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1、第 41卷 第 14期2 0 1 0 年 7 月?人?民?长?江Yangtze?R iver?Vo.l 41,No.14July,2010收稿日期:2010-03-18基金项目:国家自然科学基金计划项目(40772173);国家重点基础研究发展计划项目(2009CB724607);教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-08-0336);山东省自然科学基金计划项目(Y2007F52)作者简介:杨?佳,男,硕士研究生,主要从事深基坑支护监测和数值计算。E-mai:l yangjia2004-0 ?文章编号:1001-4179(2010)14-0090-04高层建筑深大基坑支护稳定性评价与监测
2、分析杨?佳,张 强 勇,刘 德 军,张?宁,段?抗(山东大学 岩土与结构研究中心,山东 济南 250061)摘要:针对济南市恒隆广场深大基坑工程所采用的?排桩+斜支撑?支护方式,采用弹性地基梁有限元和瑞典条分法进行单元及整体计算分析,获得了支护桩体和斜撑的位移及内力的分布变化规律以及基坑整体安全稳定性系数。同时将计算结果与监测数据进行了对比分析,计算结果与实测数据吻合较好,有效验证了基坑支护设计方案是安全可靠的。为类似工程的设计、施工积累了宝贵经验。关?键?词:深大基坑;支护桩;斜支撑;弹性地基梁;稳定性计算;基坑监测中图法分类号:TV551.4?文献标志码:A?随着我国高层建筑和城市地下空间
3、的开发,基坑工程的规模和数量不断扩大,这对支护结构设计也提出了更高的要求。由于深大基坑通常位于城市黄金地段,宽度和长度都较大,红线圈定的范围以及地下障碍物和管线限制了锚杆的使用,若采用对顶支撑,工程量又很大,而且对土方和地下室结构施工的影响也很大。?排桩+斜支撑?基坑支护方法,是先利用坑内被动区土体的自稳能力抵抗基坑支护桩的侧向变形,进行中部土方开挖和基础施工;待中部基础施工完毕后,在基础上设置斜撑控制边坡变形,再进一步开挖被动土体和施工基础结构。采用这种支护方式,在基坑开挖初期,坑内可不设支撑,空间较大,施工方便;后期斜撑拆除较其他型式的内支撑要快,可以明显加快施工进度 1。对于保证基坑本身
4、的安全与稳定,有效控制基坑的变形以保护周边建筑的安全,?排桩+斜支撑?的基坑支护方法展现了其越来越广阔的应用前景,是值得研究和推广的技术。目前,?排桩+斜支撑?基坑支护施工方法的研究较为成熟,包旭范等在 2006年做了大型软土基坑斜支撑法施工中土台预留宽度的研究 2。吕鸿斌、赵留记在 2008年做了复合土钉墙基坑稳定性分析的研究 3。而对于基坑开挖过程中采用?排桩+斜支撑?支护时,基坑变形和支护结构内力的分布规律及整体稳定性系数的研究较为少见。本文通过济南某深大基坑工程实例,运用线弹性有限元和瑞典条分法进行单元和整体计算分析,并与监测结果相对比,判断计算结果的准确性及可靠性,为今后类似的工程积
5、累经验。1?计算方法图 1为 W inkler弹性地基梁计算模型,该模型将桩墙支挡结构视作支撑在弹性支座上的梁,基坑外侧作用已知的土压力和水压力,基坑内侧土体对支挡结构的地基反力 f 用一系列土弹簧模拟,斜撑简化为二力杆单元,它既可考虑挡土结构、斜撑和被动侧土体的变形,又可以模拟基坑分步开挖的施工过程。地基反力 f 的大小与挡土结构变形 y有关:f=ky(1)式中,y 为计算点处支挡结构的水平位移;k为水平地基反力系数,采用 m 法时,假定水平地基反力系数 k沿深度按线性规律变化 4,即k=mz(2)式中,z为地面或开挖面以下的深度;m 为比例系数,可由现场试验或参考相关基坑规范和手册确定。支
6、挡结构主动侧土压力通常采用图 1所示的土压?第 14期杨?佳,等:高层建筑深大基坑支护稳定性评价与监测分析力分布模式,即在基底开挖面上作用的主动土压力,根据朗肯土压力理论计算;基底开挖面以下主动土压力分布呈矩形,不随深度变化 4。弹性杆系有限单元法分析挡土结构内力和变形的过程如下:图 1?弹性地基梁模型(1)结构理想化。即把挡土结构的各个组成部分,根据其结构受力特性,理想化为杆系单元,即:基底以上部分挡土结构简化为两端嵌固的梁单元、基底以下部分简化为 W inkler弹性地基梁单元、斜撑简化为二力杆单元。(2)结构离散化。把挡土结构沿竖向划分成有限个单元,每隔 2 m 划分 1个单元。为计算方
7、便,尽可能将节点布置在挡土结构的截面、荷载突变处、弹性地基反力系数变化段及内撑的作用点处,各单元以边界上的节点相连接。(3)建立结构平衡方程。将各个单元的单元刚度矩阵经矩阵变换得到结构总刚度矩阵,作用在结构节点上的荷载和节点位移之间的关系以结构总刚度矩阵来联系,有限元方程如下:(Kn+Kz+Kt)W=F(3)式中,Kn 为内支撑结构的刚度矩阵;Kz 为支护结构的刚度矩阵;Kt 为开挖面以下桩侧土抗力的刚度矩阵;W 为位移矩阵;F 为荷载矩阵。整体稳定性采用瑞典条分法进行计算,假设滑动面为圆弧面,不考虑条间力作用,计算简图如图 2所示。K=MkM?=?cikli+?(q0bi+wi)cos?it
8、an?ik?0?(q0bi+wi)sin?i(4)式中,K 为整体稳定安全系 数;Mk为抗滑力 矩,k N?m;M?为滑动力矩,kN?m;cik,?ik为最危险滑动面上第 i土条滑动面上土的固结不排水(快)剪粘聚力,kPa、内摩擦角标准值,(?),分别按水位以上、水位以下取值;li为第 i土条的滑裂面弧长,m;bi为第 i土条的宽度,m;Wi为作用于滑裂面上第 i土条的重量,水位以上按上覆土层的天然土重计算,水位以下按上覆土层的饱和土重计算,kN/m;?i为第 i土条弧线中点切线与水平线夹角,(?);?0为建筑基坑侧壁重要性系数;q0为作用于基坑面上的荷载,kPa。图 2?稳定性系数计算简图2
9、?斜支撑支护结构设计2.1?工程概况济南恒隆广场深大基坑地处济南市中心繁华地段,交通极其便利。拟建建筑物为商业用楼,地上 7层,地下 2层,基坑开挖形状总体呈近似矩形,平面尺寸为东西长约 353 m,南北宽约 189 m,基坑开挖深度为 12.15 m。2.2?工程地质与水文地质条件场地岩土地层从上往下分别为杂填土、素填土、粉质粘土、粗粒混合土、粘土、残积土、全风化闪长岩、强风化闪长岩、强风化灰岩。场地地下水分为 2层:第四系潜水位于第?层粘土之上,稳定水位埋深约 1.004.50m;基岩裂隙承压水主要存在于下部基岩风化壳,具承压性。静止水位埋深 2.89 3.08 m。岩土物理力学参数见表
10、1。表 1?岩土层主要物理力学参数地层名称重度/(kN?m-3)粘结力/kPa 摩擦角/(?)杂填土19.05.020.0素填土18.618.018.0粉质粘土19.322.020.0粗粒混合土18.525.025.0粘土18.540.018.0残积土17.020.022.3全风化闪长岩17.113.822.691?人?民?长?江2010年?2.3?设计方案本着技术先进、安全可靠、经济合理、施工可行和保护环境的原则,通过多种方案的技术经济比较,该深大基坑采用支护桩加斜撑挡土、四周旋喷帷幕止水、坑内采用疏水井降水并结合明排的复合支护结构型式。图 3为基坑支护结构平面图,图 4为基坑支护剖面图。支
11、护方案的具体设计说明如下:支护桩桩径为 0.8m,桩长 19.85m,桩间距 1.2m,嵌固深度为 10 m。斜支撑截面尺寸 h?b为 1.2 m?0.8 m。基坑开挖至标高-2.30 m后,按坡角 35?进行放坡至基底,以便冠梁和斜撑的施工。由于混凝土斜撑跨度大,撑下增设立柱,立柱采用钻孔灌注桩,桩径 0.6m,桩长 12.0 m,嵌固深度 7.0m,混凝土保护层厚度取为 50mm,斜撑与桩连接处布置两根?20加强筋。斜撑底端设置支承桩,桩径 1m,桩长 7.50m,斜撑底端支承桩严格按照设计施工,当支承桩达到设计强度后方可开挖斜撑后土体。图 3?基坑支护结构平面(单位:m)图 4?基坑支护
12、剖面(单位:mm)3?支护设计及稳定性计算结果简化基坑为方形,模型长 353m,宽 189m,开挖深度 12.15 m,支护桩径 800 mm,间距 1 200mm,嵌固深度 10m,斜支撑截面尺寸为 1 200 mm?800 mm,拐角处设置平撑,截面尺寸为 800 mm?600 mm。对基坑进行整体计算,得到基坑计算水平位移图(图 5)。同时选取基坑埋设有测斜仪器监测点断面(基坑北侧中段)的支护桩体测斜数据与同部位的桩体计算数据进行对比,得到支护桩体实测位移与计算位移对比图(图 6),支护桩弯矩分布见图 7(a),计算斜撑弯矩分布见图 7(b)。图 5?支护结构计算水平位移图 6?桩体实测
13、位移与计算位移对比由图 5可以看出,由于基坑开挖,土体整体向坑内偏移,水平位移值随深度有所变化,桩体测斜最大位移出现在桩体深度 1/3 1/2处。而从选取的典型断面水平位移值图(图 6)中,也可以看到,计算结果与实测数据随深度的变化曲线规律一致,桩体最大水平位移值出现在桩体下端 1/3处。其中计算桩体水平位移最大值为 11.05 mm,实测 桩体水平位 移最大 值为8.4mm,桩体位移曲线整体呈现中间大,两头小的变化规律。从图 7(a)、(b)可以看到,三角土体开挖完成后支护桩体最大弯矩为 562.7 kN?m,出现在坑顶下8.84m位置,斜撑最大弯矩为 1097 k N?m,位于斜撑92?第
14、 14期杨?佳,等:高层建筑深大基坑支护稳定性评价与监测分析顶部。斜撑受力大于支护桩受力,说明基坑三角土体开挖完后,斜撑承担了大部分被动土压力,支护桩所承受的被动土压力相对减少,对控制基坑变形具有重要作用。桩的计算位移值与紧靠挖孔桩外侧布置的测斜管现场实际监测的位移变形规律十分吻合,说明弹性地基梁杆系有限元计算较好地模拟了支挡结构的变形和内力状态,据此进行的支护设计可以有效保证基坑和周边建筑物的安全。图 7?计算得出的支护柱与斜撑弯矩分布在不考虑斜撑作用的情况下采用瑞典条分法进行基坑开挖整体稳定安全系数的试算,得到稳定安全系数 Ks=1.603。满足现行规范对于临时性基坑支护结构的整体稳定性安
15、全系数 K?1.3的要求,考虑斜撑结构对土体的支护作用后,整体稳定性安全系数将略有增加,可以有效保证了基坑和周边建筑物的安全。4?结 论(1)本文运用弹性地基梁有限元和瑞典条分法对济南市恒隆广场深大基坑工程斜撑支护开挖过程进行了计算分析,获得了支护桩体和斜撑的位移及弯矩分布整体呈现中间大、两头小的变化规律以及基坑整体安全稳定性系数,模拟计算结果符合实际情况,对以后类似基坑工程具有一定的借鉴意义。(2)目前,济南恒隆广场深大基坑土方开挖已基本完成,计算桩体位移和监测值满足规范要求,通过对比分析,有效验证了济南恒隆广场深大基坑采用支护桩加斜撑挡土、四周旋喷帷幕止水结合坑内降水的复合支护设计型式是安
16、全可靠的。参考文献:1?许德馨,唐传政,彭汉发等.?中心岛法?斜支撑基坑开挖坡比探讨 J.城市勘测,2008,157-160.2?包旭范,庄丽,吕培林.大型软土基坑中心岛法施工中土台预留宽度的研究 J.岩土工程学报,2006,(10).3?吕鸿斌,赵留记.复合土钉墙基坑稳定性分析 J.东北水利水电,2008,(5).4?龚晓南,高有潮.深基坑工程设计施工手册 M.北京:中国建筑工业出版社,1998.(编辑:徐诗银)M onitoring analysis and stability evaluation of deep foundationpit excavation of high stru
17、ctureYANG Jia,ZHANG Qiangyong,L IU Dejun,ZHANG N ing,DUAN Kang(Geotechnical and StructuralEngineering Research Center,Shandong University,Jinan 250061,China)Abstract:?A i m ing at the composite support structures-row-piles and slanting braces adopted for the deep excavation ofHen-glong P laza,the el
18、astic foundation bea m finite ele ment and Sweden SliceM ethod are used for unit and overall calculation and a-nalysis.The distribution la w of displacement and stress of the supporting piles and braces aswellas the overall security and sta-bility factor of the pit are analyzed,and comparedw ith the
19、monitoring data.The analyzed results agree wellwith the measureddata and the design of foundation support is effectively validated safe and reliable and is valuable to si m ilar foundation pit project.K ey words:?deep foundation pit;supporting pile;slanting brace;elastic foundation bea m;stability calculation;foundationmonitoring93