非闭合挡土拱圈支护结构的分析及应用(六公司).doc

非闭合挡土拱圈支护结构的分析及应用路 明 鉴361009 中铁十七局六公司（ 福建厦门莲花南路七号）【内容摘要】目前深基坑支护所采用的悬臂式支护体系（挡土桩，桩加锚杆，地下连续墙，重力式挡土墙等等）虽然满足了建筑场地的要求，但其的受力状态不佳，而且造价高，施工周期长。挡土拱圈是一种以受压为主的结构，拱圈上的弯矩很小，能充分发挥混凝土抗压强度高的材料特性，并可以降低造价，节省工期，提高安全性。与闭合拱圈相比，非闭合挡土拱圈基坑支护技术在工程中的应用更加广泛。本文介绍了非闭合挡土拱圈的原理与优点，对其受力情况进行了力学分析，结合具体工程实例，说明了其在实际工程应用上的优势，并对此技术的施工经验进行了总结。关键词 非闭合 挡土拱圈支护 结构 分析和应用 ANALYSIS AND APPLICATION OF NON-CLOSING ARCHMingjian lu(No.6Engineer Co.,Ltd.of China railways 17Bureau Group)Abstract: At present, the cantilever support system (i.e. earth-retaining piles, piles with anchor arms, diaphragm, gravity retraining wall, and so on.) used in the support of deep foundation pit could fulfill the demand of the construction space, but the stress in them is unfavorable, the fabrication cost high, and the construction period long.Earth-retaining arch is a press leading structure; there is little moment in the arch. The concrete is a material with high anti-press character, so using the arch with concrete could lower the cost, save the time, and increase the security. Comparing with the closing arch, non-closing arch has more extensive usage in the projects.This paper introduces the theory, advantages and mechanics analysis of non-closing arch, shows its superiorities in the application with practical project, and takes a summery of technological experiences on it.一、 前言对基坑维护，目前普遍采用悬臂式支护体系（挡土桩、桩加锚杆，地下连续墙、重力式挡土墙等）、拱形支护（闭合、非闭合拱圈，连拱等）、复合型支护等形式。悬臂式支护体系为了获得可靠的嵌固，挡土桩或地下连续墙深度都要比基坑开挖深度深一倍左右；打设锚杆必须考虑基坑旁侧的情况，否则容易造成管线的破坏；重力式挡土墙为了获得稳定及不产生过大的位移，必须要有一定的墙宽和墙深，且水平位移很难控制。这些支护的受力状态不佳，造价高，施工周期长。复合型支护是根据具体条件，将前面两种或多种支护结构结合起来，充分发挥其优势的支护形式。本文所讨论的拱形支护，是以结构受压为主的一种支护体系。其拱圈结构主要承受压力作用，弯矩和剪力都很小，不足以使结构破坏。受压为主的特征能充分发挥混凝土抗压强度高的材料特性，并可以降低造价，节省工期，提高安全性。拱形支护中以闭合挡土拱圈受力结构最为合理，作用在拱圈四周的土压力大部分在拱圈内自身平衡，相互抵消，实际上是一种内支撑，其强度破坏或失稳的可能性很小。另外，其沿支护高度分道施工的特征节省了工期。其材料用量与悬臂支护体系相比也有明显的经济优势。不过，由于其对基坑起拱条件要求太高（基坑各边长L的起拱矢高f0.12L），狭窄施工场地难以广泛采用闭合挡土拱圈。而非闭合拱圈则可以弥补这一缺憾。在实际基坑支护中，可在基坑的每一边分别起拱，并与其他支护结构共同作用，达到安全、高效、节省、经济的目的。对非闭合拱圈受力情况的计算，前人已经进行了许多研究，并提出了很多受力模型和计算方法，但其大多数针对性强，应用范围较狭窄，或是计算复杂，不适用于工程实际。本文根据实际提出了一种将空间问题平面化，在实际应用中简单可行的拱形维护计算方法。二、结构计算模式1、曲线形状选择椭圆或圆曲线型非闭合拱圈在均布荷载作用下，将绝大部分的荷载作用转化为轴力作用。轴力是引起拱圈变形的主要作用力。非闭合拱圈最大挠度将出现在拱圈中点处（图2-1C点）。抛物线拱在均布荷载作用下弯矩很小，当不考虑轴向变形影响时弯矩可视为零；而拱圈轴向力变形影响的大小主要取决于拱圈厚度h与拱的矢高f的比值，h/f0.1时，拱圈轴向力变形的影响可以不考虑。根据以上分析可知拱圈选形时优先考虑双曲线。考虑计算的简化和实际施工中的困难，本文中选择拱圈曲线为圆弧。2、受力分析虽然构筑拱圈的材料和结构都有多种形式，不过当形成拱圈以后，其受力机理类似。如图2-1，拱圈受到外部荷载，在拱圈里形成轴力，传递到尾部与其支座提供的反力平衡。图2-2图2-1拱圈变形由两部分组成，拱圈本身变形及支座移动引起的变形。支座移动引起的变形与拱圈外的支护体系有关，两支座不均匀移动会造成拱圈内弯矩的增大，不利于拱圈受力，容易引起大位移，并有可能造成坍塌事故。实际工程中要控制确保支座位移，确保稳定。对于拱圈本身变形（见图2-2），理论上来讲是由于其受轴向力径向压缩后引起的半径减小造成的，现对角度为的弧形拱圈外荷载与其半径变化的关系进行分析。假设拱圈半径变化不大，即与拱长相比为小量，则变形后拱圈仍然可以近似看作圆弧。反力与均布荷载的关为： 拱圈径向应变可表示为将其径向变形表示为，有：得出关系：由于即为拱圈半径变形，则有： 得出：由于有“圆弧拱圈变形后仍为与以前等角的圆弧”的假设，所以推出了拱圈半径变形与圆弧角度无关的结论。为使结论成立，拱圈径向变形与拱圈长度相比须为小量，即：将拱圈受力结构简化为平面问题，作为一悬臂梁计算。拱圈作用效果简化为弹簧作用，其弹性系数系数可根据其应力应变求出：得出后，即可将空间拱圈问题转化为平面问题（如图2-3）求解。图2-3 三、工程实例计算及讨论1、工程概况江苏路1#地块车库，地下室底标高分别为-5.05，-4.95，-5.65。南侧紧靠车库的3#、4#楼局部底标高为-8.35，-9.25，-7.15；西侧为长宁路，车库距红线7.2m；西北角为1#地下室，底标高为-5.65；东南角为6层多层公房，距车库最近一栋约为5m左右。自然土地坪标高约为-1.0m。2、地质条件根据钻孔揭资料，自上而下土质情况为：层号土层名称层厚（m）层底标高重度说明1人工填土0.92.81.78-0.07素填土2褐黄色粉质粘土1.102.8-0.47-1.2718.2饱和、软塑、中压缩性3灰色淤泥质粉质粘土4.05.5-5.25-6.6317.4饱和、流塑、含云母、夹粉土、高压缩性4灰色淤泥质粘土5.77.205.77.2016.6饱和、流塑、夹粉土、粉砂、高压缩性5灰色粉质粘土13.2015.013.20-27.2716.0饱和、软塑、中、高压缩性地下水位为0.50.7m，地下水属潜水型。浅土层含水率高，渗透系数较大，土的重度较小。3、维护选型东块场地狭长，施工空间狭小，顶端车库坡道距离民房很近，并且其局部挖深为-7.173、-8.65等，处于空间的限制和民房安全的考虑，其他支护方式均不能满足要求，故选用非闭合拱圈围护形式，拱脚加固，东边以预埋铁件和刚支撑固定以保证其支座稳定，西边拱脚上合力向外，与此方向民房所产生的土压平衡，并在拐角处使用刚支撑作为其肋板以防止其位移过大。在保证其支座稳定的条件下，拱圈围护仅使用了SMW工法一排搅拌桩。图3-1 拱圈维护计算结构简化4、结构计算简化拱圈维护计算结构如图3-1，分别计算其主动、被动土压力，并求解其桩顶反力。由可得即拱圈上均部荷载。拱圈变形以压缩变形为主，圈梁采用C25，E=2.8e4据K可解平面结构得1.78mm，和原工程拱圈最大变形2.23mm符合得比较好。和半径相比为小量，故本推导假设可以成立。现该工程东块部分已竣工，拱圈支护保证了基坑围护的稳定，控制了位移，使工程顺利完成。该支护形式的选用达到了较好的效果，是在特殊场地条件下一个成功的范例。四、结语拱形支护是一种合理的支护形式，它可以降低支护结构的变形及内力，同时也可以充分发挥材料的抗压性能，非闭合拱圈支护形式可以与其他支护形式共同作用，因地制宜，故应用更为广泛，较常规的直线型支护结构具有较大的优越性。本文提出一种对拱圈受力变形的简化计算方法，并在实际工程算例中验证了其合理性，其计算结果较为符合