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1、钻孔桩与深搅桩咬合支护结构内力及变形分析摘要:介绍了新型的钻孔桩与深搅桩咬合式复合支护体系在地铁明挖深基坑的应用,并采用弹性杆系有限元法对支护体系的内力及变形进行了分析,将理论值与实际值进行比较,得出实际值比理论值大的结论。关键词:支护结构,内力,变形,监测钻孔桩咬合深搅桩支护体系是一种新型的围护结构形式,钻孔桩为柱列式布置,桩与桩之间有一定的间距,为防止地下水并夹带土体颗粒从桩间空隙流入坑内,在桩间设置深搅桩,柱列式钻孔桩作为挡土围护结构有很好的刚度,但是桩之间的联系差,必须在桩顶浇筑较大截面的钢筋混凝土冠梁加以可靠连接。钻孔桩与深搅桩咬合支护结构强度及刚度均较大,且比地下连续墙造价低,具有
2、施工噪音低、造价低、整体性和止水效果好等优点。1工程概况南京地铁奥体中心站元通站区间隧道基坑支护结构方式为钢筋混凝土钻孔桩与水泥土搅拌桩咬合+内支撑联合支护,基地采用深搅桩点状加固,采用明挖顺作法施工。基坑平均深度10.5m、宽13.1m、长1.4km,钻孔桩桩长19.5m。区间范围内自上向下土层构成分别为人工填土、淤泥质填土、粉质粘土、淤泥质粉质粘土。区间场地地面多为农田及池塘,淤泥质粉质粘土层厚均在29m以上,该土层处于流塑状态,其工程地质性质表现为“三高一低”,即高灵敏度、高压缩性、高含水量、低强度等特性,因此施工中必须着重进行监测与分析。2支护体系内力及变形分析弹性地基杆系有限元法假设
3、地面上(基底以上)挡土结构为梁单元,基底以下部分为弹性地基梁单元,支撑为弹性支撑单元,荷载为主动土压力和水压力。2.1计算模型及数据如图1所示为计算简图。把挡土结构沿竖向每隔1m划分为一个单元。为计算简便,挡土结构的截面、荷载突变处、弹性地基基床系数变化段及支撑或锚杆的作用点,均作节点处理,支撑按弹簧处理,主动侧土压力和水压力为事先假定,被动土压力按土弹簧考虑。采用总量分阶段计算围护结构内力。2.2计算公式的确定2.2.1土压力计算公式针对南京地区粘性土为主的地层特点采用水土合算法确定土压力系数:其中,rsat为土的饱和重度,在地下水位以下可以近似采用天然重度;Ka为主动土压力系数,Ka=tg
4、2(45°-0.5×),为按总应力方法确定的固结不排水剪或不固结不排水剪确定的内摩擦角;c为按总应力方法确定的固结不排水剪或不固结不排水剪确定的内聚力。2.2.2深搅桩及钻孔桩的简化处理柱列式挡墙的受力形式与壁式地下类似。在具体计算中,将桩墙按抗弯刚度相等的原则等价为一定厚度的壁式地下连续墙进行内力分析,其公式为:式中:D钻孔桩直径;t桩间净距;h壁式地下墙的折算厚度。搅拌桩可以分担部分土压力。根据围护桩的参数在计算中对原有压力进行折减。2.2.3弹性抗力系数计算公式采用“m”法并略作修正,计算弹性系数:Kh=m(Z-Z0)。其中,Kh为侧向弹性抗力系数;m为比例系数;Z为
5、从基坑地面算起的深度;Z0为初始深度。其中Z0考虑了粘性土的粘聚力影响和超固结使土被动抗力提高因素,从而,基坑底面处的弹性抗力不等于零。Zo值由经验确定。2.3计算结果2.3.1工况表工况表(即每开挖一层,架设一道钢支撑)见表1。2.3.2内力及变形计算简图1)工况1的内力及变形计算:因为没有进行开挖,水平位移为0。2)工况2的内力及变形计算简图(见图2):由图2可知,工况2的最大水平位移:1.8mm。3)工况3的内力及变形计算简图:工况3的内力及变形计算简图,见图2工况2的内力及变形计算简图相同,工况3的最大水平位移:1.8mm。4)工况4的内力及变形计算简图(见图3):由图3可知,工况4的
6、最大水平位移:4.4mm。5)工况5的内力及变形计算简图:工况5的内力及变形计算简图,与图3工况4的内力及变形计算简图相同,工况5的最大水平位移:4.4mm。6)工况6的内力及变形计算简图(见图4):由图4可知,工况6的最大水平位移:8mm。3基坑支护的计算和实际监测结果比较以基坑水平收敛值的理论值与实际监测值进行比较,如表2所示。从基坑支护的计算和实际监测结果表可以看出:实际水平收敛均比设计值大,因而轴力也比设计值大,产生此种现象的原因主要有两方面:1)设计计算具有局限性,因为设计采用的计算模型是在理想状态下的,但是本区间的淤泥质粉质粘土的渗透系数较差,降水极为困难,其降水效果不可能达到设计
7、的理想状态,即实际土体的固结力较小而引起侧压力增大,导致围护结构收敛增大。2)施工的原因,在实际施工过程中,在工况2中的土体一次开挖过深,直接导致围护桩的收敛增大,而最后一次的变形最大,其主要原因是开挖时间较长,基底桩体根部暴露时间过长。4结语采用钻孔桩与深搅桩咬合式支护体系施工,必须严格遵守“时空效应法”的施工原则。通过对上述基坑支护结构的内力及变形进行分析,认为软土深基坑工程中采用钻孔桩咬合深搅桩支护体系是合理、行之有效的方法,但是由于施工现场的复杂性计算与实测值的差异是不可避免的,因此设计和施工人员必须有丰富的设计和施工经验,针对实际施工情况进行方案优化,才能成功地完成深基坑设计和施工。参考文献:1龚晓南.深基坑设计与施工手册M.北京:中国建筑工业出版社,1998.811.2黄强.深基坑支护工程设计技术M.北京:中国建材工业出版社,1995.240.