深基坑环梁支护结构的性状分析

2009年6月四川建筑科学研究SichuanBuildingScience　

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深基坑环梁支护结构的性状分析

曾律弦

1,2

,潘　泓,肖四喜

21

(1.湖南理工学院土建系,湖南岳阳　414006;2.华南理工大学土木工程系,广东广州　510640)

摘　要:环梁支护结构包括支护桩、压顶梁、环梁及内支撑和竖向支柱等,空间作用明显。针对结构体系内力、变形较为复杂,而其内力、变形特性在工程应用中极为重要的情况,将环梁支护结构体系假设为在水、土压力和地面超载等荷载作用下、由桩和环梁等构成的空间体系,进行整体分析和计算。通过一个典型空间分析模型,重点探讨了环梁抗弯刚度、压顶梁刚度、水平支撑系统的竖向位置等因素对这种支护结构内力、变形性状的影响规律,得出了一些对该种支护结构研究及工程应用较有价值的结论。

关键词:深基坑;环梁;支护结构;性状分析

中图分类号:TU463　　　文献标识码:A　　　文章编号:1008-1933(2009)03-115-04

Analysisonbehaviorofringbeamretainingstructuresofdeepfoundationpit

ZENGLüxian

1,2

,PANHong,XIAOSixi21

(1.DepartmentofCivilEngineering,HunanInstituteofScienceandTechnology,Yueyang　414006,China;2.DepartmentofCivilEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou　510640,China)

Abstract:Ringbeamretainingstructuresincludingpiles,topbeams,ringbeams,bracingsandbottomshorepossessobviousspatialcharacter.Becausethebehaviorofinternalforceanddeformationofringbeamretainingstructuresisverycomplexandalsothebaseofapplyingthestructuresonengineering,thestructurewasanalysedasawholespacesystemwithpileandringbeambearingwaterpressure,soilpressureandgroundload.Theinfluencesofsomefactorswhichaffectingthebehaviorofringbeamretainingstructurewereanalysedbyatypical32Dmodel,includingtheflexuralrigidityofringbeam,thestiffnessoftopbeamandthedepthofhorizontalbracingsystem.Theconclusionsarevaluableintheoryandpractice.

Keywords:deepfoundationpit;ringbeam;retainingstructure;behavioranalysis

0　引　言

环梁支护结构属于内撑式支护结构体系的一种,其特点是采用环形支撑替代常规的对撑方式设置的内支撑,既可以提供较大的土方开挖工作空间,又使得结构受力更合理,在基坑工程中得到了较好

[122]

的应用。环梁支护结构一般包括支护桩、压顶梁、环梁及内支撑和竖向支柱等,空间作用明显,结构体系内力、变形较为复杂,一般的平面分析方法如

[324]

等值梁法、弹性法、山肩邦男法和弹性地基梁法已不适用,而目前的三维有限元数值分析方法又仅

[526]

限于常规的内支撑支护结构,因此,对于其受力、变形的特性认识不够全面。工程上往往将其简化为

收稿日期:2007208208

作者简介:曾律弦(1979-),男,湖南岳阳人,硕士,讲师,主要从事岩土工程方面的教学和科研工作。

基金项目:湖南省教育厅科研基金项目(06C382)

E-mail:xianzi226@163.com

常规的支护结构,进行较为保守的分析、设计,未能得到该种支护结构的特性,也就无法发挥其结构受力合理的优势。本文根据此类支护结构体系的特点,对影响其内力、变形性状较大的环梁抗弯刚度、压顶梁刚度、水平支撑系统的竖向位置等因素进行分析,得出了一些较有价值的研究结论,对于该种支护结构的应用具有重要的参考意义。

1　分析模型简介

将支护桩和竖向支柱的支撑桩作为空间桩单元,压顶梁、斜撑、竖向支柱等作为空间梁单[8][9]

元,环梁作为空间曲梁单元来考虑;对于工程中有时为更有效地发挥提高环梁的作用、在环梁与压顶梁之间部分区域设置的连接支撑板,作为板单[8]

元来考虑。环梁支护结构体系作为在主动区水土压力和地面超载等荷载作用下的带桩和环梁的空间框架体系,进行整体分析和计算。其有限元整体分析的模型如图1所示。将所有的桩单元、梁单元

[7]

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和曲梁单元在整体坐标下的刚度矩阵及等效节点荷

载迭加起来形成结构整体的刚度方程,通过编制有

[10]

限元程序求解得到各节点的内力与变形。

撑(环梁)刚度、压顶梁刚度等有关。在其他条件不变的情况下,环梁效应和其抗弯刚度直接相关。本

62

文分别对环梁抗弯刚度为1k(2.42×10kN・m),2k,4k和6k的情况进行了分析。从图3可看出:提高环梁的截面刚度,增强了支护桩在支撑处的水平刚度约束,从而有效地减少支护桩支撑处及桩顶附近的位移,当其刚度从1k增加到4k(约相当于截面尺寸1.6m×1.0m)时,桩顶位移减少了近40%,效果显著,但刚度继续增加至6k时,位移变化不大。此外,由于本基坑的环梁与压顶梁设置在同一水平面,环梁支撑设置的位置较一般支护结构的支撑偏高,因此,对减小支护结构的最大位移效果不明显。从图4可看出:在平面上,提高环梁的截面刚度可使支护结构在基坑中部的桩顶位移明显减小,当环梁刚度从1k增加到4k时,中部的桩顶位移普遍降低30%以上,但刚度继续增加至6k时,变化不明显。在基坑角部(距离基坑二侧角点约15m的范围内),由于单独设置了3个角撑,刚度较大,所以,该处位移受环梁刚度变化的影响不大。从图5可看出:当环梁刚度从1k增加到4k时,环梁最

图1　环梁支护结构体系整体分析模型

Fig.1　Modelofringbeamretainingstructure

应用上述分析模型和计算程序对某环梁支护结构的实际工程进行了计算分析,计算结果和实测结

[1]

果表明,此分析方法较为合理。

2　性状分析

在此基础上,为使本文分析更具有典型性,更好地反映出该种支护结构的特性,选用一个场地土分布均匀、支护结构平面布置对称的基坑作为分析对象,如图2所示。场地土层力学性质指标:γ=17.5

3

kN/m,c=8kPa,φ=10°。基坑平面为正方形,边长50m。地下水位位于地表下1.3m。支护结构形式

大轴力约增加10%,但刚度继续增加至6k时,最大

轴力基本没有变化。

为<800@950钻孔灌注桩加混凝土环形内支撑。开挖深度为9.0m,支护桩入土深度为11m,环梁水平支撑系统位于地面以下1.35m。压顶梁截面尺寸为1.0m×0.7m,环梁截面尺寸为1.2m×0.6m,斜支撑截面尺寸为0.6m×0.6m,竖向支柱的支撑桩为<800。支撑系统和支护桩混凝土强度等级均为C25。由于支护结构和荷载均对称,基坑各边的内力、变形均相同,以下仅给出基坑一边的分析结果。

图3　环梁刚度对中桩位移的影响

Fig.3　Theeffectondisplacementofmiddlepilecaused

byflexuralrigidityofringbeam

图4　环梁刚度对支护结构顶部位移的影响

图2　典型分析模型

Fig.2　Typicalanalysismodel

Fig.4　Theeffectondisplacementofthetopofretaining

structurecausedbyflexuralrigidityofringbeam

2.1　环梁抗弯刚度效应

2.2　压顶梁刚度效应

环梁作用的发挥与工程地质条件、支护桩和支

压顶梁作为连接各支护桩的构件,通过空间分

　2009No13曾律弦,等:深基坑环梁支护结构的性状分析　　　1　　17

×0.7m)较为合理,不会在未设置连接支撑处产生

较大变形。

图5　环梁刚度对环梁最大轴力的影响

Fig.5　Theeffectonthemaxaxisforceofringbeam

causedbyflexuralrigidityofringbeam

图7　压顶梁刚度对环梁最大轴力的影响

Fig.7　Theeffectonaxisforceofringbeamcausedby

stiffnessoftopbeam

析可以比平面分析更直观地探讨其刚度变化对支护

6

结构的影响。取初始抗弯刚度为1k(1163×10

2

kN・m),通过变化压顶梁截面尺寸从而改变压顶梁在水平面的抗弯刚度,变化后的抗弯刚度为0.25k,0.5k,1k,2k,4k。

表1　压顶梁刚度对中桩位移与弯矩的影响

Table1　Theeffectondisplacementandmomentofmiddle

pilecausedbystiffnessoftopbeam

压顶梁刚度中桩位移、弯矩中桩桩顶位移/mm桩身最大位移/mm

桩身最大弯矩/(kN・m)0.25k6.6216.3111190.5k6.616.3511231k6.516.411126

2k6.321129

4k5.971132

从图7可以看出:增加压顶梁刚度可稍稍降低环梁轴力,但影响不显著;且环梁的压应力远低于混凝土的抗压强度,考虑到环梁可将所受到的外荷载主要转化为轴力,说明环梁支护结构的受力形式合理,且对于本文的环梁支护体系布置,即使从环梁强度安全性的角度考虑,压顶梁亦不需设置过大。

表2　压顶梁刚度对压顶梁内力的影响Table2　Theeffectonforceoftopbeamcausedbystiffness

oftopbeam压顶梁刚度

压顶梁内力

最大弯矩/(kN・m)最大剪力/kN最大轴力/kN

0.25k564433600

0.5k643458607

1k741490668

2k883535823

4k10815961018

16.5016.63

从表1可以看出:由于环梁支护结构体系中环梁的刚度相对压顶梁刚度比较大,且在压顶梁跨中处,存在环梁和压顶梁之间的连接支撑,环梁对支护桩的支撑作用很显著,在圈梁刚度从0.25k增加为4k的变化过程中,中桩桩顶位移、桩身最大位移、桩身最大弯矩变化不超过10%,说明压顶梁刚度的变化对存在连接支撑的中部支护桩的位移和内力影响较小,对于环梁支护结构,由于环梁的支撑作用较显著,压顶梁截面不需过大。

从表2可以看出:当压顶梁刚度从0.25k增加到1k时,其最大弯矩、剪力和轴力相应提高,当压顶梁刚度继续增加后,压顶梁内力显著提高。结合表1及图6,7,说明压顶梁具有一定刚度即可,其刚度超过一定限度后,不仅对控制支护桩、环梁的内力、变形作用不大,反而较大地增加了压顶梁自身的内力。从本文的实例来看,压顶梁的刚度为1k较为理想。

2.3　水平支撑系统竖向位置效应

水平支撑系统的竖向位置影响着支护体系的位移和内力,对其竖向位置效应探讨分别取支撑系统设置在地面、地面以下1.35m和地面以下2m来分析。图8,9,10为水平支撑系统不同竖向位置的计

图6　压顶梁刚度对桩顶位移的影响

Fig.6　Theeffectondisplacementofpiletopcausedby

stiffnessoftopbeam

算结果对比情况。

从图8可以看出:随着支撑系统竖向位置的下降,桩顶位移稍有增加,而桩身位移逐渐减少,说明在可能的情况下,适当降低支撑系统的竖向位置,可以在一定范围内减少支护桩的最大位移。

从图9可以看出:随着支撑系统竖向位置的下降,各个位置的桩顶位移均稍有增加,但幅度很小,且支撑系统竖向下降到一定深度时,桩顶位移趋于

从图6可以看出:当压顶梁刚度较小时,在未设置连接支撑处,随着压顶梁刚度的减小,桩顶位移明显增加,说明工程中连接支撑的水平间距不宜过大,同时,压顶梁的刚度也不宜过小,按照本文的连接支

撑间距,压顶梁刚度为1k(相当于其截面为1.0m

118　　　　四川建筑科学研究第35卷　

　　(1)环梁是结构受力主要构件,目前工程中其

截面尺寸一般都做得较大。但当环梁刚度达到一定程度时,环梁内力和桩身位移趋于稳定值,若再提高其刚度,对减少基坑变形作用已经不大。因此,在工程中应结合支护桩的刚度等因素,选取合理的环梁截面尺寸。

(2)当压顶梁刚度较小时,其位移趋向于局部变形状态,较大的压顶梁刚度可使压顶梁的变形趋向整体性。同时,增加压顶梁刚度,能降低环梁最大切向轴力,但不显著。压顶梁刚度的变化,对支护桩位移、内力影响不大。而压顶梁刚度的提高,使压顶梁本身的内力增大,增加的幅度也越来越大,对其本身受力不利。

(3)在可能的情况下,适当降低支撑系统的竖向位置,可以在一定范围内减少支护桩的最大位移。但由于本基坑的环梁支撑系统与压顶梁设置在同一水平面,较一般支护结构的支撑位置偏高,因此,对控制支护结构的最大位移效果不显著。实际工程中可以降低环梁支撑体系竖向位置,另设置围囹,单独设置压顶梁,可以更好地降低支护桩的位移。

图9　支撑系统竖向位置对压顶梁位移的影响Fig.9　Theeffectondisplacementoftopbeamcaused

bydepthofbracingsystem

图8　支撑系统竖向位置对中桩位移与弯矩的影响

Fig.8　Theeffectondisplacementandmomentof

middlepilecausedbydepthofbracingsystem

参考文献:

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图10　支撑系统竖向位置对环梁最大轴力的影响

Fig.10　Theeffectonthemaxaxisforceofringbeam

causedbydepthofbracingsystem

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[7]　卢世深,林亚超,编译.桩基础的计算和分析[M].北京:人民

稳定值。

从图10可以看出:随着支撑系统竖向位置的下降,环梁最大轴力逐渐增加,环梁发挥的作用更大,但变化幅度逐渐降低,最终趋于稳定值。

交通出版社,1987.

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3　结　论

在三维分析模型的基础上,较全面地讨论了环梁支护体系的性状,可以得到如下一些结论。

[10]曾律弦.环梁支护结构体系的空间分析[D].广州:华南理工

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