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深基坑排桩支护形式及设计方案优化

2021-01-04 13:27:29
       【摘 要】研究国内外关于排桩支护发展的基础上,对排桩支护形式进行分类总结;基于基坑工程知识和经验,分析深基坑设计系统的特点,即是一个由时间维、逻辑维和方法维组成的三维系统,从安全可行、经济合理等方面对深基坑工程方案优化。 
       【关键词】排桩支护形式;方案优化设计 
       随着社会的发展,城市建设变的越来越具有挑战性,同时出现大量的深基坑工程。由于周边环境的复杂性和未知性,使其成为一个高风险、高难度的热点问题。 
       排桩支护作为一种挡土结构,它是由钻孔灌注桩、沉管灌注桩、钢筋砼人工挖孔桩成队列间隔布置。排桩支护是深基坑支护的一个重要组成部分,在工程中已得到广泛应用。它随着科学技术的发展、随着时代的需要而产生;随着岩土工程,结构工程,环境工程的不断发展而发展;随着工程力学,计算方法,材料科学的发展,其受力特性将更加明确,形式将更加多样。 〉〉探讨暖通空调设计方案问题
       1 排桩支护国内外研究现状 
       为了把排桩支护结构技术更好地应用到工程中,人们对排桩的工作性能进行了深入的探讨和研究。研究手段包括理论研究、数值分析和室内外实验研究等几个方面,重点对排桩内力、排桩变形、稳定性和排桩相互作用及优化设计等方面进行了分析探讨和分析。 
       吴铭炳[1]根据福州软土基坑应用排桩支护结构的原位测试结果,分析总结了排桩支护结构实际受力变形特征,对比了不同理论计算结果与实测结果的异同[1];Phili S K [2]等分析了有桩顶约束的群桩效应;许锡昌,陈善雄,徐海滨[3]以矩形基坑悬臂排桩支护结构为研究对象,通过分析现场实测数据和数值计算,归纳出了冠梁和支护桩的空间变形模式,建立了整个支护系统的能量表达式。利用最小势能原理,推导了基坑中部桩顶最大位移的解析解,分析了各主要支护参数对该位移的影响。研究结果表明,桩顶最大位移随坡顶超载和桩间距的增大基本呈线性增大趋势;当嵌固深度系数逐渐增大时,桩顶最大位移也逐渐增大,但趋势渐缓;基坑长度对其影响也较大,当基坑长度超过一定数值后,最大位移值趋于稳定。最后利用所得的研究成果对某基坑进行了验证,并与现场实测结果进行了对比,计算结果能够满足工程要求。 

       刘奋兴[4]根据现行规范对单层支点排桩结构的各种受力分析,应用数据处理软件excel,编制了一套专用的计算程序,解决了工程设计中需反复试算的大量计算量,准确计算了支护结构支点力及嵌固深度。桩顶圈梁协调了桩与桩之间的协同工作,但尽将圈梁作为一种安全储备造成一种浪费。何建明、白世伟[5]以圈梁两端固定为假设条件,建立了深基坑排桩一圈梁支护系统空间协同作用的计算模型与方法。莫海鸿、杨剑维、孙亮、姚朝军[6]根据空间杆系有限元方法,建立了排桩支护结构的计算模型.分析了切向平面内圈梁对支护桩结构变形,内力的影响和法向平面内基坑的几何尺寸效应。林雪梅[7]结合具体工程探讨软土地基排桩支护的优化设计并对监测的结果进行分析,包括:方案优选、支撑点位置的优化、支撑结构体系的确定、监测排桩钢筋应力、土压力、排桩水平位移。 


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       2 排桩支护结构的基本理论及计算方法 
       下面主要介绍悬臂式排桩围护的计算和单支点排桩围护的计算[8-9]。 
       2.1 悬臂式排桩围护的计算 
       2.1.1 静力平衡法 
       静力平衡法是一种古典的基坑设计计算方法。基本原理是单位宽度板桩墙两侧所受的受侧向主动、被动土压力作用而达到受力平衡状态,板桩墙则处于稳定,相应的板桩入土深度即为板桩保证其稳定性的最小入土深度,可根据静力平衡条件和对桩底截面的力矩平衡方程联合求解得到,见图1。同时还可以验算围护结构插入深度是否满足整体稳定、抗隆起稳定和抗管涌稳定的要求。 
       2.1.2 布鲁姆(Blum)法 
       H.Blum建议将原来柱脚出现的被动土压力以一个集中力代替,如图2所示。根据图中的土压力分布,从而计算其入土深度及内力。 
       2.2 单支点排桩围护的计算 
       2.2.1 等值梁法 
       桩入坑底土内有弹性嵌固与固定两种。等值梁法把桩当做一端弹性嵌固另一端简支的梁来研究。计算桩的入土深度、支撑反力及跨中最大弯矩。计算简图如图3。 
       3 排桩支护各种形式及特点 
       基坑开挖时,对不能放坡或由于场地限制不能采用搅拌桩围护,开挖深度在6-10米左右,即可采用排桩围护。排桩支护可采用钻孔灌注桩、人工挖孔桩、预制混凝土板桩或钢板桩[10]。按基坑开挖深度及支挡结构受力情况,分为以下几种 
       3.1 无支撑(悬臂式)排桩支护结构 
       悬臂式支护结构适用于基坑开挖深度不大,不超过l0m 的粘土层,不超过5m的砂性土层,以及不超过4-5m的淤泥质土层。关键是严格控制支护深度。结构简单,施工方便,有利于基坑采用大型机械开挖。 
       3.2 单支撑支护结构 
       基坑开挖深度较大,不能采用无支撑围护结构,可以在围护结构顶部附近设置一单支撑。提高其抵抗土压力的能力,以达到设计计算要求。关键点在于确定桩的入土深度以及支撑的位置,达到经济合理的效果。 
       3.3多支撑支护结构 
       当基坑开挖深度较深,可以设置多道支撑,以减少挡墙的内力。此支护形成适用于地质条件相当复杂,周围环境要求很高,存在很大未知性,所以需要增加其抗力,以保证基坑的安全性以及周围环境不受影响。 
       4 深基坑支护方案设计优化 
       一个好的设计方案,不仅需要设计达到稳定要求,而且要经济合理。因此深基坑设计应在了解相关确定性和不确定性因素的基础上,寻找最佳设计方案,保证基坑周边环境的安全和功能使用需要。现阶段主要存在的问题有:1设计和施工不当造成经济损失;2支护选型和设计保守造成资源让费。 
       深基坑是一个多学科交叉的工程,在了解具体要求和周边环境的基础上,需要用到地质学、土力学、结构力学等设计知识。基坑的设计和施工是保证基坑稳定的关键,只有根据现场情况选择合适的支护形式以及计算方法,才能取得预期的效果。同时,深基坑设计是一个系统问题,需要考虑时间、逻辑思维和方法各种问题。按照时间顺序,进行目标分析及设计施工,确定逻辑步骤,综合评价。 深基坑是一个系统的工程,应该按时间顺序,对整个过程的思路进行分析优化。在形成基本设计方案的基础上,不断进行优化,同时对一些技术方面的措施,提高其能动性,最后是施工方法的优化创新,能够针对不同的环境和未知性,因地制宜,分析优化。方案设计是深基坑设计关键一步,通过概念设计,形成一个决策过程;岩土工程最大的魅力在于其未知性和不确定性,因此可以在采用类比法的基础上,更要有创新精神,不仅是设计思路,还有施工方法上,现阶段深基坑工程还是一个通过实践积累经验的阶段,应该在保证安全的前提下,大胆尝试,勇于创新。研究大量的实例,分析其原理,从基本概念出发,对深基坑支护体系优化,优选设计方案,面向特定深基坑所要解决的问题,着眼于工程判断、方案筛选[11]。 
       5 结论 
       随着城市建设发展,基坑设计难度越来越大。对于选择支护形式,提高基坑支护水平,优化设计方案已经成为非常重要的问题。深基坑是一个多学科交叉的工程,应从定性概念出发,选择支护形式及方案,通过大量实践,对其不断进行优化。同时,基坑是一个由时间维、逻辑维和方法维组成的三维系统,因此在基于基坑排桩支护形式研究的基础上,进一步对深基坑设计方案进行优化是非常有必要的。对于基坑设计有一定的指导作用。 
       参考文献: 
       [1] 吴铭炳 , 软土基坑排桩支护研究[J] , 工程勘探, 2001, 20(4), 24-30. 
       [2] Philip.S.K Simplified Lateral Analysis of Fixed-Head Piles and Pile Groups. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, 2004, 124(8): 718~726. 
       [3] 许锡昌,陈善雄,徐海滨, 悬臂排桩支护结构空间变形分析[J],岩土力学, 27(2), 45-51. 
       [4] 刘奋兴, 排桩支护结构嵌固深度分析及计算机应用[J], 第十届全国工程设计计算机应用学术会议论文集广东.广州2000. 
       [5] 何建明 白世伟, 深基坑排桩--圈梁支护系统空间协同作用的简化分析方法[J], 第三届全国青年岩土力学与工程会议论文集,南京1998年4月. 
       [6] 莫海鸿, 杨剑维, 孙亮, 姚朝军, 考虑切向平面效应的支护桩结构空间分析[J], 工程力学,增刊2001. 
       [7] 林雪梅, 软土深基坑排桩支护的优化设计和监测[J], 工程力学 增刊2002. 
       [8] 陈忠汉, 程丽萍, 深基坑工程[M], 机械工业出版设. 
       [9] 余志成, 施文华, 深基坑支护设计和施工[M],中国建筑工业出版社. 
       [10] 滕德宾等, 深基坑支护方案设计与施工, 第二届全国岩土和工程学术大会论文集. 
       [11] 徐杨青.深基坑工程设计的优化原理与途经[J].岩石力学与工程学报,2001,20(2).

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