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浅析深基坑桩锚支护结构设计

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  摘要:桩锚支护结构以适应性强等优点在深基坑支护工程中得到了广泛采用。但由于设计不当,给工程留下安全隐患的事例也时有出现。本文就分析了深基坑桩锚支护结构的设计要点,重点就对桩锚支护结构中排桩和锚杆(索)结构设计进行探讨,可供设计人员参考。
  关键词:深基坑;桩锚支护结构;设计;变形计算;受力计算
  中图分类号:TU318 文献标识码:A 文章编号:
  随着建筑行业的持续发展,深基坑工程也越来越多,且基坑施工中面临的工程土体性质、荷载条件、施工环境也日益复杂,因此,对基坑支护施工技术的要求越来越严格。前几年,被广泛采用的重力式支护结构已经不能满足目前工程的需要。而桩锚支护结构以适应性强等优点在深基坑支护工程中得到了广泛采用。如何根据每个基坑的实际情况,对桩锚支护结构体系进行设计,对工程的安全至关重要。为此,本文就深基坑桩锚支护结构的设计方法。
  1 桩锚结构设计概论
  深基坑支护中排桩、锚杆支护模式应用较广,桩锚支护结构主要包含构件有排桩、锚杆(索)、冠梁、腰梁等,它们之间相互联系、相互影响、相互作用,构成一个有机整体。其中,排桩与锚杆(索)作为主要受力构件,设计计算过程中相对较为重视,冠梁、腰梁等构件多凭经验确定,安全隐患较多。
  桩锚支护结构常用的计算方法为经典平衡法和弹性支点法。实测数据表明,桩锚支护设计中使用弹性法比使用经典法更为合理。弹性法准确计算的关键在于地基土水平抗力比例系数、结构刚度等参数的取值。
  《基坑规程》和《地基规范》对基坑稳定性验算的安全系数见表1,应用时需考虑与安全等级对应的重要性系数。
  另外,为行文方便,本文主要符号意义见表2。
  表1基坑稳定性验算的安全系数
  
  表2主要符号意义
  
  2 排桩结构设计
  2.1 受力计算
  建议应用《基坑规范》弹性支点法进行计算,同时对结构内力设计值规定:
  M=αγ0ζMMc(1)
  V=αγ0ζVMc(2)
  式中:M、V为弯矩、剪力设计值;Mc、Vc为弯矩、剪力计算值。
  排桩应按弯矩、剪力设计值配置主筋与箍筋。
  实测桩体钢筋应力计算表明,设计弯矩值一般远大于实测弯矩值,而且通过弹性法和有限差分法对比发现,弹性法计算桩身最大弯矩值一般为有限差分法的2~3倍,偏于安全,因此计算时可对弯矩进行折减,考虑变形影响,建议有止水帷幕时取0.9,无帷幕时取0.8。
  2.2 变形计算
  当桩承受弯矩较大时,桩身将出现裂缝开展,导致桩身刚度显著下降,因此进行排桩计算时应对桩身刚度进行折减。《建筑桩基技术规范(JGJ 94)》规定钢筋混凝土桩的桩身抗弯刚度折减系数为0.85。
  2.3 嵌固深度
  《基坑规程》假定桩锚结构的排桩沿桩底发生转动,排桩的嵌固深度是根据桩内外侧被动土压力与主动土压力在桩上的力和力矩平衡求得的,以抗倾覆要求来确定嵌固深度。
  为确保安全,《基坑规程》要求单支点支护结构嵌固深度不小于0.3h(h为基坑开挖深度),多支点支护结构嵌固深度不小于0.2h。实践证明对嵌岩排桩可适当减小嵌固深度。
  3 锚杆(索)结构设计
  3.1 受力计算
  各规范对锚杆计算的要求不甚统一,《基坑规范》对锚杆设计值规定:
  Td=αγ0Tc(3)
  Td≤Nucosθ (4)
  式中:Td为锚杆水平拉力设计值;Tc为锚杆水平拉力计算值;Nu为锚杆轴向拉力设计值。
  锚杆主要需计算确定杆体截面面积和锚杆锚固长度。由于锚杆破坏主要发生在锚固体与地层间,锚固长度一般受此因素控制,为方便比较,将各规范临时性锚杆计算公式统一为
  (5)
  (6)
  式中:As为杆体截面面积;la为锚杆锚固长度;fy为钢筋强度设计值;d为锚杆钻孔直径;qsk为侧摩阻力标准值。
  杆体截面面积系数、锚杆锚固长度系数见表3、表4。
  表3杆体截面面积系数η1
  
  注:1)《边坡规范》为《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330)的简称;《锚杆规程》为《岩土锚杆(索)技术规程》(CECS 22)的简称。
  2)《锚杆规程》未给出锚杆拉力设计值与计算值的比例系数(荷载分项系数),取其他规范的平均值1.30作为假定值,表4亦同。
  表4 锚杆锚固长度系数η2
  
  注:《边坡规范》中采用地层与锚固体黏结强度特征值,取侧摩阻力标准值的50%计算。
  许多基坑施工与监测情况表明,《基坑规程》的系数选取满足安全要求,也适应了临时工程的经济性要求。
  3.2 变形计算
  《基坑规程》附录给出了锚杆水平刚度系数kT的经验公式,刘俊生也通过不同类型土层锚杆的变形分析得出相应刚度计算公式,由于锚杆拉力变化量ΔT等于刚度系数kT与位移变化量Δy的乘积,锚杆刚度对结构受力和变形有直接影响。
  应用理正FSPW计算时,每次计算应多次重复迭代直至锚杆计算刚度与输入值相一致,但经试算确定锚杆设计参数后应采用锚杆实际刚度作为输入值进行设计计算。
  值得注意的是,群锚效应显著影响锚杆刚度,当锚杆间距较小时,锚杆在地层中产生的应力场相互重叠,使得锚杆抗拔力减小、位移增加,发生单位位移时的锚杆拉力即锚杆刚度显著减小。
  3.3 预加力取值
  关于锚杆预加力的取值,各规范亦有不同规定,见表5。
  表5 锚杆预加力锁定值
  
  注:《锚杆规程》规定对地层和被锚固结构位移控制要求较高的工程宜取锚杆轴向拉力设计值。
  施工实践表明,张拉锁定时的预加力损失较大,可达20%~30%甚至更高,这种情况下要满足预加力要求,势必增大超张拉值,可能导致张拉过程中的锚杆破坏。另外监测数据表明,支护结构位移变形会导致锚杆拉力加大,所以预加力取值应控制在合理范围内。
  锚杆预加力取值对弹性支点法计算的结构受力、变形有较大影响。应用理正FSPW对单支点桩锚结构算例进行试算的结果表明,预加力与锚杆拉力成正比,与桩顶位移基本成正比。
  由于锚杆拉力随预加力的增大相应增大,预加力达到锚杆拉力的70%以上已不甚合理,所以《地基规范》或《锚杆规程》的锚杆拉力设计值应取输入实配锚杆刚度、预加力为0时的锚杆拉力,此时按规范设置预加力是较为合理的。应用《基坑规程》时,建议调整预加力进行锚杆计算,直至预加力达到计算锚杆拉力的0.45~0.50倍,对位移限制要求较高的情况预加力可取计算锚杆拉力的0.50~0.65倍。
  4 冠梁结构设计
  4.1 受力计算
  桩锚结构中冠梁一般不作为结构受力构件,此时其承受的弯矩、剪力一般较小,起到连系梁作用,可按照构造配筋。这时,冠梁纵向受力钢筋和箍筋可按受弯构件的最小配筋率控制,即一侧受力钢筋最小配筋率ρs(ρs=As/bh)取0。2%和45ft/fy中的较大者,箍筋的最小配筋率ρsv(ρsv=Asv/bs)取0。24ft/fyv。其中,As、Asv为钢筋截面面积;fy、fyv为钢筋强度设计值;ft为混凝土轴心抗拉强度设计值;b、h为冠梁高度和宽度;s为箍筋间距。
  值得注意的是,冠梁宽度h为梁的计算高度,其箍筋配置应与承受剪力的方向对应。
  当冠梁的腹板宽度hw≥450mm时,应在梁的上下两侧配置对称腰筋,每侧腰筋的截面面积不应小于腹板截面面积bhw的0。1%,且其间距不宜大于200mm。腰筋间设拉筋,拉筋间距为箍筋间距的2倍,直径一般同箍筋。
  当锚杆作用点或其他拉结点位于冠梁上时,应按结构受力构件进行计算设计。
  4.2 变形计算
  冠梁刚度的取值对变形影响较大,理正FSPW给出了冠梁刚度K的计算公式:
   (7)
  式中:EI为截面刚度;L为基坑计算边长或强水平约束点间的距离;a为计算点距基坑边或强水平约束点的距离,取a=L/2时刚度为最小值。
  这是理正FSPW根据简支梁方法推导的公式,值得斟酌,但可以确定,当基坑边长较大时,冠梁刚度近似忽略为0。
  当冠梁上设置锚杆时,曾锦标等将锚杆作为弹性支座分析得出式(7)中L可取为12倍锚杆间距的结论,值得工程借鉴。
  4.3 桩主筋锚固
  对于排桩主筋的锚固问题,争议较多。笔者认为,当冠梁不作为结构受力构件时,桩主筋锚入冠梁的长度宜取冠梁高度b;当冠梁作为结构受力构件时,桩主筋伸入冠梁的锚固长度应符合《混凝土结构设计规范》(GB 50010)中受拉钢筋锚固的有关规定。同时,为充分利用桩体混凝土抗剪能力,建议桩体混凝土嵌入冠梁的长度不小于50mm。
  5 腰梁结构设计
  5.1 受力计算
  桩锚结构中的腰梁一般按连续梁进行计算。建议将锚杆作为支点,将桩与腰梁接触点作为受力点进行计算,荷载效应应按前文《地基规范》和《荷载规范》的要求选取。
  腰梁常用钢筋混凝土梁和钢梁两种形式。钢筋混凝土梁主要对正截面和斜截面承载力进行验算;钢梁一般采用双拼槽钢或工字钢,主要对抗弯、抗剪强度和整体稳定性进行验算。
  5.2 结构措施
  腰梁设计时容易忽视局部抗压问题,对钢筋混凝土梁一般采用设置承压钢板和增加箍筋面积的方法,对钢梁一般采用设置承压钢板、加劲肋的方法。
  对水平倾角大于30°的锚杆宜采取固定腰梁的措施,避免腰梁滑移或倾覆,一般采用植入排桩或与排桩主筋焊接的吊筋进行固定。
  6 结束语
  综上所述,深基坑桩锚支护结构的设计是确保深基坑工程顺利施工的重要保障。因此,在桩锚支护结构设计及过程中,工程人员应严格按照相关规范要求,并结合施工现场的地质条件、基坑周围环境状况等因素考虑,以达到安全可靠、经济合理的设计目的。
  参考文献
  [1] 江婵辉.深基坑桩-锚复合支护结构设计分析[J].城市建设理论研究,2012年第17期
  [2] 石晖.浅论深基坑桩锚支护结构设计及应用[J].中外建筑,2002年05期

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