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弹性地基梁法和等值梁法进行基坑支护设计研究.pdf

弹性地基梁法和等值梁法进行基坑支护设计研究

spolarbear
2014-01-08 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《弹性地基梁法和等值梁法进行基坑支护设计研究pdf》,可适用于经济金融领域

弹性地基梁法和等值梁法进行基坑支护设计研究李仁民,施占新,刘松玉,李文圣(东南大学岩土工程研究所,江苏南京)摘要:传统的等值梁法简单快捷,能较好地解决土的强度问题,但无法计算变形问题。弹性地基梁法则较好地反映了土与支护结构之间的相关变形,但基本未涉及土的强度问题。提出了弹性地基法结合传统设计方法来进行设计,即利用传统的设计方法解决有关土的强度问题,如挡墙的插入深度等,利用弹性地基梁法解决有关位移的计算问题。该方法概念清晰,模型合理,计算结果与实测结果较为接近,说明该方法是正确的,且具有较高的精度。工程实例表明,该法跟传统的设计方法相比,具有明显的经济效益。另外利用该法还可对方案进行评价和选优。关键词:基坑等值梁弹性地基梁法联合法支护结构设计中图分类号:TU文献标识码:B文章编号:)()))建筑工程的设计与施工,既要保证整个结构在施工过程中的安全,又要控制结构与其周围土体的变形,以保证周围环境(相邻建筑及地下公共设施等)的安全。传统的基坑支护设计方法,例如等值梁法等,不能计算土体和结构的变形,也无法预测基坑支护结构的水平位移,因此该方法已不能完全适应工程发展的需要。能够考虑围护结构与土体变形的设计计算方法,例如弹性地基梁法,已日益受到工程界的重视,但该法不能完全考虑土的强度问题,因此无法确定围护墙的必要的入土深度问题等。在分析上述两种方法优缺点的基础上,提出联合应用弹性地基梁法和等值梁法进行基坑支护设计。传统的基坑支护设计方法本法的最主要特征是大多基于极限平衡状态理论,不考虑施工过程中由于围护结构的变形而造成实际作用在围护结构上的土压力的变化调整。设计的主要内容有:用经典的土力学理论计算主动和被动土压力,在此基础上确定计算简图。据此简图分别求出嵌固深度最大弯距截面位置及最大弯距值进行配筋设计或承载力计算计算支护结构顶端位移,其中有代表性的设计方法是等值梁法。该法最基本的是土压力计算,其中第n层土底面对挡土结构的主动土压力ean为:eam=(qnEni=Cihi)tan(bUn)cntan(bUn)式中:qn)))地面附加荷载传递到n层土底面的竖向荷载Ci)))第i层土的天然重力密度,kNmhi)))第i层土的厚度,mUn)))n层土调整后的内摩擦角(b)第n层土底面对挡土结构的被动土压力epn为:epn=(qnni=Cihi)tan(bUn)cntan(bUn)在得到主动土压力和被动土压力分布后,即可计算嵌固深度hd最大弯距截面位置及最大弯距值进行配筋设计或承载力计算计算支护结构顶端位移等,具体请参见有关文献,。弹性地基梁法本法的设计思路是取单位宽度的挡墙作为竖直放置的弹性地基梁,该模型将墙体视作支承在弹性支座上的梁,墙前被动土压力以及作用在墙体上的锚撑则用一系列弹簧代替。弹性地基梁法中土对支挡结构的抗力(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。按地基反力系数可用通式表达为:Kh=Ak#Zn式中:Z)))地面或开挖面下的深度k)))比例系数A)))地面或开挖面处土的地基反力系数,一般取为零n)))指数,当n=时,Kh=k#z,此式表明水平地基反力系数沿深度按线性规律增大。通常用m来代替,则Kh=m#z,此法通称为m法。年第期西部探矿工程水平地基反力系数Kh和比例系数m的取值原则上宜由现场试验确定,也可参照类似工程实践经验。求解方法主要有解析法和有限差分法,弹性地基梁的挠曲微分方程仅对最简单的情况有解析解,其微方程为:EI#dydz=q(z)式中:E、I)))挡墙的弹簧、截面惯性矩z)))地面或开挖面以下深度q(z))))梁上荷载强度,包括地基反力、支撑力和其它外荷载。有限差分法可参见文献。围护结构的联合设计方法目前基坑支护设方法的优缺点等值梁法简单快捷,无需借助电子计算机就能解决问题,且以为我国大多数工程技术人员所采用,该法对普通挡土墙或开挖深度不深的钢板桩是比较成熟的,但该法对深基坑,特别是软土中的深基坑支护设计就难以考虑更为复杂的条件和难以分析支护结构的整体形状。例如:支护结构与周围环境的相互影响,墙体变形对侧压力的影响,支锚结构设置过程中的墙体结构内力和位移的变化,内侧坑底土加固或坑内外降水对支护结构内力和位移的影响,压顶圈梁的作用与设计,复合式结构的受力分析等等。这些问题有时却成为控制支护结构形状的主要因素。弹性地基梁法能较好地反映基坑开挖和回注过程中各种因素和复杂情况对围护结构受力的影响,如施工过程中基坑开挖支撑设置、时效和拆除、荷载变化、预加压力、墙体刚度变化的影响围护结构的空间效应及围护结构与支撑系统的共同作用反映施工过程及施工完成后的实用阶段墙体受力变化的连续性。但该法基本上没有设计强度问题,无法确定围护墙的插入深度等。支护结构的联合设计方法由于有限元法在深基坑工程中应用尚不普及,而传统的设计方法只能解决土的强度问题,存在着较大的缺陷,弹性地基梁法通常只能考虑土的变形问题,很难考虑土的强度问题,因而本文建议将传统的设计方法与弹性地基梁法相结合。即利用传统的设计方法解决有关与土的强度的内容,如挡墙的插入深度等,利用弹性地基梁法解决有关位移的计算问题,其设计计算流程见图。工程实例工程概况某大厦位于南京市中山南路,地质条件如表所示,地下水面位于地表下m。。基坑面积约m,深m,平面呈半圆形,直径一侧达m左右,该侧又是施工阶段本工程以及邻近几个工地的交通平面,东道离基坑距离为m,有频繁重车通过。在基坑围护结构设计时,必须确保已有建筑物和道路的安全。图联合法设计计算流程图某大厦位于南京市中山南路,地质条件如表所示,地下水面位于地表下m。基坑面积约m,深m,平面呈半圆形,直径一侧达m左右,该侧又是施工阶段本工程以及邻近几个工地的交通平面,东道离基坑距离为m,有频繁重车通过。在基坑围护结构设计时,必须确保已有建筑物和道路的安全。表地质剖面表土类层底厚度(m)容重(kNm)粘聚力c(kPa)内摩擦角U(b)杂填土¹m褐黄色粉质粘土ºm淤泥质粉质粘土»m淤泥质粘土¼m淤泥质粘土½m粉质粘土¾围护结构设计()采用传统设计方法进行计算:将墙前和墙后的土层视作一层土,用加权平均值来代替现有指标,计算得出平均重度kNm平均粘聚力kPa平均内摩擦角b,计算结果见图。确定桩长m,支撑设置见图,第一道支撑设置在地表下m,支撑力kN第二道支撑设置在地表下m,支撑力kN。土压力为零点为距基坑底面以下t=m,嵌固深度m。西部探矿工程年第期图土压力分布示意图()采用弹性地基梁法进行结构计算:本工程由于处在软弱土地基中,为了减少围护结构的变形,采取在基坑内墙前土体加固的方法来进行,加固区的范围根据围护结构的变形性态及按一定经验确定为:m(宽度)m(深度),如图所示。围护桩的计算采用弹性地基梁法。墙后主动土压力按朗肯理论计算,水土压力分别计算。两道支撑可看作两个弹簧支座,弹簧系数取为:K=kNm。对于不同土层,取不同的m值。第º层土取m=kNm,第»、¼层土取m=kNm,第½层土取m=kNm,加固后土体取m=kNm。主要考虑的工况为开挖状况下的情况,工况:开挖深m工况:架设第一道支撑后开挖深m工况:架设第二道支撑后开挖至坑底,深m。图围护结构剖面图桩身位移和弯矩(工况、工况、工况)位移及弯距计算结果示于图,由图可见桩身最大位移为mm,发生在坑底处,桩身最大弯矩为kN#m。利用桩身最大正向弯矩进行支护桩的截面配筋设计。同时利用上述分析得到的第一道和第二道支撑反力的最大值作为支撑框架的水平周向压力来进行支撑框架的设计。()工程监测:利用埋深的四根测斜管,其中二根置于基坑长边,一根置于弧中位置,另一根位于圆弧项部位置,进行地层位移的测量。其中长边的位移最大,圆弧顶部的位移最小。计算值与实测值的比较,实测最大位移值为mm,比计算值略小,但实测曲线与计算曲线十分接近,这进一步说明计算结果是正确的。结论()传统的等值梁法能较好地解决土的强度问题,但无法计算变形问题。弹性地基梁法则较好地反映了土与支护结构之间的相关变形,但基本未涉及土的强度问题。而有限元法由于土的结构关系到参数的选定等问题比较复杂,目前尚处于研究阶段。()考虑上述三种方法的特点,提出联合应用弹性地基梁法和传统的等值梁法进行设计,该联合设计方法概念清晰,模型合理,有着较大的实用性。()工程实例表明,联合设计方法比仅采用传统的等值梁具有更好的经济效益。另外该法适用于编程,迭代收敛快,利用该法还可对方案进行评价选优。()使用弹性地基梁法的关键是准确地获得比例系(下转第页)年第期西部探矿工程图滑坡灾害特点框架图从图中可以看出,滑坡除了具有一些普遍的特点外,灾害本身的复杂度和影响也越来越大,因此需要我们进行有效治理。其途经是充分分析滑坡的发生和转化影响因素,找出合理和有效的工程处理措施,同时也要保证及时付诸实施,工程不得半途而废,即注重工程的时效性。但也要看到滑坡灾害活动虽有一定的规律性,但灾害发生的时间、强度、危害范围,破坏程度等具有很大的不确定性,因此滑坡灾害的防治工程同样表现出不同程度的风险性。滑坡灾害的评价目前,滑坡灾害评价方法已经有了一定程度的发展,主要是基于人口和经济等因素的评价。它在滑坡灾害分析中有一定的适用性,同时也要看到其中存在的问题和不足。据上所述,滑坡运动形式可以转化成崩塌和泥石流等,此时可用一般的地质灾害评价方法进行,但当滑坡形成堰塞湖时,不但造成涌浪灾害、河流的上游淹没、下游干涸等,同时对环境的影响也不容重视。因此滑坡灾害分析应注重其自身特点的特殊性,特别是考虑涌浪灾害的大小和范围以及坝体本身的稳定性,堰塞坝形成时和失稳后的淹没和冲刷等的评价方法。所以坝体稳定性的评价和溃坝后的灾害分析应同样作为滑坡灾害研究的重点,应试图建立天然堆石坝稳定性分析方法和溃坝洪水流量的预测模型等。结论滑动的演化过程是一个十分复杂的过程,它的发生、运动阶段和转化形式往往由几个因素共同控制。正确分析各因素的作用,是边坡稳定性评价的基础工作之一,也为预测边坡破坏的发生时间、演化趋势和有效防治提供了依据。通过对滑坡的特点和评价方法进行阐述,指出滑坡灾害研究应注重在特定的地质条件下可能造成特殊灾害,如涌浪灾害、堰塞坝本身稳定性和溃坝前后的具体灾害等,注重土体性质、地形地貌、外部条件和运动阶段、转化形式和评价方法的相关性,使其成为一个相互联系的整体。参考文献:胡广韬,等滑坡动力学M地质出版社,胡厚田,刘涌江,等高速远程滑坡流体动力学理论的研究M西南交通大学出版社,:李树德滑坡型泥石流形成机理J北京大学学报,,():李天池,章书成,康志成滑坡型泥石流C中国科学院成都地理研究所全国泥石流学术会议论文集,:陈自生陆上滑坡流态化类型的初步划分C首届全国泥石流滑坡防治学术会议论文集,:陈自生高位滑坡的运动转化形式J山地研究,:,():Coch,NKGeohazardsNaturalandHumanMNJ:PrenticeHallEnglewoodCliffsCoussotP,MeunierMRecognition,classificationandmechanicaldescriptionofdebrisflowsJEarthScienceReviews,,():柴贺军大型天然水体的环境效应研究J地质灾害与环境保护,:():张路青,杨志法公路沿线遭遇滚石的风险分析J岩石力学与工程学报,,():张路青,许兵,等川藏公路南线八宿林芝段滚石灾害的工程地质调查与评价J岩石力学与工程学报,,():张梁,张业成,罗元华,等地质灾害灾情评估理论与实践M地质出版社,刘希林泥石流防灾优先性研究J地理科学,,():(上接第页)数的值,应通过现场原位测试获取m值,提高计算的精度。参考文献:龚维明,童小东,缪林昌,穆保岗地下结构工程M东南大学土木工程学院,龚晓南深基坑工程设计施工手册M中国建筑工业出版社,施占新深基坑工程设计及环境效应的研究D硕士学位论文,东南大学,东南大学地基及基础M中国建筑工业出版社,GB砼结构设计规范S中国建筑工业出版社,西部探矿工程年第期

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