微型桩-土钉复合支护结构的力学特性及工程应用研究

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微型桩复合土钉支护结构是复合支护结构形式的一种,一般由微型桩、冠梁、土钉、面层、原始土体等部分构成,形成具有一定抗剪、抗拉、抗弯、抗压能力的复合支护体系。该体系适用于土质松散、自立性较差的地层、对基坑变形有一定控制要求或者坡顶有较大施工荷载的情况。因其具有造价低、施工简单快捷、场地作业面要求低、能满足一定安全性能,故在建筑工程中得到了广泛应用与发展。微型桩复合土钉支护结构在实际工程中应用时间较晚,目前没有成熟的计算体系,在基坑支护工程设计中普遍没有考虑到施工开挖过程对微型桩、土钉、冠梁、基坑内外土体等因素变形的影响,也没有考虑施工荷载对各个因素的影响。因此,研究微型桩-土钉复合支护结构在施工过程中的力学特性,对验证该类型支护结构的安全性、适用性具有重要的现实意义。本文以长沙市某健康产业园基坑工程为背景,应用理正结构设计软件对基坑支护方案进行计算、设计与验证,结合MIDAS GTS有限元软件对微型桩-土钉支护结构体系在施工过程中力学特性进行研究,得到一些有意义结论。对工程实际应用进行整体部署,给今后的类似工程提供一定参考价值。主要研究内容如下:(1)微型桩-土钉复合支护结构选型与设计研究。对地形地貌、地层岩性、水文地质条件进行详细分析,根据基坑背侧为城市市政道路,无放坡空间等特点参照相关设计要求及规范,对基坑支护方案进行科学选型和设计。应用理正深基坑支护结构设计软件,加入坡线、土层、超载、土钉、花管等参数,计算得出基坑支护抗拔承载力结果,并进行设计。(2)微型桩-土钉复合支护结构在施工过程中变形与力学特性研究。冠梁、微型桩、土钉、基坑内外土体的变形位移都随着开挖深度的增加而增加,其中冠梁变形位移远小于基坑不支护的状态;微型桩最大水平位移在靠近桩底位置,最大竖向位移在靠近桩顶位置;土钉水平和竖直方向上的变形位移基本呈线性关系,位于土钉端头位置;基坑外土体变形以沉降为主,从基坑边往外,逐渐增加,然后逐渐变小,形成漏斗状;基坑内土体基本表现为隆起状。(3)施工开挖对基坑边坡作用影响研究。随着开挖深度逐渐增加,坡面水平向和竖向变形逐渐增大,但基坑开挖四个工况中的坡面变形值均小于规范报警值,说明微型桩、土钉、冠梁等支护结构的相互作用能有效限制坡面的变形。(4)微型桩-土钉复合支护结构在坑边施工荷载影响下的变形与力学特性研究。冠梁在施工荷载增大后朝基坑内侧水平方向变形增大,竖向变形减小,冠梁主应力线型增加关系;微型桩在施工荷载增大后基坑内侧水平方向变形增大,竖向变形减小,微型桩主拉应力在一定区间波动,主压应力呈线型增长关系;土钉在施工荷载增大后基坑内侧水平方向变形增大,竖向变形减小,土钉轴力和主拉应力均呈现线型增长趋势;基坑外土体竖向变形随施工荷载增加呈现线型增长趋势,基坑内土体竖向变受施工荷载影响较小。
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