25mm，vR0取7mm，计算Fh为50kN。
步骤S2中锚索2内力计算公式如下：
Figure BDA0003152781980000073
F≤fpy·Ap，
F：锚索内力设计值；γ0：支护结构重要性系数；γF：作用基本组合综合分项系数；s：锚索间水平间距；ba：挡土结构计算宽度；fpy：预应力筋抗拉强度设计值；Ap：预应力筋截面面积，代入所需截面面积不小于60mm2。
S3、根据基坑深度及土质情况确定锚桩3的位置，通过锚桩3桩前有限被动土压力确定锚桩3水平承载力的折减系数，计算锚桩3的水平承载力，根据锚桩水平承载力计算锚桩3桩长及嵌固深度，验证锚桩3桩长及嵌固深度是否满足要求。
计算锚桩3水平承载力的折减系数具体如下：
①有限被动土压力计算：
如图2所示，假定支护墙体垂直、滑裂面为直线，土体符合摩尔-库伦准则，有限土体受到土体自重G、滑裂面以下土体反力R、有限被动土压力Ep、滑裂面黏聚力c总和墙面与土体摩擦力cw的作用，并复合极限平衡条件：
Figure BDA0003152781980000081
Figure BDA0003152781980000082
其中，h：基坑深度，b：土体破裂角与地面交点到锚桩距离，θ：滑裂面与水平方向夹角，β：桩前土体破裂角与水平面夹角，γ：土体重度；
建立平衡方程：
Figure BDA0003152781980000083
Figure BDA0003152781980000084
δ＝0.6～1.0φ
其中，EP'为基坑底部以上有限空间被动土压力，EP为被动土压力，c为土体黏聚力，γ为土体重度，β为桩前土体破裂角，θ为滑裂面与水平方向夹角，δ为土对墙背的摩擦角，φ为内摩擦角，k为折减系数，本工程中Ep’约为650kN，Ep约为720kN，k为0.9；
②锚桩3水平承载力计算：
Figure BDA0003152781980000085
Ra'＝k Ra
其中，Ra为锚桩水平承载力特征值，Ra'为锚桩水平承载力，α为锚桩的水平变形系数，EI为锚桩身抗弯刚度，νx为锚桩顶水平位移系数，λoa为锚桩顶允许水平位移，考虑锚桩3桩前土体为有限空间土体，Ra’＝0.9Ra，Vx取2.441，α取0.75，λoa取0.015m，采用32b双拼工字钢，计算双拼工字钢水平承载力特征值为63kN，满足反力要求；
③锚桩3桩长计算：
Figure BDA0003152781980000091
L：锚桩结构到支护桩距离，h0：支护桩破裂体高度，d：锚桩桩长；
验证锚桩3桩长：
Ep'+Ep1≥1.5(Ea+Fh)，
Ep1＝ppk·d1
Ea＝pak·d
Ep’为基坑底部以上有限被动土压力，Ep1为基坑底部以下锚桩侧被动土压力，d1为嵌固深度，Ea为锚桩侧主动土压力，综合迭代，取锚桩结构到支护桩距离为8m，锚桩桩长9.0m；
验证锚桩3嵌固深度：
Figure BDA0003152781980000092
Epk＝ppk·(h+d1)
Eak'＝pak·(h+d1)
其中，Eak'为基坑深度h与嵌固深度d1之和的范围主动土压力，Epk为基坑深度h与嵌固深度d1之和的范围被动土压力，Ke为嵌固稳定安全系数，安全等级为一级、二级、三级的结构，其值不小于1.25、1.2、1.15；aa2、ap2分别为基坑外侧主动土压力、基坑北侧被动土压力合力作用点至排桩桩底距离(m)，计算值为1.36m。
S4、整体滑动稳定性分析采用瑞典圆弧滑动条分法进行验算，满足规范要求。
最终确定排桩1桩前设置双拼40a工字钢，长12m，锚桩3采用双拼32b工字钢，桩长9m，桩间距2.0m，排桩1与锚桩3之间采用1s15.2锚索2连接，基坑支护剖面如图3所示。
本发明支护结构的设计方法，分析支护结构的变形模式的基础上，根据破裂角内有限填土压力与土压力的比值，引入折减系数的概念，计算了锚桩的水平承载力，该方法基于基坑变形概念方法，具有较强的可实施性及可靠性。

Claims (4)

1.一种狭小空间锚桩式支护的设计方法，其特征在于：狭小空间锚桩式支护结构包括设置于基坑开挖侧的排桩(1)和设置于基坑滑裂面以外的锚桩(3)，所述排桩(1)的桩顶和锚桩(3)的桩顶之间通过锚索(2)连接；
狭小空间锚桩式支护的设计方法包括如下步骤：
S1、计算基坑外侧受到的主动土压力，得到排桩(1)处需要承担的主动土压力；基坑外侧主动土压力采用库伦主动土压力：地下水位以上或水土合算的土层支护结构外侧的主动土压力标准值pak、支护结构内侧的被动土压力标准值ppk计算如下：
Figure FDA0004136570890000011
Figure FDA0004136570890000012
Figure FDA0004136570890000013
Figure FDA0004136570890000014
式中：σak为支护结构外侧竖向应力标准值，σpk：支护结构内侧竖向应力标准值，φi：第i层土的内摩擦角，ci：第i层土的黏聚力，Ka,i为i层土主动土压力系数，Kp,i为i层土被动土压力系数；
排桩(1)处需要承担的主动土压力Eak：
Eak＝pakh，
其中，h：基坑深度，Eak为基坑深度h范围的主动土压力；
S2、通过弹性支点法计算锚索(2)处水平力，确定锚索(2)内力，根据锚索(2)内力大小确定配备锚索数量；
S3、根据基坑深度及土质情况确定锚桩(3)的位置，通过锚桩(3)桩前有限被动土压力确定锚桩(3)水平承载力的折减系数，计算锚桩(3)的水平承载力，根据锚桩水平承载力计算锚桩(3)桩长及嵌固深度，验证锚桩(3)桩长及嵌固深度是否满足要求；
计算锚桩(3)水平承载力的折减系数具体如下：
①限被动土压力计算：
假定支护墙体垂直、滑裂面为直线，土体符合摩尔-库伦准则，有限土体受到土体自重G、滑裂面以下土体反力R、有限被动土压力EP、滑裂面黏聚力c总和墙面与土体摩擦力cw的作用，并符合极限平衡条件：
Figure FDA0004136570890000021
Figure FDA0004136570890000022
其中，h：基坑深度，b：土体破裂角与地面交点到锚桩距离，θ：滑裂面与水平方向夹角，β：桩前土体破裂角与水平面夹角，γ：土体重度；
建立平衡方程：
Figure FDA0004136570890000023
Figure FDA0004136570890000024
δ＝0.6～1.0φ
其中，EP'为基坑底部以上有限空间被动土压力，EP为被动土压力，c为土体黏聚力，γ为土体重度，β为桩前土体破裂角与水平面夹角，θ为滑裂面与水平方向夹角，δ为土对墙背的摩擦角，φ为内摩擦角，k为折减系数；
②桩(3)水平承载力计算：
Figure FDA0004136570890000025
Ra'＝kRa
其中，Ra为锚桩水平承载力特征值，Ra'为锚桩水平承载力，α为锚桩的水平变形系数，EI为锚桩身抗弯刚度，νx为锚桩顶水平位移系数，λoa为锚桩顶允许水平位移；
③锚桩(3)桩长计算：
Figure FDA0004136570890000031
L：锚桩结构到支护桩距离，h0：支护桩破裂体高度，d：锚桩桩长；
验证锚桩(3)桩长：
Ep'+Ep1≥1.5(Ea+Fh)，
Ep1＝ppk·d1
Ea＝pak·d
EP'为基坑底部以上有限空间被动土压力，Ep1为基坑底部以下锚桩侧被动土压力，d1为嵌固深度，Ea为锚桩侧主动土压力，Fh为计算宽度支点水平反力；
验证锚桩(3)嵌固深度：
Figure FDA0004136570890000032
Epk＝ppk·(h+d1)
Eak'＝pak·(h+d1)
其中，Eak'为基坑深度h与嵌固深度d1之和的范围主动土压力，Epk为基坑深度h与嵌固深度d1之和的范围被动土压力，Ke为嵌固稳定安全系数，安全等级为一级、二级、三级的结构，其值不小于1.25、1.2、1.15；aa2：为基坑外侧主动土压力合力作用点至排桩桩底距离，ap2：基坑内侧被动土压力合力作用点至排桩桩底距离；
S4、整体滑动稳定性分析采用瑞典圆弧滑动条分法进行验算是否满足规范要求。
2.根据权利要求1所述的一种狭小空间锚桩式支护的设计方法，其特征在于：所述排桩(1)采用钢板桩、工字钢或钢管任一种，所述锚桩(2)采用工字钢或钢管任一种。
3.根据权利要求1所述的一种狭小空间锚桩式支护的设计方法，其特征在于：所述步骤S2中锚索(2)处水平力计算公式如下：
Figure FDA0004136570890000041
Figure FDA0004136570890000042
式中：Fh为计算宽度支点水平反力，Es为锚索杆体弹性模量，Ap为锚索杆体截面积，ba为挡土结构计算宽度，l为锚索长度，s为锚索间水平间距，vR为挡土构件在支点处水平位移；vR0为设置锚索时，支点初始水平位移；Ph为锚索预加力；Fpy为锚索杆体抗拉强度。
4.根据权利要求2所述的一种狭小空间锚桩式支护的设计方法，其特征在于：所述步骤S2中锚索(2)内力计算公式如下：
Figure FDA0004136570890000043
F≤fpy·Ap，
F：锚索内力设计值；γ0：支护结构重要性系数；γF：作用基本组合综合分项系数；s：锚索间水平间距；ba：挡土结构计算宽度；fpy：预应力筋抗拉强度设计值；Ap：锚索杆体截面积。
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