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软土区深基坑施工中立柱桩的研究

2007年1月第36卷??第1期施??工??技??术
CONSTRUCTIONTECHNOLOGY
27??
江??娟,刁??鹏
1
2
(1??同济大学,上海??200092;2??中航勘察设计研究院,北京??100098)
[摘要]从分析软土区立柱桩在深基坑工程支护体系中的作用出发,探讨了在基坑开挖过程中立柱桩的受力机制、钢立柱桩结构设计验算问题、产生立柱桩竖向隆沉的原因、分析立柱桩差异变形对支撑体系潜在的风险等问题。[关键词]立柱桩;基坑工程;差异变形;支撑体系[中图分类号]TU753??1
[文献标识码]A????????[文章编号]1002??8498(2007)01??0027??03
StudyonErectColumninDeepFoundationPitEngineeringinSoftSoilArea
JIANGJuan,DIAOPeng
1
2
(1.TongjiUniversity,Shanghai??200092,China;
2.ChinaAviationInvestigationDesignandResearchInstitute,Beijing??100098,China)
Abstract:Basedontheanalysisoferectcolumn??actioninthesupportsystemindeepfoundationpitengineering,theseproblemsareresearchedsuchasstressmechanicsoferectcolumn,stabilitycheckingoferectcolumndesign,analysisofverticaldisplacementandthepotentialrisktosupportsystemcausedby
verticaldisplacement.
Keywords:erectcolumnpile;foundationpitengineering;differentialdisplacement;supportsystem
????随着我国近年来高层建筑、地下铁道的修建,产生了深基坑支护问题。软土地区的深基坑工程多采用内支撑围护结构,基坑的围护体系由围护墙体、支撑和立柱桩共同组成。实际工程上通常将围护结构支撑体系设计成水平的封闭体系[1??2],以提高支护结构的整体刚度。深基坑工程自身稳定性是在围护结构、水平支撑体系和竖向立柱桩共同作用下才能得以保证的,具有!点风险性?,即任何一个部位的失事均能引起整个基坑失稳破坏,带来恶劣的经济和社会后果[3??4]。
目前的资料表明,对软土区深基坑的整体稳定性、围护墙体的水平变形、支撑平面内的变形均有很深入的研究,相对而言,对立柱桩在深基坑开挖这一动态过程中立柱桩的隆沉机制及其对基坑支护体系影响的问题少有涉及。实际上,基坑施工中的立柱自身稳定性、立柱自身隆起或沉降而引起立柱与维护墙体的差异变形过大等问题,会改变水平支撑的受力状态、影响围护墙体的稳定,进而给基坑工程的安全性埋下隐患。
本文阐述了基坑施工中立柱桩的特性、验算立柱桩的设计稳定、分析立柱桩受力机制、基坑开挖如何影响立柱桩的竖向隆沉及其潜在的危害等问题。能够为其它地区深基坑工程中立柱桩问题提供有益的借鉴。1??基坑的平面支撑体系,通常由围檩、水平支撑和立柱三部分组成,立柱设置在纵横向支撑的交点处或桁架式支撑的节点处,而且避开主体工程梁、柱及承重墙的位置。立柱主要承受施工荷载及支撑结构自重,其数量以及几何尺寸主要根据所承受荷载确定。
基坑开挖面以上的立柱采用格构式钢柱,或钢管及H型钢立柱,基坑开挖面以下采用一定直径的钻孔灌注桩(可利用工程桩),或与开挖面以上立柱截面相同的钢管及H型钢桩。通常立柱插在工程桩中,与工程桩一起构成基坑三维支护体系的竖向承力体系,其功能是为提高支撑结构的承载力及稳定性,当基坑尺寸较大时,可减小支撑的计算长度。从基坑受力来看,围护结构、内支撑、竖向立柱组成一个三维空间结构共同承受侧向水土压力与施工荷载。钻孔灌注桩的入土深度由立柱的承载情况确定。
对于软土地区深基坑工程,立柱桩在基坑开挖面以下的埋深要满足支撑结构对立柱桩力和变形的要求,并大于基坑开挖深度的2倍,且穿过淤泥或淤泥质土层,位于较好的土层内;立柱的间距应根据支撑构件
[收稿日期]2006??08??28
[作者简介]江??娟(1980 ),女,江苏泗洪人,同济大学土木工程学院博士研究生,上海市杨浦区密云路528弄同济大学博士5号楼5电话:(021)
??28施工技术第36卷
的稳定和竖向荷载的大小确定,一般#15m。典型的基坑支撑的平面布置如图1所示,立柱桩的纵剖面图如图2所示。
定。柱受力后的压缩、构件的初弯曲、荷载和构造上的偶然偏心,以及失稳时的挠曲等均使缀条和缀板受力。通常可先估算柱挠曲时产生的剪力,然后计算由此剪力引起的缀条和缀板的内力。缀板柱犹如多一层刚架,当它弯曲时,可假定缀板中点以及缀板之间各肢件的中点为反弯点,从柱中取出脱离体如图4所示,则可得缀板所受的剪力T和端部弯矩M为:
T=V1
a
a(3)(4)
图1??基坑支撑的
平面布置
图2??基坑立柱
桩的纵剖面
M=V1
式中:V1 截面上的剪力;
2??钢立柱桩结构设计验算
位于基坑开挖面以上的立柱桩一般都是格构式钢柱,用角钢和缀板焊接而成,格构柱截面如图3所示。由于钢立柱设计要求偏差较小,且立柱横跨较大,选用角钢时,必须有别于一般围护结构支撑桩所用的角钢。选择做过冲击实验可用于大型钢结构的角钢,以减少侧向弯曲矢高
[5??6]
a 缀板中心线间的距离;c 肢件轴线间的距离。缀板的强度以及缀板与肢件连接处的角焊缝应按上述内力验算。缀板的尺寸应使同一截面处缀板的线刚度之和?柱较大单肢线刚度的6倍。2.3??刚度验算
图4??柱中取出的脱离体受力示意
。角钢的外形尺寸若出现大的偏差,
下料前应矫正,矫正加热时,应控制适当的温度,矫正后应自然冷却,表面不应有明显的凹面或损伤。
立柱本身需验算其抗压强度、局部稳定、整体稳定、刚度(长细比)和插入立柱桩的长度等,内支撑道数的确定也应考
虑立柱的稳定问题。格构式压图3??
格构柱截面示意
弯构件通常使弯矩绕虚轴作用,对此种构件应进行下列计算。2??1??弯矩作用平面内的整体稳定性计算
弯矩绕虚轴作用的格构式压弯构件,由于截面中部空心,不能考虑塑性的深入发展,故弯矩作用平面内的整体稳定性计算适宜采用边缘屈服准则:
N+x??mxMx
W1x
1-??x
NEx
#fy
(1)(2)
为避免拉杆在使用条件下出现刚度不足、横向振动造成过大的附加应力,拉杆设计时应保证具有一定的刚度。普通拉杆的刚度按式(5)用长细比!来控制。
!max=
l0
#[!]
max
(5)
式中:!max 拉杆按各方向计算得的最大长细比;
l0 计算拉杆长细比时的计算长度;i 截面的回转半径(与l0相对应);
[!] 容许长细比。按规范采用。对于施加预
拉力的拉杆,其容许长细比可放宽到1000。
3??立柱桩隆沉问题3.1??立柱竖向位移及机制
立柱桩坐落于基坑底部的工程桩上,其竖向隆沉问题的产生机制比较复杂,与基坑开挖引起的坑底隆起、竖向开挖卸荷、开挖方式、工程桩坐落的地层特性、承压水头、支撑类型与支撑道数等很多因素有关。在影响立柱竖向位移的所有因素中,基坑坑底隆起与竖向荷载是主要的2个方面。基坑内土方开挖的直接作
用引起开挖面以下土层的隆起变形。影响隆起变形的因素很多,如场地土层性质,基坑的开挖深度,宽度,开挖历时,开挖时是否坑内预先降水,降水深度,坑内工程桩的数量以及施工方法等。
坑底应力释放,坑内土体回弹,桩身上部承受向上的正摩阻力作用立柱桩被抬升,而基坑深层土体阻止[7??8]W1x=Ix??y0
式中:Ix 对x轴(虚轴)的毛截面惯性矩;
y0 由x轴到压力较大分肢轴线的距离或者
到压力较大分肢腹板边缘的距离,二者取较大值(见图3);
??x,NEx 分别为轴心压杆的整体稳定系数和
考虑抗力分项系数 R的欧拉临界力,均由对虚轴(x轴)的换算长细比!0x确定。
2.2??缀板设计
的上抬也促使桩端土体应力的释放,桩端土体也产生隆胀,桩也随之上抬,但上部结构的不断加荷以及变异
性较大的施工荷载会引起立柱桩的沉降。
内或L/400(L为立柱桩间的跨度)。立柱桩差异变形是基坑逆作法施工中关键的问题,此时对立柱桩的隆沉必须予以足够的重视。4??结语
本文分析了软土地区深基坑工程施工中立柱桩的一系列问题,包括:立柱桩在整个基坑支撑体系中的作用、立柱桩设计的结构稳定性、立柱桩的受力机制、立柱桩在施工过程中上抬或沉降原因分析,以及立柱桩
图5??某基坑立柱桩隆起时程曲线
隆沉对基坑支撑体系的影响等问题。
立柱桩与支撑、围檩、围护墙组成基坑工程的整体支护体系,其稳定性验算对支撑体系整体的稳定是很有必要的。对施工中立柱桩竖向位移的影响因素的定性分析较明确,主要是基坑坑底隆起与竖向荷载共同作用引起。但是基坑开挖过程中,立柱桩是上抬还是下沉尚缺少比较实用的计算公式,只能依靠施工中的监测数据来判别。当立柱桩的上抬或下沉量,引起其与维护墙体的差异变形较大,产生的附加弯矩改变支撑原有的应力体系,易导致支撑体系的失稳破坏,必须予以足够的重视。
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图5表示某软土地区深基坑在开挖过程中1、2号中立柱桩在基坑开挖90d内上抬量的时程曲线。开挖深度约24m,共设置5道支撑,立柱桩位于每道支撑的中间,2个立柱水平间距约8m,表现出相同的变形规律,最大上抬量达到20mm。图4显示随着开挖和支撑的架设,基坑内土体卸荷量逐步增大,作用于立柱桩上的累积上浮力大于轴向向下的作用合力,引起立柱桩的隆起,同时隆起变形速率随开挖深度的加深而加大。
基坑坑底隆起引起立柱桩的上浮,而竖向荷载主要引起立柱桩下沉。设计时虽已考虑竖向荷载的作用,在基坑隆起与竖向荷载的共同作用下,立柱桩可能上抬,也可能下沉[9]。由于设计中不能完全考虑和模拟整个基坑开挖条件,故不能准确预测动态施工中立柱桩的实际竖向位移。立柱的沉降计算目前尚无可靠的计算公式,其位移值主要依靠施工中的监测数据。同时由于坑底隆起估算与立柱桩沉降估算的难度,故对现有实践工程中的测试数据进行分析总结有很大的必要。
3.2??立柱桩隆沉对基坑的影响
随着基坑的开挖,基坑隆起量逐步增加,由于基坑隆起产生的立柱桩上浮量也逐步加大,在多层支撑的基坑中,立柱桩位移引起的最大影响还是第1层支撑。但是单独的立柱桩上抬或下沉,并不能完全反映支撑体系的变形,尤其是对于开挖面积大,跨度宽的支撑体系。只有将立柱桩隆沉与围护墙体顶部的沉降联系起来,它们之间的差异变形(将立柱桩与墙顶的差异上抬量或差异下沉称为差异变形)沉降才能反映支护体系是否处于安全状态。
当立柱桩上抬或下沉量较大,与墙体顶部的差异变形到达某值时,会引起支撑变形、开裂,同时对支撑产生附加弯矩,支撑的差异变形将改变支撑的受力状态,极易造成支撑的失稳破坏,大大加剧了整个基坑稳定的风险性。支撑上抬差异变形如图6所示,图中按照上海软土地区,图6??支撑上抬建筑节能2007年将实行经济激励
为了更好地推进建筑节能,今后建设部将在建筑节能方面出台经济激励政策,包括:促进节能省地型建筑的发展;鼓励既有的居住建筑和大型公共建筑节能
的改造;对政府办公和大型的公共建筑实行节能经济激励。几个方面的激励政策有!正激励?也有!负激励?,如果做得好,优于国家的政策可能进行减税等。如果做不到可能会受到处罚,比如取消资质、罚款等。
(摘自%中国建设报&2006??11??29)