h型双排桩复合锚杆支护结构分析

段政彬, 马石城, 印长俊



h型双排桩复合锚杆支护结构分析

段政彬*, 马石城, 印长俊

(湘潭大学 土木工程与力学学院, 湖南 湘潭, 411105)

结合湘潭市某深基坑应用的新型式h型双排桩复合锚杆支护结构, 按多支点等值梁模型进行了其内力计算, 结果表明这种方法计算简单, 安全性高, 可指导于工程设计. 通过与传统型式的双排桩—锚杆支护结构的受力性能对比, 得出h型双排桩结构型式不仅节省材料, 而且桩身受力更加合理, 值得推广使用.

基坑支护; 桩锚支护; 等值梁模型; 内力计算

许多城市老城区基坑工程项目中, 建筑物四周或道路两旁埋设了许多复杂的地下水管、城市排污管道等设施. 湘潭市某深基坑工程就处于老城中心地区, 为了保护埋置在基坑周围的管道设施, 监测其变形、位移, 同时从优化支护结构的受力性能等方面考虑, 湘潭大学印长俊设计出新型式的预应力锚—h型双排微型钢管桩支护结构. 这种支护结构型式目前已在湖南省湘潭市某基坑支护工程和湖北钟祥市某基坑支护工程中进行了应用, 并在施工过程中对基坑周边地下管道设施同步进行了监测、保护, 取得了较好的支护效果. 对于传统型式的桩锚支护结构, 《建筑基坑支护技术规程》(JGJl20—2012)[1]中采用弹性支点法进行分析, 弹性支点法基本上未考虑到土体的强度问题. 高美玲[2]与王萍萍[3]采用经典的等值梁法对双排桩—锚杆支护结构内力进行了计算, 本文结合文献[2—3]建立了桩锚支护计算模型对预应力锚—h型双排桩支护结构的内力进行了计算分析.

1 工程实例

湘潭市某基坑工程位于湘潭市车站路、韶山中路及建设北路沿线, 该工程的设计使用年限为50年, 耐火等级一级, 防水等级一级. 主体部分为地下工程, 地下负一层, 埋深主体工程约8 m. 该基坑由于地处老城区中心, 地下管线较多, 有国防光缆、交通设施、电力、通信、供水、排水、天然气管线等, 都需要重点保护. 地下水位埋深9.50～13.50 m, 不考虑地下水对支护结构的影响. 由于地处城市核心区, 交通压力大, 周边建筑环境复杂, 地面超载为40 kPa.

基坑围护结构主要设计参数: ① h型双排微型钢管桩, 桩径65 mm, 壁厚3 mm, 管内注浆, 前后排桩长均为8 m, 排间距1 500 mm, 前后排桩顶标高差为2 m. ②桩顶连梁为厚100 mm的C30混凝土. ③前排桩上每隔2 m设置1根锚杆, 第1根锚杆位于地面下2 m, 锚杆长度为15 m, 每根锚杆上施加预拉力120 kN. 结构参数详见图1. 根据《湘潭市河西核心商务区人防平战结合工程岩土工程勘察报告》, 具体工程地质参数见表1.

图1 设计简图

表1 各土层主要参数

注: 表中带*号的均为经验数据.

2 计算方法

① 整个支护结构的计算模型仍看作桩锚支护体系, 桩体部分由2排阶梯型微型桩通过连梁固结在一起, 并形成2个直角刚结点, 3根锚杆作为支座提供水平集中力, 前后排桩底端固定. 假定土压力[3]符合郎肯土压力的分布形式, 则计算模型简化见图2.

② 考虑到双排桩间存在排距, 后排桩距前排桩及基坑支护面1.5 m, 后排桩的开挖深度按文献[4]中的等效开挖深度计算, 后排桩的等效开挖深度为:

其中为土层的内摩擦角.

③ 文章中的h型双排桩简化为门式刚架模型, 把后排桩高出前排桩部分所受的外荷载和土压力, 简化为1个弯矩和1个水平力.

后排桩桩顶上的地面超载和点以上的土压力简化为对结点的外力0和弯矩, 得到0= 88.8 kN,= 73.43 kN×m.

④ 桩身内力计算采用等值梁法[5]. 等值梁理论中, 基坑底以下的零弯矩点位置与土压力分布零点位置很接近, 计算中找出土压力零点位置代替弯矩零点位置. 即:

式中:a为主动土压力系数,P为被动土压力系数,为土的粘聚力. 前后排桩土压力强度零点距离基坑底面的距离1= 1.07 m,2= 0.47 m.

⑤ 前后排桩的受力情况分析. 图3、图4分别为前、后排桩受力简图.

对点求力矩平衡可得1=108.6 kN. 门式框架各结点固端弯矩按《建筑结构静力计算手册》[6]进行计算可得:段一端固定一端简支,M=-2.8 kN×m;段两端固定,M=-15.1 kN×m,M= 16.4 kN×m;段一端固定一端简支,M=-75.4 kN×m;同段, 所以有M=-85.32 kN×m.

已知各固端弯矩, 应用结构力学[7]中的弯矩分配法得出各杆端的最终弯矩, 再对每段杆件隔离分析, 求解平衡方程计算支点反力, 最后用超静定结构求解方法可得前、后排桩的内力分布情况. 锚杆作用力为R= 115.26 kN,R= 47.2 kN,R= 181.86 kN.

图2 计算模型简化

图3 前排桩受力简图

图4 后排桩受力简图

⑥双排桩-锚杆的内力图.采用上述方法计算得出h型双排桩支护结构的内力情况. 图5为结构弯矩图, 单位是kN×m, 图6是结构剪力图, 单位是kN.

图5 结构弯矩图

图6 结构剪力图

由图5可以看出, 前排桩上由于三处锚杆的反作用力, 使得弯矩在锚杆作用点反向回缩, 整体上控制了桩身弯矩的增大. 设计时可缩小排桩尺寸, 节约建材. 另外, 从弯矩图5可以看出, 前排桩在基坑开挖面点下, 后排桩在基坑等效开挖面点下都存在反弯点, 映证了等值梁理论在这种支护结构受力分析中的适用性.

由图6可以看出, 前排桩上三锚杆处剪力值发生突变, 锚杆的反作用力制约了桩身剪力的发展, 优化了结构受力性能, 其中处锚杆支反力值最大, 对支护结构桩身的受力有较大影响. 连梁在前后排桩之间起到了传递弯矩和力的作用.

图7 传统的双排桩锚支护结构

3 与传统的双排桩锚支护结构比较

图7为传统型式的双排桩锚杆支护结构, 它前后排桩长均为10 m, 比图1中的新型式h型双排桩复合锚杆支护结构中前后排8 m桩要长2 m. 在同样假设和同样参数的前提下, 采用上述方法对传统型式的双排桩锚杆支护结构进行了内力计算, 并且与上文中的预应力锚杆—h型双排桩支护结构进行了比较. 图8、图9分别为2种支护结构前、后排桩剪力的计算结果.

图8 前排桩剪力对比

图9 后排桩剪力对比

从图8可以看出, 传统型式双排桩锚杆支护结构前排桩上2 m处有锚杆支反力作用, 产生了较大的剪力突变, 且桩身剪力值达到了90 kN, 而h型双排桩由于采用阶梯型布桩型式, 前排桩上2 m以上土体挖除, 卸掉了土压力, 其桩身剪力值很小, 与传统型式双排桩桩身剪力相差很大. 在2 m以下地区, 距地表越深处, 土压力值趋向相等, 且受3根锚杆作用影响, 剪力值差别减小. 图9显示的后排桩上, h型双排桩由于连梁的作用, 在2 m深处剪力值发生了突变, 控制了剪力的增长趋势. 另外, 从图8、图9中可以看出传统型式双排桩桩身最大剪力值为150 kN, 大于h型双排桩桩身最大剪力120 kN.

图10、图11分别为2种支护型式前、后排桩弯矩的计算结果.

图10 前排桩弯矩对比

图11 后排桩弯矩对比

从图10和图11可以看出, 在2 m以下部位, 2种型式双排桩在前排桩上由于锚杆的存在, 弯矩值相差不大, 但由于h型双排桩采用阶梯型布桩型式, 连梁位置不同, 后排桩弯矩值有很大差别. 2 m深处, h型双排桩的后排桩弯矩值发生突变, 使得后排桩身弯矩值比传统型双排桩后排桩身弯矩值要小很多. 这是因为h型双排桩桩身结构更加合理, 且前排桩桩顶卸掉了部分土体可以减小土压力的原因. 因此, 这种阶梯型布桩型式优化了整个结构的受力性能.

4 结语

结合工程应用实例, 对新型式的预应力锚—h型双排微型钢管桩支护结构进行了内力分析与计算, 得到的结果比较理想. 这种方法简单、适用, 计算结果偏于安全, 可以指导支护结构设计.

从对新型式的锚杆—h型双排桩支护结构与传统锚杆—双排桩支护结构的内力进行的对比分析可得出, 新型式的锚杆—h型双排桩支护结构不仅便于施工作业和对附近管线的监测保护, 而且在排桩型式上进行了结构优化, 桩身受力更加合理, 对工程上节约材料成本具有一定意义.

本文采用等值梁法进行计算, 没有考虑桩体刚度及桩间土的影响, 有待改进.

[1] JGJl20—2012. 建筑基坑支护技术规程[S]. 北京: 中国建筑工业出版, 1999: 15—17.

[2] 高美玲. 单支点双排桩复合锚杆支护结构受力分析及 FLAC_3D数值模拟[D]. 武汉: 中国地质大学, 2002.

[3] 王萍萍. 双排桩—锚杆支护结构受力性状分析[D]. 邯郸: 河北工程大学, 2011.

[4] 王曦平. 深基坑双排桩支护结构的计算方法与工程应用研究[D]. 长沙: 湖南大学, 2012.

[5] 谢猛, 侯克鹏, 傅鹤林. 等值梁法在深基坑支护设计中的应用[J]. 土工基础, 2008, 22(1): 14—17.

[6] 编写组. 建筑结构静力计算手册[M]. 2版. 北京: 中国建筑工业出版社, 1998:121—124.

[7] 龙驭球, 包世华. 结构力学[M]. 北京: 高等教育出版社, 2000: 443—458.

Analysis of the h-type double pile-anchor structure

DUAN ZhengBin, MA ShiCheng, YIN ChangJun

(Civil Engineering and Mechanics of Xiangtan University, Xiangtan 411105, China)

As example of the new h-type double pile-anchor structure with a deep pit of Xiangtan, its internal force was calculated by the multi-node equivalent beam model. The calculation method is simple, high safety, and it can be used in the design of foundation pit supporting. Contrasted with the mechanical property of the traditional double pile-anchor structure, conclusion shows that h-type double pile-anchor structure not only saves material and the stress on pile body is more reasonable, it is worthy of promotion.

foundation pit supporting; pile-anchor structure; multi-node equivalent beam model; internal force calculation

10.3969/j.issn.1672-6146.2014.03.013

TU 473

1672-6146(2014)03-0055-04

email: 2826209779@qq.com.

2014-03-14

湖南省教育厅资助科研项目(10C1286); 湖南省科技厅一般项目(2010CK3035).

(责任编校: 江 河)