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撑锚共用基坑支护的协同响应及冗余度设计方法

李冰  
【摘要】:撑锚共用基坑支护是同一基坑内桩(墙)锚支护体系和桩(墙)撑支护体系联合使用的一种新型支护形式。这种支护形式对于环境差异较大的基坑有明显的优势,尤其是经济性较好。目前,国内外学者通过理论计算、数值分析和实验分析等方法对桩锚和桩撑支护结构的受力特性、作用机理等均作了相应的研究,但是对于撑锚共用基坑支护的受力变形特性及协同响应方面的研究尚显不足。冗余度理论在结构工程中的应用已经较为成熟,然而在地下工程中国内外关于冗余度的理论研究很少。据统计,许多基坑事故是由于挡土结构或支撑体系结构的变形过大或者不同支护形式共用时变形差异过大引起的,因此,在撑锚共用基坑支护中引入冗余度设计理论,对保证工程的安全性是十分必要的,研究该支护形式的协同响应及冗余度设计方法具有较重要的现实意义。本文结合本人参与的德州市人民医院撑锚共用基坑支护工程,通过调研,总结了近年来撑锚共用基坑支护的相关研究成果,介绍了基坑工程中的冗余度理论及其分类,提出现阶段研究存在的问题。采用MIDAS-GTS有限元软件建立算例模型,通过数值模拟分析了撑锚共用基坑支护变形规律;利用局部加强设计法及基于Frangopol提出的结构构件冗余度参数计算公式,推算出协同响应冗余度比值;并对撑锚共用基坑支护交界处的协同响应冗余度比值进行计算,对比分析了算例中撑锚共用基坑支护交界处的锚索在不同加密措施下α值大小,选出趋近于1的加密方案;最后论文依托德州市人民医院门诊楼扩建基坑工程,对桩锚与桩撑共用支护基坑进行数值模拟研究,计算出α值大小,并通过现场监测数据对变形协同响应进行了验证。本论文得到的主要结论如下:(1)推算出协同响应冗余度比值α(公式3.7),由此可见撑锚共用基坑支护交界处协同响应冗余度比值α的大小与锚索刚度、内支撑刚度等因素有关,撑锚共用基坑不同支护体系交界处变形协同的最佳效果是桩撑与桩锚变形值趋近于相等,达到S'_(mr)=S'_(zr)的效果,即α值趋近于1。(2)为了提高撑锚共用基坑不同支护体系交界处的抗连续倒塌能力,应使基坑排桩挡墙侧壁刚度分布均匀。工程中可通过增加撑锚共用基坑支护交界处预应力锚索的数量,增大锚索冗余度来实现,当α趋近于1时,协同响应的效果最好。本例中通过增大撑锚共用基坑支护交界处的弱刚度即增加第一道和第三道预应力锚索数量,分析模拟数据可知该措施能有效的控制支护桩的侧移,交界处变形协调良好,并由现场监测数据得以验证。(3)撑锚共用基坑不同支护体系交界处桩撑与桩锚的桩体水平位移曲线的变形规律应基本吻合。在本算例中加密撑锚共用基坑支护交界处锚索的数量后桩锚支护与桩撑支护最大水平位移相差0.16mm,加密后两种支护位移差减小了98.29%,并且加密后桩锚与桩撑处的桩体水平位移自上而下都呈先增大后减小的“鼓肚”形式,两条曲线变形规律基本一致。(4)如果撑锚共用基坑支护交界处变形协同理想,则交界处各道锚索内力的变化不能有突变。本例中加密第一道和第三道锚索时撑锚共用基坑支护交界处各排锚索轴力最大值随着开挖的进行呈现平稳的变化趋势,锚索轴力值没有发生突变,各道锚索轴力的最大值也远小于监测报警值,说明撑锚共用基坑支护交界处变形协调能力效果很好,加密措施是安全可行的。(5)为了选取α值趋近于1的加密措施,达到S'_(mr)=S'_(zr)的效果,运用MIDAS-GTS软件建立有限元模型,本构模型选取弹性模型,土体采用摩尔-库伦本构,预应力锚索选用植入式桁架单元,支护桩和内支撑选用线性梁单元。通过坑顶水平位移和桩体水平位移的模拟结果与实际监测值的对比分析,得出两者的变化趋势基本吻合,所以运用MIDAS-GTS软件建立有限元模型的方法是合理的,可为类似工程提供参考。(6)在基坑开挖完成后,支护桩桩身的深层水平位移达到最大,最大水平位移的位置开始向下移动,支护桩变形最终呈“弓字形”,桩体最大变形位置在开挖深度相同条件下的实际测量和模拟比较吻合。


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