深基坑桩锚支护设计与数值模拟

来源: www.sblunwen.com 作者:vicky 发布时间:2015-06-29 18:16 论文字数:42585字
论文编号: sb2015062811081613112 论文地区:中国 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文 论文价格: 150
本文是建筑论文,本文章依邯郸市某深基坑实际工程为例,采用理正软件计算与 MIDAS/GTS有限元软件做数值模拟,采用摩尔-库伦土体模型,建立三维模型。分析了支护桩的位移、土体的位移、锚
第1章 绪论

1.1基坑研究背景及意义
1.1.1 基坑研究背景
高层建筑地下储藏间、商场负一层的大型停车场、防空洞以及铺设的地下管线等地下工程的修建,需要开挖一定量的土方,形成一定大小的地下空间以满足实际工程的需求。基坑开挖后构成的周围的临空面便是基坑侧壁。由于基坑的开挖必然会对基坑周边土的应力、应变状态产生不同程度的变化,必然会影响到周边构筑物、地下管道、道路等。为防止地下主体结构和周边环境遭到破坏,对基坑采用临时支挡、加固、保护与地下水控制的方法就是基坑支护。
改革开放后,中国的经济快速增长,都市化进程加快人口数量飞速增长,造成了城市拥挤。为减轻城市交通堵塞以及充分利用地上空间,高层(或超高层)建筑以及地铁必然成为城市化不可缺少的部分,不但数量越来越多,并且高度也越来越高,地铁线路将会更加复杂。如今一幢幢高层建筑在全世界各大城市拔地而起,例如 2014年建成的高塔迪拜塔高达 818 米,纽约世贸到达了541.3 米,深圳平安国际金融 center 高达 588 米,台北101 大楼高达 508 米,以上高层建筑已成为世界百座超级巨厦之一。高层建筑越高、地铁线路越复杂,则对地下工程的要求也就越高。据全国统计来看,现如今不仅基坑工程越来越多,而且基坑的规模也越来越大。从开挖面积上看,可以达到 2-7 万平方米,例如:上海市中盛开挖面积大,开挖面积达到 50000 平方米,上海虹桥是一个重要的交通枢纽,开挖面积最大,达到 340000平方米;迄今为止深基坑已经遍及城市的各个角落,基坑开挖深度深达20m以上,比方天津津塔挖深 23m。

1.2 深基坑国内外研究现状
1.2.1 深基坑国内研究现状
中国深基坑施工技术发展缓慢,20世纪80年代前,国内只有少数的高层建筑拥有地下室,并且大多数为一层,基坑深小于 5m,基本就是采用简单的放坡开挖就解决问题,没有系统的理论给予支持;到 20 世纪 80 年代,由于高层建筑大量的出现,地下两层开始出现在人们的面前,开挖深度一般在 8m 左右,为数不多的已经超过 10m;进入 20 世纪 90 年代后,在我国改革开放和经济不断增长的有利的形势下,深基坑支护工程迅速发展,全国各地修建了大量大型地下市政设施、地下车库等,地下室的层数逐步增多,基坑开挖深度大于 10m 的已再也不新颖。随着埋置深度越来越深,因此对基坑工程的要求越来越高。 特别是近年来人防、地铁、地下停车场、堆栈、变电站等大量工程的修建,都市地下空间开挖工艺得到了很快的成长和进步。我国城市地下工程先后采用了明挖法、暗挖法、盖挖法、盾构等方法,不断的促进了建筑行业包括施工工艺以及建筑材料的发展。随着建筑行业的不断发展,建筑施工过程中出现的问题也越来越多,这给建筑施工、特别是城市中心区的建筑施工带来了很大的困难。
深基坑工程发展迅速,深基坑深度越来越深。随着国民经济的不断发展,经济的腾飞不仅带动科技的发展,而且也促进了岩土工程界深基坑支护形式的多样化。比如常见的深基坑支护形式有放坡开挖、逆作法、土钉墙支护、地下连续墙支护、内支撑支护、桩锚支护等等。开挖基坑越深,基坑设计越复杂,基坑施工将会面临的问题也会越多。如今现在深基坑工程不仅仅要考虑支护结构的变形问题,而且要考虑基坑的整体稳定性。并且在对深坑设计计算的基础上,运用有限元软件对基坑支护工程进行数值模拟,通过对模拟结果进行分析可以预知今后施工过程中可能发生的问题,因此可以防患未然。

第2章 桩锚支护理论分析

2.1 桩锚支护体系的构成
桩锚支护结构其主要特点是采用锚杆提供支护结构水平方向的拉力,使得支护结构水平方向的位移以及支护结构内力得以削减,进而控制基坑的变形在所允许的范围内。同时也使得支护桩的悬臂长度不至于过长,降低工程造价。
桩锚支护体系主要由支护桩、锚杆、冠梁和腰梁等组成,在基坑地下水位较高的地方,支护桩后还需要形成止水帷幕等,它们之间即有相互作用又相互影响,因此形成一个有机整体。
支护桩是防止坡体向基坑内部产生较大位移,使得基坑变形在设计允许的范围之内,支护桩的类型包括人工挖孔灌注、预应力管桩、钢板桩、水泥搅拌桩。影响支护桩变形的主要参数包括:桩底的嵌固深度、桩身混凝土强度和配筋环境、支护桩间距等;锚杆锚固系统是指能够为支护结构提供水平方向的力,并且能够改变支护桩受力性能的支撑结构,设计时要确定锚杆层数、锚杆的水平间距与竖向间距。锚杆锚固系统详细的参数有:锚杆自由段的长度和锚固端的位置、锚杆的射入角度、锚杆的型号类别、以及锚杆的预应力大小。

2.2桩锚支护结构的特点
桩锚支护结构有其本身特有的特点,与地下连续墙相比工程造价低廉很多,并且工艺成熟便于施工。与重力式支护结构相比较,更能符合现代对深基坑深度的要求,还有就是比内支撑结构更能适应环境的需要,并且环保方面会更好,造价低。因此在能够起到相同支护作用的前提下,优先选用桩锚支护结构。支护结构主要是承受压力以及弯矩为主,所以一定要选择适合的桩直径以确保支护结构具有足够的抗弯能力与抗压能力。支护桩主要由冠梁、腰梁、锚杆等构成。1)冠梁在支护桩顶部位置可以将支护桩联接为一个整体,这样可以有效的控制支护桩的变形。冠梁通过传递剪力以调整桩与桩之间的力的分配,当锚杆通过冠梁时候,支护桩上的力通过冠梁传递给锚杆,进而传递到深层的土体中,由于冠梁施工是二次浇注,因此施工需要注意对剪力薄弱处严格要求,防止出现冠梁不传递剪力的效果。2)腰梁通常采用槽钢或工字钢,腰梁与支护桩应该牢固连接以起到传递剪力的效果。3)锚杆锚固在不变土层以取得充足的轴向抗拔力,锚杆主要包括锚杆自由锻、锚固段、注浆体、以及锚具等部分。锚杆主要是以承受拉力为主,锚固段对锚杆承载力起到关键作用。控制锚杆承载力大小变化的主要因素:1)锚固体对钢筋的握裹力;2)锚孔与锚固体接触的土体对锚固体的摩阻力;3)钢筋的抗拉强度。锚杆承载力主要由锚固体与土体之间的摩阻力来控制,原因是锚固体对钢筋的握裹力远大于锚固体与土体之间的摩阻力。一旦承载力确定后,再根据承载力设计钢筋的截面。桩锚支护设计优点如下:1.根据桩锚支护结构进行设计时,施工作业场地宽敞,给支护结构的施工提供有利的施工空间,更大程度上方便施工;2.施工过程中,为了有效的控制支护桩的位移以及弯矩的最大值,应根据设计要求对锚杆施加一定数值的预应力。从而使桩的嵌固深度和配筋量有所减少,同时造价相应减少;3.桩锚支护体系其最大的特点是基坑支护结构内支撑被锚杆所取代了,锚杆起到了将护坡桩拉住的目的,以达到减小护坡桩的内力和位移,使基坑的变形控制在规范做要求的范围内,从而使得支护桩安全稳定。桩锚支护体系虽然有点突出,但也有弊端。例如:1.如果实际工程中土层环境较差,锚杆锚固段不能够与土层紧密结合,因此锚杆也就不能够起到支撑的效果。2.所处环境复杂情况下,由于基坑周围存在构筑物、地下管线等地下设施较为复杂,锚杆的施工就会受到一定的限制。因此应根据所处环境因地制宜,充分发挥桩锚支护的优势。

第3章 桩锚支护设计计算方法....................12
3.1土压力计算理论.................12
3.1.1 朗肯土压力理论........................12
3.1.2 库仑土压力理论.................14
第4章 桩锚支护结构理正软件计算与分析.................32
4.1工程概况......................32
4.2场地位置以及地形地貌.......................32
第5章 MIDAS 建模分析...........48
5.1MIDAS/GTS有限元软件简介.................48

第6章 桩锚支护GTS 数值模拟及对比分析

6.1土体应力
土体水平方向的应力与土压力在这里是等同的。所以,可以通过土体SXX 分布云图来观察开挖前后土压力的具体分布情况及变化情况。三维土体SXX 云图见图 6-1、图6-2。

由上图 6-2 可以看出:初始地基应力阶段也就是土体未开挖状态,土体 X 方向上的应力变化不大。开挖后由于锚杆的应力的作用,使得基坑侧壁出现凹凸不平状态,局部突起。但是位移均不大。开挖前后相比,开挖前同一深度的土压力相对分布比较均匀,开挖后,同一深度内开挖后土压力增大,说明最终留下的土体对基坑内侧产生了很大的土压力,由开挖后的土压力分布图与第四章理正计算的桩体位移变化规律基本相一致。可见,数值模拟水平应力分布是合理的。

结论与展望

结论
本文章依邯郸市某深基坑实际工程为例,采用理正软件计算与 MIDAS/GTS有限元软件做数值模拟,采用摩尔-库伦土体模型,建立三维模型。分析了支护桩的位移、土体的位移、锚杆的轴力以及桩间距对土体位移以及桩体位移的影响。通过观察分析结果得出以下结论:
1.与理正软件计算结果对比,得出利用MIDAS/GTS进行数值模拟是可行的。
2.基坑开挖前,同一深度的土层中土压力分布相对均匀。基坑开挖后,土压力集中分布在基坑壁中间部位,在基坑壁两端较小。
3.基坑刚开挖时,支护桩的位移主要发生在支护桩桩顶,随着进一步的开挖,位移开始转移到桩身的中部以下,大概在基坑开挖深度的 3/4。
4.锚杆轴力在自由段存在最大值且变化幅度小,锚杆侧阻力在锚固段增加,因此锚杆轴力在锚固段相应递减。
5.在控制桩体和基坑变形上,第一排锚杆的作用较为明显,第二排锚杆起到的作用较小,第三排与第四排锚杆起到的作用微乎其微。因此进行桩锚支护的设计时在保证基坑稳定性和不影响周围环境的前提下,可以通过适当的放宽后两排锚杆的间距或者缩短后两排锚杆的锚固段长度来降低造价。
6.通过对支护桩桩间距对比知,超出一定范围内的桩间距将会使得土拱作用不明显,并且将会使得土体的位移不断增大。支护桩的受力进一步增大,使得支护桩变形增大。
参考文献(略)

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