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随着我国城市建设的快速发展,在地下空间开发和高层建筑的建设过程中,遇到了大量的深基坑工程。由于场地有限,为确保基坑开挖的安全和周边环境的安全,绝大部分基坑因无法自然放坡而不得不采取支护措施。桩锚支护作为一种常用的支护形式,与其它支护形式相比,该方法由于其经济、施工简单、变形量小等显著优点,在深基坑的支护设计中被广泛应用。桩锚支护在深基坑工程中的大量应用已为该支护技术积累了一系列成熟的经验,但是目前对该方法的理论研究远远落后于实践,尤其是对该支护结构的变形机理及规律的研究还不够深入。
一个成功的基坑设计,不仅应使支护结构具有足够的强度,保证其在荷载作用下不发生破坏,同时也要使支护结构具有足够的刚度,以满足自身及土体变形的需要。进一步研究深基坑支护结构的变形,尤其是研究深基坑的变形机理以及变形的影响因素,对优化深基坑的变形控制设计以及为深基坑施工提供技术指导都有很大的促进作用。
由于基坑开挖破坏了原来的平衡状态,基坑底部土体向上回弹隆起,同时支护结构向基坑方向产生位移,导致支护结构后土体的应力释放,然后取得新的平衡,引起支护结构后土体的位移,引起地表的沉降。因此,深基坑开挖变形主要包括三种形式:支护结构变形、周围地表沉降、基坑底部隆起。三种变形形式之间存在着一定的联系,彼此能相互影响。支护结构变形和基坑底部隆起是基坑周围产生地表沉降的主要原因。
由于影响深基坑桩锚支护结构变形的因素众多,为了快速准确的分析基坑变形的规律,必须筛选出主要的因素。对一个确定的基坑工程而言,基坑平面形状、深度、场地水文地质条件、周边环境状况是已知的,影响基深坑桩锚支护结构变形的关键因素包括支护桩结构刚度、支护桩入土深度、支撑或锚杆设置、刚度以及预应力,本文对这些关键因素进行了简要的叙述。
利用武汉某具体的深基坑工程的变形监测资料对变形规律进行了进一步研究分析,认为:基坑附近土体的最大累计沉降不发生在紧靠桩体位置,说明桩锚支护结构和土体的摩擦制约了其附近土体的沉降;随着基坑开挖深度的加大,各监测点位置桩顶的水平位移累计值不断增大;基坑南侧土体的最大水平位移要明显大于基坑北侧土体的最大水平位移,即长边中点位移大于短边中点位移,反映了基坑变形的空间效应。
本文介绍了三维快速拉格朗日元法的基本原理和FLAC3D计算软件的功能,通过对变形机理的研究和对常用本构关系的比选,确定采用Mohr-Coulomb屈服准则作为本构模型。之后,本文利用FLAC3D软件对深基坑桩锚支护结构的变形影响因素进行了分析,分析结果显示:采用不同强度的混凝土对桩身的水平位移的影响不是十分明显,其主要原冈在于桩锚支护结构体系依靠桩和锚共同承担荷载且主要荷载由锚杆锚固力来承担;在一定的临界值范围内适当增加桩的入土深度可显著减小基坑的侧向位移,该临界值大约在一倍的基坑开挖深度左右;在锚杆倾角的设计构造要求以内(通常为10°~30°),设置较小的锚杆倾角能有效的发挥锚杆的轴向抗拉力,将锚杆的拉力传递至桩身,避免产生过大的基坑位移。
结合工程实例,建立了桩锚支护结构变形的三维模型。通过对模拟变形结果与现场实测结果的比较与分析,总结得到桩锚支护结构桩顶水平位移、桩顶沉降及基坑周围地表沉降和桩身侧向位移的相关研究结论和规律,认为:在实际工程中基坑内部土体为逐步开挖,而计算模拟过程为瞬时卸载,模型在每步开挖计算时,开挖部分的应力为瞬间释放,所以对照数值模拟计算结果和实际观测结果可发现,由模拟计算得到的桩顶水平位移变化速率要大于实际所测得的变化速率;基坑边坡顶部以外的沉降和基坑中心的隆起之间存在连续的渐变区,其分界线大致位于基坑开挖面附近;基坑底部隆起两边小,中间大,具有显著的三维空间效应,主要是由土体开挖后应力释放效应及基坑底部土体的边角约束作用差异造成;随着基坑开挖深度的增加,基坑开挖面外侧深层土体水平位移量不断增大,最大的增幅同样出现在第三次开挖完成后,这说明桩身的变形与基坑外侧土体的变形大致是同步的;产生了水平位移的土体与周围没有产生水平位移的土体存在着明显的分界面,该分界面位置也是基坑容易产生滑移破坏的滑移面位置。
本文在最后对所做的工作和结论进行了概括,同时也指出了一些仍需要进一步深入的问题,诸如:对变形监测资料的收集必须深入到基坑施工现场,详细记录每天的施工进度;进一步收集其它各类工程地质条件下桩锚支护结构的变形资料,尝试推导更加合理的基坑变形计算公式;根据工程实际情况,建立更为合理的三维模型,在全面考虑桩锚支护结构的空间分布对基坑变形影响的基础之上,准确的分析各种因素对基坑变形的影响,并力求得到与实测值更加接近的模拟计算值。