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桩锚支护结构在工程中的应用研究

论文编号:lw201704021834468481 所属栏目:土木工程论文 发布日期:2018年02月26日 论文作者:无忧论文网
第 1 章 绪论

1.1 研究背景、目的以及意义
目前,面对城市工程建设场地面积的限制,为充分利用土地资源[1],基坑工程的开挖尺寸向大深化的趋势发展。桩锚支护结构以其独特的优势,在深基坑支护工程中的应用越来越广泛[2]。表 1-1 列出桩锚支护结构在北京、武汉、深圳等地区深基坑工程中的应用实例。如上述表 1-1 所示,桩锚支护结构应用在不同地区的深基坑支护工程中,能满足不同的深基坑开挖深度条件[3],但是目前还是存在对桩锚支护结构的变形影响因素控制和研究不到位,影响支护结构变形因素的设计值偏保守,造成工程效益低的局面,同时出现因桩锚支护结构变形破坏而造成深基坑工程土体坍塌的现象[4]:由于对桩锚支护结构影响变形的设计参数设置不合理,青岛某地下商城的深基坑工程开挖到 8.5m 时,深基坑的支护桩墙因变形过大,出现开裂,直接影响深基坑周边土体的滑移。呼和浩特某大厦深基坑的支护桩因嵌固端的长度不满足支护结构安全稳定的要求,而且在施工过过程中放弃使用锚杆,使深基坑在开挖时,支护桩发生倾覆,桩顶出现较大位移,造成土体滑坡。北京西直门某深基坑桩锚支护结构的设计修改缺乏依据,将桩顶的锚杆取消,使支护桩的嵌固部分减小,并且忽略周边工房的荷载等,支护桩的桩身发生迅速,急剧倾斜,导致支护桩变形过大,从而出现支护桩后的土体滑动到深基坑坑底的现象,增加工程维护造价。通过桩锚支护结构在各地区应用的实例以及桩锚支护结构的变形影响深基坑稳定的实例显示,桩锚支护结构在深基坑工程中得到更广泛的应用,需要对桩锚支护结构在设计过程中的变形影响因素的控制以及减少施工中变形进行进一步研究,才能有效控制土体滑动过大造成深基坑土体坍塌事故的发生。
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1.2 国内外研究现状
深基坑工程是领域广、综合性高的系统、复杂性工程,涉及到不同的深基坑支护结构类型、地下水排水措施以及工程土体开挖、回填等,需要土力学与地基基础、岩土力学、结构力学、安全监测等许多专业知识的应用。为保障深基坑工程和周边环境的安全稳定,相关专业人员需要密切配合[6]。随着深基坑工程出现,深基坑支护结构形式也不断发展,国内外对深基坑工程支护结构的理论和施工技术积累了宝贵的经验,提高对深基坑工程支护结构的认知能力,但是仍然不能完全满足目前深基坑工程支护的技术要求。桩锚支护结构作为一种广泛应用的深基坑工程支护方式,使相关人员对其在试验、变形理论以及工程中的安全稳定性进行大量研究,下面介绍一些国外对桩锚支护结构变形的研究现状。1957 年,德国率先在深基坑支护结构形式中采用预应力锚杆支护[7]。Rowe[8]利用具有弹性变形状态下的锚杆进行试验,发现在开挖面以下,土压力分布和经典土压力分布不相同,在支护桩嵌固端,主动区的土压力要比经典土压力值大。Vijayvergiya[9]分析桩锚支护结构中支护桩受力与变形问题并且总结荷载传递规律。Clough[10]针对深基坑变形,运用有限元软件对开挖施工中桩锚支护结构的影响因素进行探讨。Martin Lings[11]等人模拟桩锚支护结构中支护桩的受力和变形之间的关系,并取得一定预期效果。Briaud[12]在实验中发现锚杆的锚固长度对锚杆的承载能力以及锚杆在使用过程中的蠕变率有一定的影响,即在一定范围内降低锚杆的锚固长度,则锚杆的极限承载能力呈负相关,而蠕变率则随之降低。Yoo[13]通过在实际工程中监测并且用有限元软件模拟计算,得出支护桩的最大位移和深基坑的开挖深度有一定的关系。Sunil .S. Rishnami[14]根据有限元软件模拟实际深基坑工程开挖过程,研究桩锚支护结构支护桩、深基坑周围土体以及渗流作用对支护结构变形的影响,同时分析出三者之间互相影响关系。Sawwaf[15]得出桩锚支护结构应用在无粘性土工程时,支护结构主要组成部分的安装参数关系。Vanitha[16]研究并分析支护桩在单支点与多支点支护下,会产生桩锚支护结构系统不同承载力的变化,并且得出支护桩与土体之间的相互影响参数。Nasser Massoudi[17]通过深基坑的安全监测数据分析得出,温度变化对锚杆的受力以及变形产生影响。
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第 2 章 深基坑工程常用的支护结构类型

深基坑工程在开挖施工过程中,由于被动土区域土体自重应力卸载作用,深基坑坑底的土体会发生回弹变形,在两边不对称的土压力作用下,桩墙会发生侧移现象。因此,为确保深基坑周边环境的安全稳定[25],严格控制围护结构周边土层的变形,要对深基坑工程采取必要的安全支护措施,保障工程施工顺利完成。由于施工场地土层性质的区别,深基坑工程支护结构控制土体变形的作用效果以及社会经济效益也不相同,因此,选用的深基坑工程支护结构方式不仅要保证支护结构的安全可靠性,同时要考虑经济效益、施工便捷性[26]。本章主要介绍深基坑工程常用的支护结构形式,并同桩锚支护结构进行比较。

2.1 放坡开挖
无围护的放坡开挖[27],如图 2-1 所示。当工程地质条件较好,且安全等级要求不高时,可以直接进行开挖放坡。放坡开挖施工便捷、工期短,适用在广阔的工程场地。当基坑放坡开挖深度较深时,应在放坡开挖的基坑坑底附近位置,设置相应的支护措施。基坑的整体稳定性是依靠基坑周边土体自身的强度来维持保障,但是由于放坡开挖对土体扰动较大,从而会对基坑周边环境的破坏影响较深。
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2.2 土钉墙支护结构

土钉墙支护结构(如图 2-2 所示)是在深基坑开挖过程中,将放置在土体中的细长杆件注入水泥浆,使注浆后的杆件和土体形成紧密的结合体,最终形成细长杆件(土钉)、混凝土面层、土体的复合支护结构。土钉墙支护结构按施工工艺划分,则土钉的类型主要有钻孔注浆式土钉、直接打入式土钉以及打入注浆式土钉[28]。土钉墙支护结构与深基坑周围土体相结合,提高土体的承载力、延缓失稳破坏。土钉墙支护结构常应用在深基坑降水后的杂填土、粉土和具有一定胶结能力且密实的砂土层的工程中[31],坡度适应性大,但在位移控制方面和桩锚支护结构还存在差距,因此适用于深基坑工程的安全级别要比桩锚支护结构低。地下连续墙(如图 2-3 和图 2-4 所示)是在开挖形成的单元槽段内,放置绑扎好的钢筋笼,最后浇筑混凝土,筑成一条由若干单元槽段组成的连续钢筋混凝土墙体[29]。常用的地下连续墙的结构形式有 T 形、格形、壁板式等。地下连续墙的整体稳定性、耐久性好,可满足深基坑工程不同功能的需求[30]。地下连续墙的施工对周围环境影响较小,可在密集的建筑群进行深基坑施工,并且机械化方便,减轻施工人员的劳动强度[31]。

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第 3 章 桩锚支护结构理论概述......... 11
3.1 桩锚支护系统的构成及工作原理......11
3.1.1 支护桩结构........ 11
3.1.2 锚杆结构............ 12
3.2 桩锚支护结构的破坏形式.........13
3.2.1 支护结构的稳定破坏.......... 13
3.2.2 桩锚支护结构的强度破坏........... 14
3.3 桩锚支护结构的变形形式.........15
3.4 桩锚支护结构变形控制要求.....16
3.5 桩锚支护结构内力变形计算方法......17
3.6 本章小结..........23
第 4 章 桩锚支护结构在实际工程中的应用....... 24
4.1 工程项目概况...........24
4.1.1 工程位置............ 24
4.1.2 深基坑概况........ 25
4.2 工程地质条件...........25
4.3 深基坑支护方案的选取.............26
4.4 Ⅱ-Ⅱ剖面段的结构设计........... 27
4.5 数值模拟分析...........28
4.6 影响桩锚支护结构变形的因素..........30
4.7 本章小结..........45
第 5 章 深基坑工程监测与施工控制............ 46
5.1 监测原则..........46
5.2 本工程施工控制.......47
5.3 本章小结..........48

第 5 章 深基坑工程监测与施工控制

深基坑工程监测是及时有效反映深基坑周围土体、支护结构安全稳定的非常重要的技术手段。由于深基坑土体的复杂性、深基坑周边因素变化的不确定性、采用的地下岩土计算模型和设计经验的局限性,使模拟计算出的结果同深基坑工程开挖后的实际监测的结果还是存在较大的误差。因此,在深基坑工程开挖过程中,对深基坑周围土体、建筑物、支护结构等进行全天候、全方位、动态化的监测是非常必要的。通过安全监测的数据显示,可以随时掌握支护结构的位移变化以及周围环境的变化是否符合安全监测的控制要求,从而及时采取措施,保证深基坑工程的稳定性[52]。通过对安全监测数据的分析,直观的验证深基坑支护结构方案的合理性,可以从支护结构内力位移变化的趋势,寻找规律,对改进、完善、补充深基坑工程设计经验具有重要的意义,推动了深基坑工程设计理论的发展。

5.1 监测原则与目的
基坑的安全监测是一项复杂性的工作,针对监测的项目要求较高,因此在安全监测的过程中应该遵循一些基本原则:(1)监测人员应保证原始记录数据的整洁性,不得涂改。(2)当天的监测记录数据要与前期数据进行对比,结果相差较大,要对该位置进行复测,并找明原因。(3)汛期后的深基坑,要加大监测频次。(4)根据工地现场实际情况,对监测项目设定预警值。(5)监测结束后要出监测报告,涉及到监测项目变化走势、记录表等。根据规范规定,基坑的支护结构的安全等级有三个等级,且对应的支护结构的重要安全系数分别不小于 1.1、1.0、0.9。安全等级为一级时,破坏