CN115455711A - 一种土岩结合基坑吊脚桩支护结构的设计方法 - Google Patents

一种土岩结合基坑吊脚桩支护结构的设计方法 Download PDF

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CN115455711A CN202211148951.4A CN202211148951A CN115455711A CN 115455711 A CN115455711 A CN 115455711A CN 202211148951 A CN202211148951 A CN 202211148951A CN 115455711 A CN115455711 A CN 115455711A
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陈斌
尤涵锐
谢亮
李春磊
吴琪
叶子航
刘绍卿
杨光煜
谢佳海
潘中祺
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Abstract

本发明提出了一种土岩结合基坑吊脚桩支护结构的设计方法，所述吊脚桩支护结构包括支护桩以及坑内预留岩肩，设计方法包括以下步骤：借助有限元软件建立半无限岩体及实际有限岩体模型，施加均布荷载作用于岩体模型上，计算岩体水平抗力系数并比较得到有限岩体的折减系数，设计时将折减系数代入规范方法中计算有限岩体的水平抗力系数；利用理正深基坑软件完成支护桩位移、被动抗力安全系数、抗倾覆、抗滑移验算，确定适宜嵌岩深度，根据软件计算出的剪力和弯矩确定桩身配筋；验算桩前预留岩肩的抗剪、抗拉承载力，确定岩肩宽度。本发明充分考虑桩前预留岩肩的被动抗力作用，可有效减短支护桩嵌岩深度，节省支护成本，具有一定的经济效益。

Description

一种土岩结合基坑吊脚桩支护结构的设计方法
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种土岩结合基坑吊脚桩支护结构的设计方法。
背景技术
随着城市化进程的不断推进，基本建设事业蓬勃发展，如房地产地下室，地铁、城际铁路和高铁地下车站，市政地下通道，人防地下空间等地下空间开发项目越来越多，地下空间的施工一般都是需要进行基坑的开挖，为了节约地面空间，基坑开挖深度越来越深，大量深基坑坑底已接近或到达基岩的岩面，特别是土岩结合地层区域。由于城市建筑深基坑基本不具备放坡开挖条件，基坑支护体系一般由侧向挡土结构(如地下连续墙或桩)和水平支撑(如钢支撑、钢筋混凝土支撑等内支撑或者预应力锚索支撑)共同构成。由于在坚硬岩层中施工围护结构困难，施工工期较长，对基坑工期影响极大，且支护结构施工噪音对周边环境影响较大。为了降低这些不利影响，发展出了吊脚桩。
传统吊脚桩一般采用吊脚桩+梯形岩肩护脚+锚杆锁脚，通过设置岩肩对吊脚桩进行嵌固，吊脚桩桩底需嵌入岩肩一定深度。现行的基坑吊脚桩支护设计规范中，均是简单的将岩石视为土层，参照土层的模式，提供对应的参数对桩体嵌岩深度进行计算，其缺点在于一方面导致支护桩的嵌岩深度增加，造成不必要的资源浪费，增加施工难度；另一方面因未考虑嵌岩段空间锚固效应，导致支护桩的主筋数量过少，偏于不安全。
发明内容
本发明的目的是提供一种土岩结合基坑吊脚桩支护结构的设计方法，该方法考虑经济与施工难易等因素，提出一种桩端位于基坑底部以上的“吊脚桩”支护体系，通过在坑内预留一定宽度的岩肩提供被动抗力，参与支护体系的设计计算，以减短支护桩嵌岩深度，降低施工难度，减少施工成本，加快基坑施工进度，填补现行规范的空缺。
为了达到上述目的，本发明提供了一种土岩结合基坑吊脚桩支护结构的设计方法，所述吊脚桩支护结构包括支护桩以及坑内预留岩肩，其特征在于，设计方法包括以下步骤：
步骤一：建立半无限岩体模型和有限宽度岩体模型，所述半无限岩体模型满足尺寸效应要求，所述实际有限宽度岩体模型满足边界条件要求，提交分析，进入后处理模块；
步骤二：根据后处理结果计算所述岩体各深度节点上的有限岩体水平抗力系数折减系数，进一步确定有限岩体水平抗力系数比例系数的折减系数，根据折减系数代入经验公式得到实际设计时的水平抗力系数；
步骤三：采用弹性抗力法计算模型，在天汉基坑软件中输入桩长、桩径、土层信息、基坑深度等相关设计参数，其中基底定义为预留岩肩顶面，对岩肩高度范围内的岩层进行被动区加固，输入加固后的水平抗力系数比例系数，确保其与步骤二中代入折减系数后计算的水平抗力系数比例系数相等，进一步完成支护桩的位移验算、被动抗力安全系数验算、抗倾覆、抗滑移等验算，根据验算结果确定最佳嵌岩深度H，并根据软件输出的剪力、弯矩图进行桩身配筋；
步骤四：确定吊脚桩设计计算参数，包括步骤三中确定的最佳嵌岩深度H，预留岩肩宽度B，高度Z，上覆土层重度γ1，粘聚力c1，内摩擦角
Figure BDA0003856056760000021
层厚h，基岩重度γ，黏聚力c，内摩擦角
Figure BDA0003856056760000022
桩岩界面外摩擦角δ，θ为极限状态下最危险的滑裂面与水平面的夹角；根据工程经验确定一个预留岩肩宽度B，并将预留岩肩宽度B带入公式对预留岩肩承载力进行验算，包括预留岩肩抗剪承载力的验算和预留岩肩抗拉承载力的验算，且两者应同时满足要求；具体验算过程如下：
(1)预留岩肩宽度B满足以下条件时，预留岩肩抗剪承载力满足设计要求：
a.当H≤Btanθ时，根据三角形滑动土楔体的受力平衡得：
Figure BDA0003856056760000031
此时岩肩宽度可进一步减小；
b.当Btanθ＜H≤Z时，预留岩肩宽度B需满足以下条件：
Figure BDA0003856056760000032
式中：
Figure BDA0003856056760000033
(2)预留岩肩宽度B满足以下条件时，预留岩肩的抗拉承载力符合设计要求：
Figure BDA0003856056760000034
式中：Ea为支护桩所受主动土压力合力；M为预留岩肩受到的主动土压力产生的弯矩，M＝Ea·a；a为主动土压力合力作用点至验算截面的垂直距离；z为验算截面至岩肩顶的垂直距离；σf为预留岩肩部分的岩石单轴抗拉强度，一般取抗拉强度的1/10～1/30，具体应参照土工试验结果，无试验资料时可取0.15倍的抗压强度；
步骤五：步骤四中岩肩宽度B应同时满足预留岩肩抗剪承载力要求和预留岩肩抗拉承载力要求，其中任一条件不满足或存在富余，改变岩肩宽度B的取值经多次循环试算，直至确定最佳嵌岩深度及岩肩宽度。
本发明较优的技术方案：所述步骤一中岩体模型采用平面应变模型，模型尺寸水平方向两侧各取两倍计算深度，竖直方向取两倍计算深度。
本发明较优的技术方案：所述步骤一中岩体模型采用Hoek-Brown本构模型，两模型中的岩体参数、网格、工况、荷载和边界条件等均应保持一致。
本发明进一步的技术方案：所述步骤二中岩体各深度节点上的有限岩体水平抗力系数折减系数λz计算如下：
Figure BDA0003856056760000041
进一步，确定有限岩体水平抗力系数比例系数的折减系数λ的计算如下：
得到实际设计时的水平抗力系数；
Figure BDA0003856056760000042
进一步，确定实际设计时不同深度处有限岩体的水平抗力系数kh的计算如下：
kh＝λm(z-h0) ⑤
所述m按以下经验公式计算：
Figure BDA0003856056760000043
上述公式中：k1z为半无限岩体模型深度z处节点的水平抗力系数；k2z为有限宽度岩体模型深度z处节点的水平抗力系数；s1z为半无限岩体模型深度z处节点的水平位移；s2z为有限宽度岩体模型深度z处节点的水平位移，λ为计算有限岩体m值的折减系数；n表示多个深度处的岩体计算节点；z为计算点距地面的深度；h0为计算工况下的基坑开挖深度；
Figure BDA0003856056760000044
为岩石内摩擦角；c为岩石粘聚力；△为基坑底面处位移量，无经验时可取10mm；ξ为经验系数，对于岩石可取1.0。
本发明较优的技术方案：所述步骤四中的岩肩宽度B的取值范围为0.5～2m，试算时通常取初值1～1.5m；
本发明进一步的技术方案：所述上覆土层为多层土时，依据朗肯土压力理论分层计算，所述预留岩肩为单一岩层，且为较完整的中硬岩、硬质岩。
本发明的有益效果在于：本发明提出了一种桩端位于基坑底部以上的“吊脚桩”支护体系，通过在坑内预留一定宽度的岩肩提供被动抗力，参与支护体系的设计计算，以减短支护桩嵌岩深度，降低施工难度，减少施工成本，加快基坑施工进度，填补现行规范的空缺。采用本发明所提供的设计方法可以摆脱传统设计规范中将岩石参照土层的模式来计算的缺陷，该方法基于更符合岩石材料特性的Hoek-Brown强度准则，同时考虑预留岩肩的嵌固效应，确定合适的嵌岩深度以及岩肩宽度，设计步骤明确，计算公式简便，对吊脚桩支护体系设计有一定的推广应用价值。
附图说明
图1是本发明所述设计方法的流程示意图；
图2是本发明中满足模型尺寸效应要求的半无限岩体模型示意图；
图3是本发明中考虑边界条件的实际有限宽度岩体模型示意图；
图4是进行吊脚桩设计过程中天汉软件计算界面；
图5是预留岩肩承载力验算分析模型。
图中：1—地面，2—支护结构，3—预留岩肩，4—基底，5—剪切破坏面。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，附图为本发明的实施例附图，简化绘制以简洁、清晰地说明本发明实施例的目的。但需要明确的是，本发明具体实施方式的范围并不限于实施例中的内容，可以多种形式实现。提供这些实施例的目的仅用于更加全面的公开本发明的内容。
本发明中出现的相同参数符号指代的为相同参数。
本发明提供的土岩结合基坑吊脚桩支护结构的设计方法包括支护桩以及预留岩肩设计，所述设计流程参阅图1，包括以下步骤：
步骤一：建立半无限岩体模型和实际有限宽度岩体模型，所述半无限岩体模型满足尺寸效应要求，所述实际有限宽度岩体模型满足边界条件要求，如图2、图3所示；所述实际有限宽度岩体模型满足边界条件要求，提交分析，进入后处理模块；具体地，所述岩体模型采用平面应变有限元模型，考虑模型尺寸效应影响，水平方向计算岩体两侧各取两倍的计算深度，竖直方向取两倍的计算深度，岩肩宽度可先假定为1.0～1.5m试算；上述两模型中的岩层厚度、参数、网格、工况、荷载及边界条件等均应保持一致；所述岩体模型采用Hoek-Brown本构模型，网格尺寸在确保计算速度的情况下尽量划细；所述荷载为均布荷载，作用于计算水平抗力系数的节点单元上，方向水平，大小以满足有限岩体模型分析收敛为宜。
步骤二：由公式①计算所述岩体各深度节点上的有限岩体水平抗力系数折减系数λz：
Figure BDA0003856056760000061
式中：k1z为半无限岩体模型深度z处节点的水平抗力系数；k2z为有限宽度岩体模型深度z处节点的水平抗力系数；s1z为半无限岩体模型深度z处节点的水平位移；s2z为有限宽度岩体模型深度z处节点的水平位移；
取不同深度处各节点的水平抗力系数折减系数的平均值作为计算有限岩体水平抗力系数比例系数即m值的折减系数：
Figure BDA0003856056760000062
式中：λ为计算有限岩体m值的折减系数；n表示多个深度处的岩体计算节点。
进一步的，可计算出不同深度处的有限宽度岩体水平抗力系数：
kh＝λm(z-h0) ③
式中：z为计算点距地面的深度，h0为计算工况下的基坑开挖深度。
m可按以下经验公式计算：
Figure BDA0003856056760000071
式中：
Figure BDA0003856056760000072
为岩石内摩擦角；c为岩石粘聚力；△为基坑底面处位移量，无经验时可取10mm；ξ为经验系数，对于岩石可取1.0。
步骤三：采用弹性抗力法计算模型，在天汉基坑软件中输入桩长、桩径、土层信息、基坑深度等相关设计参数，其中基底定义为预留岩肩顶面，对岩肩高度范围内的岩层进行被动区加固，输入加固后的水平抗力系数比例系数，确保其与步骤二中代入折减系数后计算的水平抗力系数比例系数相等，进一步完成支护桩的位移验算、被动抗力安全系数验算、抗倾覆、抗滑移等验算，根据验算结果确定最佳嵌岩深度H，并根据软件输出的剪力、弯矩图进行桩身配筋，软件计算界面如图4所示。
步骤四：确定吊脚桩设计计算参数，包括步骤三中确定的最佳嵌岩深度H，预留岩肩宽度B，高度Z，上覆土层重度γ1，粘聚力c1，内摩擦角
Figure BDA0003856056760000073
层厚h，基岩重度γ，黏聚力c，内摩擦角
Figure BDA0003856056760000074
桩岩界面外摩擦角δ，θ为极限状态下最危险的滑裂面与水平面的夹角，Ea为支护桩所受主动土压力合力，Ep为支护桩所受被动土压力合力；根据工程经验确定一个预留岩肩宽度B，并将预留岩肩宽度B带入公式对预留岩肩承载力进行验算，分析模型如图5所示；
(1)预留岩肩抗剪承载力验算
验算抗剪承载力首先应确定预留岩肩最危险的滑裂面，基于库伦土压力理论分析达到被动极限平衡状态时岩肩部位形成的滑动土楔体，根据B与H的大小关系可分为两种情况，如图5所示；
a.H≤Btanθ时，根据三角形滑动土楔体的受力平衡得：
Figure BDA0003856056760000081
当
Figure BDA0003856056760000082
时，Ep取极值，此时
Figure BDA0003856056760000083
此种情况下岩肩宽度有进一步减小的空间；
b.Btanθ＜H≤Z时，根据梯形滑动土楔体的受力平衡得：
Figure BDA0003856056760000084
由于
Figure BDA0003856056760000085
Ep随θ单调递增，故当θ＝0即滑裂面为水平面时，Ep取极小值，此时
Figure BDA0003856056760000086
根据滑裂体静力平衡可得：
Figure BDA0003856056760000087
式中：Ea仅计算基岩面以上土体部分，可根据朗肯土压力理论计算，计算公式如下：
Figure BDA0003856056760000088
式中：Ka为主动土压力系数，有
Figure BDA0003856056760000089
若基岩面以上存在多层土，则应分层计算求合力；
进一步化简得：
Figure BDA00038560567600000810
(2)抗拉承载力验算应符合下式规定：
Figure BDA0003856056760000091
进一步化简得：
Figure BDA0003856056760000092
式中：M为预留岩肩受到的主动土压力产生的弯矩，有M＝Ea·a，其中a为主动土压力合力作用点至验算截面的垂直距离；z为验算截面至岩肩顶的垂直距离；σf为预留岩肩部分的岩石单轴抗拉强度，一般取抗拉强度的1/10～1/30，具体应参照土工试验结果，无试验资料时可取0.15倍的抗压强度。
所述有限元模型中假定的岩肩宽度B应同时满足式④和式⑤的抗剪、抗拉承载力要求，若验算结果不满足或存在富余，则调整岩肩宽度B返回步骤一再次计算，多次循环试算后方可确定最佳嵌岩深度及岩肩宽度。
下面结合一具体实施例作对比说明：某土岩结合基坑项目，基坑深度8m，拟采用悬臂桩支护形式，基坑东侧岩层裸露面较浅，距离地面5m，上覆土层为杂填土、粉质黏土，考虑施工经济性与难易程度，采用吊脚桩支护形式，岩土层相关设计参数如表1，采用本发明方法对基坑东侧支护结构进行设计计算。
Figure BDA0003856056760000093
分别建立半无限岩体模型和有限宽度岩体模型，如图2、图3所示，模型尺寸宽15m，高6m，采用霍克-布朗本构模型，根据工程经验假定岩肩宽1.5m，计算深度3m，考虑模型收敛性作用均布荷载50kPa。约束模型两侧水平位移、底部竖向及水平位移，划分网格，提交计算分析。
提取两个模型中对应各深度处岩体节点的水平位移，代入公式②计算得有限岩体水平抗力系数比例系数的折减系数：λ＝0.088。
即桩前预留1.5m宽的岩体提供的水平抗力系数为常规m法计算的水平抗力系数的0.088倍。
在天汉软件中通过在嵌岩段连续设置内支撑模拟有限岩体的嵌固效应，支撑刚度系数手动输入有限岩体被动抗力系数，进行相关设计计算，确定嵌岩深度为1.8m。
通过式④、式⑤分别验算抗剪和抗拉承载力，代入本例中的相关参数，计算得满足承载力要求的最小岩肩宽度为1.485m，即有限元模拟中试算采用的1.5m岩肩宽度满足设计要求。因此本支护段嵌岩深度1.8m，预留岩肩宽1.5m。
本发明设计方法力学概念明确，计算简便，计算结果稳定，可靠简明，解决了现行设计软件无法准确计算分析吊脚桩支护结构的问题，为实际工程中土岩结合基坑吊脚桩支护形式提供了一种可行的设计方法。
最后说明的是，上述实施例仅用以表示本发明的具体实施方式而非限制，尽管通过上例已对本发明作了较为详细的描述说明，但本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明思想的前提下，还可以在其形式上和细节上作出各种的变形和改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种土岩结合基坑吊脚桩支护结构的设计方法，所述吊脚桩支护结构包括支护桩以及坑内预留岩肩，其特征在于，设计方法包括以下步骤：
步骤一：建立半无限岩体模型和有限宽度岩体模型，所述半无限岩体模型满足尺寸效应要求，所述实际有限宽度岩体模型满足边界条件要求，提交分析，进入后处理模块；
步骤二：根据后处理结果计算所述岩体各深度节点上的有限岩体水平抗力系数折减系数，进一步确定有限岩体水平抗力系数比例系数的折减系数，根据折减系数代入经验公式得到实际设计时的水平抗力系数；
步骤三：采用弹性抗力法计算模型，在天汉基坑软件中输入桩长、桩径、土层信息、基坑深度等相关设计参数，其中基底定义为预留岩肩顶面，对岩肩高度范围内的岩层进行被动区加固，输入加固后的水平抗力系数比例系数，确保其与步骤二中代入折减系数后计算的水平抗力系数比例系数相等，进一步完成支护桩的位移验算、被动抗力安全系数验算、抗倾覆、抗滑移等验算，根据验算结果确定最佳嵌岩深度H，并根据软件输出的剪力、弯矩图进行桩身配筋；
步骤四：确定吊脚桩设计计算参数，包括步骤三中确定的最佳嵌岩深度H，预留岩肩宽度B，高度Z，上覆土层重度γ1，粘聚力c1，内摩擦角
Figure FDA0003856056750000011
层厚h，基岩重度γ，黏聚力c，内摩擦角
Figure FDA0003856056750000012
桩岩界面外摩擦角δ，θ为极限状态下最危险的滑裂面与水平面的夹角；根据工程经验确定一个预留岩肩宽度B，并将预留岩肩宽度B带入公式对预留岩肩承载力进行验算，包括预留岩肩抗剪承载力的验算和预留岩肩抗拉承载力的验算，且两者应同时满足要求；具体验算过程如下：
(1)预留岩肩宽度B满足以下条件时，预留岩肩抗剪承载力满足设计要求：
a.当H≤Btanθ时，根据三角形滑动土楔体的受力平衡得：
Figure FDA0003856056750000021
此时岩肩宽度可进一步减小；
b.当Btanθ＜H≤Z时，预留岩肩宽度B需满足以下条件：
Figure FDA0003856056750000022
式中：
Figure FDA0003856056750000023
(2)预留岩肩宽度B满足以下条件时，预留岩肩的抗拉承载力符合设计要求：
Figure FDA0003856056750000024
式中：Ea为支护桩所受主动土压力合力；M为预留岩肩受到的主动土压力产生的弯矩，M＝Ea·a；a为主动土压力合力作用点至验算截面的垂直距离；z为验算截面至岩肩顶的垂直距离；σf为预留岩肩部分的岩石单轴抗拉强度，一般取抗拉强度的1/10～1/30，具体应参照土工试验结果，无试验资料时可取0.15倍的抗压强度；
步骤五：步骤四中岩肩宽度B应同时满足预留岩肩抗剪承载力要求和预留岩肩抗拉承载力要求，其中任一条件不满足或存在富余，改变岩肩宽度B的取值经多次循环试算，直至确定最佳嵌岩深度及岩肩宽度。
2.根据权利要求1所述的一种土岩结合基坑吊脚桩支护结构的设计方法，其特征在于：所述步骤一中岩体模型采用平面应变模型，模型尺寸水平方向两侧各取两倍计算深度，竖直方向取两倍计算深度。
3.根据权利要求1所述的一种土岩结合基坑吊脚桩支护结构的设计方法，其特征在于：所述步骤一中岩体模型采用Hoek-Brown本构模型，两模型中的岩体参数、网格、工况、荷载和边界条件等均应保持一致。
4.根据权利要求1所述的一种土岩结合基坑吊脚桩支护结构的设计方法，其特征在于所述步骤二中岩体各深度节点上的有限岩体水平抗力系数折减系数λz计算如下：
Figure FDA0003856056750000031
进一步，确定有限岩体水平抗力系数比例系数的折减系数λ的计算如下：
得到实际设计时的水平抗力系数；
Figure FDA0003856056750000032
进一步，确定实际设计时不同深度处有限岩体的水平抗力系数kh的计算如下：
kh＝λm(z-h0) ⑤
所述m按以下经验公式计算：
Figure FDA0003856056750000033
上述公式中：k1z为半无限岩体模型深度z处节点的水平抗力系数；k2z为有限宽度岩体模型深度z处节点的水平抗力系数；s1z为半无限岩体模型深度z处节点的水平位移；s2z为有限宽度岩体模型深度z处节点的水平位移，λ为计算有限岩体m值的折减系数；n表示多个深度处的岩体计算节点；z为计算点距地面的深度；h0为计算工况下的基坑开挖深度；
Figure FDA0003856056750000034
为岩石内摩擦角；c为岩石粘聚力；△为基坑底面处位移量，无经验时可取10mm；ξ为经验系数，对于岩石可取1.0。
5.根据权利要求1所述的一种土岩结合基坑吊脚桩支护结构的设计方法，其特征在于：所述步骤四中的岩肩宽度B的取值范围为0.5～2m，试算时通常取初值1～1.5m。
6.根据权利要求1至4中任意一项所述的一种土岩结合基坑吊脚桩支护结构的设计方法，其特征在于：所述上覆土层为多层土时，依据朗肯土压力理论分层计算，所述预留岩肩为单一岩层，且为较完整的中硬岩、硬质岩。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116305412A (zh) * 2023-02-09 2023-06-23 中建八局第三建设有限公司 一种基于有限元模型分析的基坑开挖变形研究方法
CN117669006A (zh) * 2024-01-31 2024-03-08 贵州正业工程技术投资有限公司 岩溶山区土岩边坡倾斜钢管桩支护结构、设计方法及系统

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CN117669006B (zh) * 2024-01-31 2024-04-16 贵州正业工程技术投资有限公司 岩溶山区土岩边坡倾斜钢管桩支护结构、设计方法及系统

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