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桩基坑墙式支护计算分析方式

385 2021-10-25 14:50:59

概述

由于施工场地狭窄、地质条件较差、基坑较深或需严格控制基坑开挖引起的变形时,应采用桩墙式支护(排桩或地下连续墙)。

桩墙式支护结构由围护墙结构及支撑系统组成。常用形式有悬臂式、内撑式和锚拉式。

围护墙结构分桩排式结构和墙式结构。桩排式结构的常用桩型有钻孔灌注桩、沉管灌注桩、人工挖孔桩、板桩等;墙式结构的常用型式有现浇式或预制的地下连续墙。

本节主要介绍桩墙式支护目前常用的计算模式及需要验算的内容。

3.4.2 悬臂式支护静力平衡法(Blum 法)

假设围护墙在土压力作用下绕坑底以下不动点 C转动,C 点以上围护墙迎坑面一侧土压力为被动土压力,另一侧为主动土压力,C点以下则相反,迎坑面一侧为主动土压力,另一侧为被动土压力。计算简图见图3-10。

围护墙的插入深度及墙身内力可根据墙身外力及力矩的平衡,由平衡方程3-34求得。

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围护墙的设计插入深度可视工程情况乘以1.1~1.3的经验调整系数。

图3-10 悬臂式支护结构分析简图(Blum法)

以上计算需要求解四次方程,往往需要经过迭代计算,计算量较大,也可以采取以下简化算法。

悬臂式围护结构的最小嵌固深度t可按顶端自由、嵌固段下端简支的静定结构计算如图3-11所示,由下式通过试算确定∶

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3.4.4 弹性地基梁法

1.简介

等值梁法基于极限平衡状态理论,假定支挡结构前、后受极限状态的主、被动土压力作用,不能反映支挡结构的变形情况,亦即无法预先估计开挖对周围建筑物的影响,故一般仅作为支护体系内力计算的校核方法之一。基坑工程弹性地基梁法则能够考虑支挡结构的平衡条件和结构与土的变形协调,分析中所需参数单一且土的水平抗力系数取值已积累一定的经验,并可有效地计入基坑开挖过程中多种因素的影响,如作用在挡墙两侧土压力的变化,支撑数量随开挖深度的增加而变化,支撑预加轴力和支撑架设前的挡墙位移对挡墙内力、变形变化的影响等,同时从支挡结构的水平位移可以初步估计开挖对邻近建筑物的影响程度,因而在实际工程中已经成为一种重要的设计方法和手段,有较好的应用前景。

基坑工程弹性地基梁法取单位宽度的挡墙作为竖直放置的弹性地基梁,支撑简化为与截面面积和弹性模量、计算长度等有关二力杆弹簧,一般采用图 3-13 的两种计算图式。在图3-13(b)中,基坑内外侧土体均视作土弹簧。该计算图式便于对土压力从两侧受静止压力的基准状态开始,在主动土压力和被动土压力范围内反复调整计算,考虑了挡墙两侧土压力与变形之间相互作用的影响,因此被称为共同变形法,由日本的森重龙马首先提出。弹性地基梁法中对支挡结构的抗力(地基反力)用土弹簧来模拟,地基反力的大小与挡墙的变形有关,即地基反力由水平地基反力系数同该深度挡墙变形的乘积确定。按地基反力系数沿深度的分布不同形成几种不同的方法。图3-14 给出地基反力系数的五种分布图式,用下面的通式表达∶

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2.墙后作用荷载

对干正常固结的黏性土、砂土等,一般认为弹性地基梁法是目前较好的近似计算方法,但仍存在如何处理墙后作用荷载的问题。对于通用的弹性地基梁法有如图3-15所示四种土压力模式,目前通常采用图3-15(b)所示的土压力模式,即在基坑开挖面上作用主动土压力,常根据朗肯理论计算,而开挖面以下土压力不随深度变化。在土质特别软弱地区,图3-15(c)的土压力模式也被用于挡土结构的内力及变形分析。图3-15(a)的模式则适用于挡墙基本不变形或变形很小的基坑工程。

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上式可以按有限差分法的一般原理求解,从而得到挡墙在各深度的内力和变形。关于有限差分法解题的原理,这里不再赘述。

2)杆系有限单元法

利用杆系有限单元法分析挡土结构的一般过程与常规的弹性力学有限元法相类似,主要过程如下∶

(1)把挡土结构沿竖向划分为有限个单元,其中基坑开挖面以下部分采用弹性地基梁单元,开挖面以上部分采用一般梁单元或弹性地基梁单元,一般每隔1~2m 划分为一个单元。为计算方便,尽可能把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支撑或锚杆的作用点处,各单元以边界上的节点相连接。支撑作为一个自由度的二力杆单元。

(2)由各个单元的单元刚度矩阵经矩阵变换得到总刚矩阵,根据静力平衡条件,作用在结构节点的外荷载必须与单元内荷载平衡,外荷载为土压力和水压力,可以求得未知的结构节点位移,进而求得单元内力。其基本平衡方程为∶

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