考虑圈梁空间效应的支护桩计算.PDF

文章编号 10002588920010320078203 考虑圈梁空间效应的支护桩计算 朱彦鹏1,褚 玲2,王志豪1,杨文侠2 1. 甘肃工业大学 建筑工程学院,甘肃 兰州 730050; 2.中国建筑西北设计研究院,陕西 西安 710003 摘要通过对压顶圈梁与支护桩空间协同作用的分析,建立圈梁与支护桩协同工作的简化计算模 型,应用有限单元法将圈梁对支护桩的约束作用进行研究,对二者的相互作用提出了新的分析方 法. 关键词圈梁;支护桩;单层多跨框架;有限单元法 中图分类号 TU476 文献标识码 A Design of retaining pile with consideration of spatial effect of top beam ZHU Yan2peng1, CHU Ling2, WANG Zhi2hao1, Y ANGWen2xia2 1. College of Civil Engineering , Gansu Univ. of Tech. , Lanzhou 730050 , China ; 2. China Construction Design Institute , Northwestern Branck , Xi’an 710003 , China AbstractBy analyzing spatial interaction between top beam and retaining pile , a simplified model of associated work of top beam and retaining pile is developed. Using finite element , the constraints that the top beam imposes on the retaining pile are investigated. A new analysis of interaction between top beam and retaining pile is proposed. Key words top beam; retaining pile ; unilayer moltispan frame ; finite element 目前,在工程中常用造价较低的单排混凝土灌 注桩对基坑进行支护.在基坑开挖深度7～12 m 时[1],为了保证排桩的刚度和承载能力,通常在桩顶 设置一道断面尺寸较大的圈梁.工程实践表明,合理 设置圈梁可以改善每根桩的受力性能和变形状态, 对减小桩身位移起到一定作用.但是在工程实践中, 只把圈梁作为一种安全储备,按 建筑基坑支护规 程 进行设计[3],从而造成设计的不合理及工程造价 的提高.本文提出把圈梁和桩的相互作用按多跨框 架结构设计的计算模型,分析了圈梁支护桩的空间 约束作用. 1 考虑圈梁效应的简化计算 1. 1 圈梁2支护桩相互作用的模型 收稿日期 2000212225 基金项目甘肃省自然科学基金资助项目 ZR 2942 041 作者简介朱彦鹏19612 , 男,甘肃庆阳人,教授. 现取出部分支护桩和圈梁结构,简化成模型框 架结构进行结点、 单元的划分,如图1所示. 图1 单层多跨框架结点单元划分计算模型 1 基本假定 1开挖面以上支护桩按照平面杆系计算,开 挖面以下按照弹性地基梁计算; 2不考虑圈梁对支护桩的扭矩作用; 3支护桩背土压力按分层土压力计算,每根 桩的土压力相同,如图2所示. 第27卷第3期 2001年9月 甘 肃 工 业 大 学 学 报 Journal of Gansu University of Technology Vol.27 No.3 Sept.2001 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图2 第i根桩的分层荷载计算 2 第i根桩的有限元分析 支护桩分析和设计采用有限单元方法[2],将支 护桩沿竖向划分为有限个单元,其中开挖面以上按 一般梁单元划分、 计算刚度,开挖面以下按弹性地基 梁计算,如图3所示.在基坑开挖面下,必须采用一 图3 第i根桩总力的P2x编码和单元的内力包括土弹簧 个合理的ks土的基床反力模量值进行计算.对于 非线性土体,可按与弹性地基梁相同的方法对过大 变形的支护桩进行修正,即移去土 “弹簧”,在P矩 阵中添加一个值为FKXmax的负力.当指数n大于 零时,基坑开挖面下第一结点处ks的集度系数K 或建立土体弹簧常数的方法稍有变化.本文根据 抛物线分布假定进行计算,它对于线性变化或按二 次抛物线变化的土体模量都有效. K1 BL 24 7k s1 6ks2-ks3 Kn BL 24 7ksn6ks n- 1- ks n- 2 Ki BL 12 k s i- 110ks i ks i 1 其中,B为桩径,L为单元长度. 计算土的基床反力模量ks,可用下式 ks As BsZn 式中 AsC cNc 0.5γBaNγ BsCγNq Nqeπtantan245/2 Nc N q- 1tan Nγ 1.5 N q- 1tan 其中,c为土的粘聚力, 为土的摩擦角,q为附加 荷载,γ为土的容重,Ba为单位宽度, C 40 kPa ,Z 为开挖深度. 1. 2 圈梁的简化计算 设基坑某一边长为l ,支护桩数目为n.圈梁按 照两端固结的多跨连续梁计算.由于圈梁对支护桩 的空间约束作用,减小了第i根桩的桩顶位移x1.设 圈梁与第i根桩顶部连接处的位移为u1 ui ∑ n j 1 δijFi i , j 1,2,⋯ , n 式中 δij为第j个单位水平力 F j 1单独作用时, 圈梁与第i根桩顶部连接产生的位移.由变形协调 条件,第i根桩的顶点位移xi1与ui相条[4],得 Xi1 ui 所以 Xi1 ∑ n j 1 δijFi i , j 1,2,⋯ , n 1. 3 问题的解答 1 边界条件的引入 1第1根桩和第n桩的顶点位移为0 ; 2每根桩的最后结点按固端考虑,位移为0. 2 本文根据上述模型编制了计算支护桩桩身 弯矩和桩顶位移的计算应用程序BOF ,用以计算 桩的位移、 内力并对桩的嵌固深度进行调整. 2 工程实例分析 2. 1 工程概况 某高层写字楼的基坑深12. 0 m ,周围采用井点 降水.支护桩及桩周土性质参数见表1和表2.支护 方案如下从原始地面标高- 3. 00 m至悬臂桩顶 标高- 10.50 m ,采用1∶0. 33的放坡,坡体中部设 一平台,坡面支挂 6 200钢筋网,喷筑200 mm厚 的混凝土一道,由于场地存在高坎,因此在局部较深 基坑两边的悬臂桩顶浇柱圈梁,而另外两边的悬臂 桩不考虑圈梁进行约束. 2. 2 悬臂桩考虑圈梁支护、 改变圈梁刚度与不考虑 圈梁支护时,根据支护桩应用计算程序BOF ,对桩 97第3期 朱彦鹏等考虑圈梁空间效应的支护桩计算 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 位移曲线和弯矩曲线计算结果进行比较,如图4及 图5所示. 表1 支护测试桩情况 成桩工艺机械钻孔灌注桩 截面形状圆形 桩径/ mm800 测试时间1997.81997.10 混凝土强度等级C20 配筋822 1218 混凝土保护层厚度/ mm500 基坑长/ m50 桩长/ m12 灌入深度/ m5.4 基坑深度/ m6.6 卸载高度/ m1.2 表2 桩周土性质参数 密度/ kg m- 3 粘聚力/ kPa 内摩擦 角 / 平均含水 量/ 16.781524.211.6 图4 桩长12 m ,基坑深6.8 m时2号桩的位移曲线 图5 不同状况桩身节点弯矩对照曲线 2. 3 悬臂桩考虑圈梁、 改变圈梁刚度与不考虑圈梁 支护时,支护边在各种状况下桩顶位移曲线计算结 果比较如图6所示. 图6 圈梁位移曲线对照 3 结论 1 悬臂桩考虑圈梁后,桩身弯矩值变大,最大 弯矩处深度下降;且圈梁刚度越大,弯矩值越大. 2 考虑圈梁后的悬臂桩,对应结点处位移减 小,在开挖面之上减小较大,但随着桩身长度的增 加,位移值的减小逐渐变得不明显;圈梁刚度越大, 位移曲线的曲率变得越小. 3 悬臂桩的桩顶位移曲线变化较大,尤其在位 移最大处,有明显的尖点;悬臂桩考虑圈梁后,位移 曲线变得平滑,对中间桩的位移起到明显的约束作 用,圈梁刚度越大,这种约束作用越明显. 4 在实际的工程应用中,要根据具体合理确定 圈梁两端的约束条件,才能更好地与实际桩的变形 拟合;根据支护边的长度合理选用圈梁的刚度,可有 效控制中间桩顶处的变形. 参考文献 [1] 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. [2] J E鲍尔斯.基础工程结构分析及程序[M].北京中国 铁道出版社,1982. [3] JG J 120 - 99 ,建筑基坑支护规程[S]. [4] 朱彦鹏,王秀丽,于 劲,等.悬臂式支护桩内力的实验 研究[J ].岩土工程学报,1999增刊 . [5] 朱彦鹏,于 劲,王秀丽,等.土压力作用下悬臂式支护 桩内力的试验研究[J ].甘肃工业大学学报,1999 ,25 1 78283. 08 甘肃工业大学学报 第27卷 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.