排桩内支撑支护结构优化设计方法研究
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作者: 高晓普
【摘要】指出岩土层工程地质条件下的超深基坑支护设计应综合考虑支护结构与周边环境的协调，为说明组合式支护结构在超深基坑支护工程中的应用，结合海景公寓深基坑工程设计方案，采用有限元计算软件SAP 2000进行结构计算，验证了组合式支护结构在超深基坑支护中的适用性。
【关键词】超深基坑，排桩内支撑支护结构，优化设计
随着城市化进程的快速发展，城市有限的地上空间越来越不能满足城市发展的需要，开发城市地下空间成为解决这一矛盾的重要途径。另一方面，随着建筑高度的不断增加，建筑基础的埋置深度也在不断的增加。基坑工程出现两个明显的趋势：基坑深度越来越大，工程环境越来越复杂。基坑环境保护的要求在不断的提高，同时基坑失效事故所带来的危害也越来越严重。如何确保在城市密集的建成区深基坑工程的施工安全和环境安全成为工程技术人员必须面对的课题。
本文结合青岛海景公寓深基坑支护设计方案，对岩土层开挖超深基坑中排桩内支撑支护结构进行优化设计研究。
1工程介绍
1.1工程概况。拟建工程场区位于青岛市香港东路南侧，国家级旅游胜地―――青岛市老人海水浴场以北，青岛啤酒城正南。设计单位提供的拟建物特征：地上30层，高99.80 m；地下4层，层高3.9 m～5.1m，层总高12.20m。现场自然地坪高-0.25m。平面尺寸为66m×45m。基坑东侧多为2层，7层砖混结构，距用地红线最近约为5.0m。基坑南侧和西侧均为砖混建筑结构，基坑北侧主要为道路和市政管线，用地红线距香港东路红线最近约为15.4m
1.2工程地质与水文地质条件。本场区内地形平坦，位于滨海平原地貌单元，第四系较发育。基坑自上而下依次穿越素填土、粉砂、淤泥质粉砂、粉质黏土、粗砂、粉质黏土、角砾，基地位于强风化岩层。支护体系的选用要遵循安全、经济、方便施工及因地制宜的总原则。一般要综合考虑场地条件、基坑开挖深度和范围、地质条件以及地下水情况等几个方面做出选择。根据本工程地层地质情况和周围环境要求，初步拟定围护方案为排桩内支撑支护结构：钻孔灌注桩的直径为1 200mm，桩间距为1 500mm，桩长23.4m，自上而下分别在标高-2.65m，-6.50m，-10.40m，-15.50m处设置四道支撑。
2排桩内支撑支护结构优化设计方法研究
目前内支撑体系结构计算方法主要分为三类：简化计算方法、平面整体分析和空间整体分析。本文中采用的是平面整体分析的方法，即将支撑杆件、腰梁作为一个整体，视为一个平面体系，设置若干支座，借助大型有限元分析软件SAP 2000进行分析，得出支撑体系的内力与变形，最终设计出各构件的截面。
利用SAP2000对内支撑体系进行优化设计，大体上分为以下几步：
1）定义轴网类型。2）定义材料属性和截面。本文研究的内支撑为现浇钢筋混凝土支撑，支撑截面均为矩形。3）绘制构件。将每一层支撑看作一个平面桁架，选用线单元来模拟这一桁架。4）指定节点约束。分不同工况对该平面桁架施加约束。例如：两邻边约束、对边约束等。5）荷载工况。在内支撑计算中考虑静力荷载工况。6）分析工况。根据不同的节点约束，分不同工况对模型进行分析，得出不同工况下内支撑的内力，包括弯矩，剪力和轴向力。7）找出最不利情况下的内力，对支撑体系进行结构设计。
3A―A剖面结构设计计算
3.1排桩体系设计计算
根据前面提出的排桩内支撑体系的结构优化设计方法，以基坑东侧A―A剖面为例，对排桩体系进行结构计算。考虑工况，分段采用等值梁法计算排桩内力和各道支撑力，计算结果见表2。
表2 等值梁法计算结果
工况工况一工况二工况三工况四
Mmax/kN・m 173.0 324.5 658.0 986.0
T/kN 109.3 149.9 514.2 643.3
按各工况求得的墙上弯矩作出弯矩包络图，计算排桩配筋，计算结果见表3，按求得的支撑力设计各道支撑和围檩。
表3 排桩体系设计参数
参数桩径/mm桩长/m嵌固深度/m受力主筋箍筋
A―A 1 200 24.6 4标高10.4 m范围内：2828标高24.6 m范围内：323220@1 500
3.2内支撑体系的设计计算
内支撑系统由四道平面支撑和立柱组成。每道支撑包括环梁、腰梁和支撑杆。不同地质剖面计算求出的支撑系统需要提供的支护抗力是不同的，设计支撑系统时按所需最大支护抗力计算，第一，二道取N=353kN/m，第三，四道取N=571 kN/m，支护抗力较小侧将由基坑外侧的被动土压力平衡。
根据约束条件的不同，分四种不同支撑条件对支撑体系进行分析：1）X向两铰：即沿X方向在环梁的两端设置固定支座；2）两邻边固定1：将支撑体系的南侧与西侧的支座设置为固定支座；3）两邻边固定2：将支撑体系的北侧与东侧的支座设置为固定支座；4）全铰：将环梁的约束全部设置为固定支座。通过对计算结果分析比较得出：1）在X向双铰的支撑条件下，环梁的弯矩最大，支撑杆件的轴力最大；2）在将支撑体系的南侧与西侧的支座设置为固定支座的支撑条件下，腰梁的弯矩最大。在内支撑体系中，支撑杆件和环梁是主要的控制构件，因此考虑选用第一种支撑条件下各构件的最不利内力组合来对各构件进行截面和配筋计算。
最终确定四道钢筋混凝土内支撑各主要结构构件的截面几何尺寸分别为：1）第一道内支撑冠梁（GL）：宽×高=1 600mm×1 000 mm；第二道内支撑腰梁（YL）：宽×高=1 200mm×800mm；第三道内支撑腰梁（YL）：宽×高=1 200mm×800mm；第四道内支撑腰梁（YL）：宽×高=1 200mm×800mm；2）环梁（HL）：宽×高=1 200mm×800mm；3）支撑连杆（LG）截面：宽×高=800mm×800mm；4）角撑/琵琶撑/楼梯间对撑（PPC）截面：宽×高=600mm×600mm。
4结语。本文结合青岛海景公寓基坑工程，利用有限元计算软件分析，得出如下结论：1）在复杂工程环境条件下进行深基坑支护设计，基坑支护方案的选择应综合考虑安全、经济、施工和对周围环境影响等各方面因素。2）排桩体系的计算应考虑时空效应对支护结构受力的影响，采用考虑开挖工况的等值梁法进行设计计算。3）内支撑体系的计算将支撑杆件、环梁和腰梁视作一个平面框架，应用有限元分析软件SAP 2000，考虑不同的约束条件分别进行分析计算。对计算结果分析，得到最不利内力组合的工况，并最终采用此内力设计内支撑体系。
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