非闭合挡土拱圈支护结构的分析及应用(六公司)

1非闭合挡土拱圈支护结构的分析及应用路明鉴361009中铁十七局六公司（福建厦门莲花南路七号）【内容摘要】目前深基坑支护所采用的悬臂式支护体系（挡土桩，桩加锚杆，地下连续墙，重力式挡土墙等等）虽然满足了建筑场地的要求，但其的受力状态不佳，而且造价高，施工周期长。挡土拱圈是一种以受压为主的结构，拱圈上的弯矩很小，能充分发挥混凝土抗压强度高的材料特性，并可以降低造价，节省工期，提高安全性。与闭合拱圈相比，非闭合挡土拱圈基坑支护技术在工程中的应用更加广泛。本文介绍了非闭合挡土拱圈的原理与优点，对其受力情况进行了力学分析，结合具体工程实例，说明了其在实际工程应用上的优势，并对此技术的施工经验进行了总结。关键词非闭合挡土拱圈支护结构分析和应用ANALYSISANDAPPLICATIONOFNON-CLOSINGARCHMingjianlu(No.6EngineerCo.,Ltd.ofChinarailways17BureauGroup)Abstract:Atpresent,thecantileversupportsystem(i.e.earth-retainingpiles,pileswithanchorarms,diaphragm,gravityretrainingwall,andsoon.)usedinthesupportofdeepfoundationpitcouldfulfillthedemandoftheconstructionspace,butthestressinthemisunfavorable,thefabricationcosthigh,andtheconstructionperiodlong.Earth-retainingarchisapressleadingstructure;thereislittlemomentinthearch.Theconcreteisamaterialwithhighanti-presscharacter,sousingthearchwithconcretecouldlowerthecost,savethetime,andincreasethesecurity.Comparingwiththeclosingarch,non-closingarchhasmoreextensiveusageintheprojects.Thispaperintroducesthetheory,advantagesandmechanicsanalysisofnon-closingarch,showsit’ssuperioritiesintheapplicationwithpracticalproject,andtakesasummeryoftechnologicalexperiencesonit.一、前言对基坑维护，目前普遍采用悬臂式支护体系（挡土桩、桩加锚杆，地下连续墙、重力式挡土墙等）、拱形支护（闭合、非闭合拱圈，连拱等）、复合型支护等形式。悬臂式支护体系为了获得可靠的嵌固，挡土桩或地下连续墙深度都要比基坑开挖深度深一倍左右；打设锚杆必须考虑基坑旁侧的情况，否则容易造成管线的破坏；重力式挡土墙为了获得稳定及不产生过大的位移，必须要有一定的墙宽和墙深，且水平位移很难控制。这些支护的受力状态不佳，造价高，施工周期长。复合型支护是根据具体条件，将前面两种或多种支护结构结合起来，充分发挥其优势的支护形式。2本文所讨论的拱形支护，是以结构受压为主的一种支护体系。其拱圈结构主要承受压力作用，弯矩和剪力都很小，不足以使结构破坏。受压为主的特征能充分发挥混凝土抗压强度高的材料特性，并可以降低造价，节省工期，提高安全性。拱形支护中以闭合挡土拱圈受力结构最为合理，作用在拱圈四周的土压力大部分在拱圈内自身平衡，相互抵消，实际上是一种内支撑，其强度破坏或失稳的可能性很小。另外，其沿支护高度分道施工的特征节省了工期。其材料用量与悬臂支护体系相比也有明显的经济优势。不过，由于其对基坑起拱条件要求太高（基坑各边长L的起拱矢高f0.12L），狭窄施工场地难以广泛采用闭合挡土拱圈。而非闭合拱圈则可以弥补这一缺憾。在实际基坑支护中，可在基坑的每一边分别起拱，并与其他支护结构共同作用，达到安全、高效、节省、经济的目的。对非闭合拱圈受力情况的计算，前人已经进行了许多研究，并提出了很多受力模型和计算方法，但其大多数针对性强，应用范围较狭窄，或是计算复杂，不适用于工程实际。本文根据实际提出了一种将空间问题平面化，在实际应用中简单可行的拱形维护计算方法。二、结构计算模式1、曲线形状选择椭圆或圆曲线型非闭合拱圈在均布荷载作用下，将绝大部分的荷载作用转化为轴力作用。轴力是引起拱圈变形的主要作用力。非闭合拱圈最大挠度将出现在拱圈中点处（图2-1C点）。抛物线拱在均布荷载作用下弯矩很小，当不考虑轴向变形影响时弯矩可视为零；而拱圈轴向力变形影响的大小主要取决于拱圈厚度h与拱的矢高f的比值，h/f0.1时，拱圈轴向力变形的影响可以不考虑。根据以上分析可知拱圈选形时优先考虑双曲线。考虑计算的简化和实际施工中的困难，本文中选择拱圈曲线为圆弧。BAqθC2、受力分析虽然构筑拱圈的材料和结构都有多种形式，不过当形成拱圈以后，其受力机理类似。如图2-1，拱圈受到外部荷载，在拱圈里形成轴力，传递到尾部与其支座提供的反力平衡。3PδPqθrR拱圈变形由两部分组成，拱圈本身变形及支座移动引起的变形。支座移动引起的变形与拱圈外的支护体系有关，两支座不均匀移动会造成拱圈内弯矩的增大，不利于拱圈受力，容易引起大位移，并有可能造成坍塌事故。实际工程中要控制确保支座位移，确保稳定。对于拱圈本身变形（见图2-2），理论上来讲是由于其受轴向力径向压缩后引起的半径减小造成的，现对角度为的弧形拱圈外荷载q与其半径变化的关系进行分析。假设拱圈半径变化不大，即与拱长l相比为小量，则变形后拱圈仍然可以近似看作圆弧。反力P与均布荷载q的关为：202sincosqRdxxqRP拱圈径向应变可表示为E将其径向变形表示为，有：AEAl··得出关系：EAPl由于即为拱圈半径变形，则有：rl·rR得出：EAPREAPl由于有“圆弧拱圈变形后仍为与以前等角的圆弧”的假设，所以推出了拱圈半径变形与圆弧角度无关的结论。为使结论成立，拱圈径向变形与拱圈长度相比须为小量，即：100/R将拱圈受力结构简化为平面问题，作为一悬臂梁计算。拱圈作用效果简化为弹簧作用，其弹性系数系数可根据其应力应变求出：2REAqK得出K后，即可将空间拱圈问题转化为平面问题（如图2-3）求解。图2-2图2-14K主动土压力被动土压力三、工程实例计算及讨论1、工程概况江苏路1#地块车库，地下室底标高分别为-5.05，-4.95，-5..65。南侧紧靠车库的3#、4#楼局部底标高为-8.35，-9.25，-7.15；西侧为长宁路，车库距红线7.2m；西北角为1#地下室，底标高为-5.65；东南角为6层多层公房，距车库最近一栋约为5m左右。自然土地坪标高约为-1.0m。2、地质条件根据钻孔揭资料，自上而下土质情况为：层号土层名称层厚（m）层底标高重度说明1人工填土0.9~2.81.78~-0.07素填土2褐黄色粉质粘土1.10~2.8-0.47~-1.2718.2饱和、软塑、中压缩性3灰色淤泥质粉质粘土4.0~5.5-5.25~-6.6317.4饱和、流塑、含云母、夹粉土、高压缩性4灰色淤泥质粘土5.7~7.205.7~7.2016.6饱和、流塑、夹粉土、粉砂、高压缩性5灰色粉质粘土13.20~15.013.20~-27.2716.0饱和、软塑、中、高压缩性地下水位为0.5~0.7m，地下水属潜水型。浅土层含水率高，渗透系数较大，土的重度较小。3、维护选型东块场地狭长，施工空间狭小，顶端车库坡道距离民房很近，并且其局部挖深为-7.173、-8.65等，处于空间的限制和民房安全的考虑，其他支护方式均不能满足要求，故选用非闭合拱圈围护形式，拱脚加固，东边以预埋铁件和刚支撑固定以保证其支座稳定，西边拱脚上合力向外，与此方向民房所产生的土压平衡，并在拐角处使用刚支撑作为其肋板以防止其位移过大。在保证其支座稳定的条件下，拱圈围护仅使用了SMW工法一排搅拌桩。4、结构计算简化拱圈维护计算结构如图3-1，分别计算其主动、被动土压力，并求解其桩顶反力。mKNtHKtHEaa/5.1621)245(tan)(21)(21222mKNtKtEpp/3.1244)245(tan2121222图2-35由0X可得mKNEERpa/2.277R即拱圈上均部荷载q。拱圈变形以压缩变形为主，圈梁采用C25，E=2.8e422m155.6e3KN/REAPREAqqK据K可解平面结构得1.78mm，和原工程拱圈最大变形2.23mm符合得比较好。和半径相比为小量，故本推导假设可以成立。现该工程东块部分已竣工，拱圈支护保证了基坑围护的稳定，控制了位移，使工程顺利完成。该支护形式的选用达到了较好的效果，是在特殊场地条件下一个成功的范例。四、结语拱形支护是一种合理的支护形式，它可以降低支护结构的变形及内力，同时也可以充分发挥材料的抗压性能，非闭合拱圈支护形式可以与其他支护形式共同作用，因地制宜，故应用更为广泛，较常规的直线型支护结构具有较大的优越性。本文提出一种对拱圈受力变形的简化计算方法，并在实际工程算例中验证了其合理性，其计算结果较为符合实际情况，是一种有益的尝试。参考文献【1】刘建航,候学渊基坑工程手册中国建筑工业出版社1997.4【2】史佩栋高大钊等21世纪高层建筑基础工程中国建筑工业出版社2000.7【3】张仪萍,张土乔基坑悬臂式拱形围护结构形状岩土工程学报第23卷第5期2001.9【4】陈江涛.非闭合挡土拱圈基坑支护技术在工程中的应用建筑技术开发第28卷第11期2001.11