考虑附加应力作用的桩锚支护结构稳定性与位移关系研究

作者:周勇;令永强;杨校辉; 刊名:岩土力学 上传者:郑子松

【摘要】桩锚支护结构应用日益广泛,然而在基坑开挖过程中,基于锚杆预应力的基坑稳定性与位移的量化关系尚未解决。同时考虑锚杆预应力引起的附加应力对基坑稳定性和位移的影响,分别得到预应力与桩锚支护结构基坑整体稳定性安全系数、水平位移的计算公式,以及基坑整体稳定性安全系数与水平位移二者之间的关系表达式;通过典型基坑工程实例与现行通用基坑设计软件计算结果进行对比。结果表明:(1)将预应力以附加应力形式来计算基坑整体稳定性安全系数,安全系数随着预应力增加而增加,二者呈非线性关系;(2)以预应力在土体中产生的附加应力形式来计算桩锚支护结构水平位移,支护结构水平位移随着预应力增加而减小,二者呈非线性关系;(3)给出的支护结构稳定性安全系数和支护结构水平位移之间的关系表达式,更加符合理论与工程实际;(4)现行桩锚支护结构设计偏于保守,考虑预应力的基坑稳定性和位移计算方法,仍需根据大量工程实践进行验证与修正。(5)首次考虑附加应力作用的桩锚支护结构稳定性计算与水平位移关系研究,可为基坑开挖过程中的动态稳定性评价提供理论依据。

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This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(51568042)and the Program for Changjiang Scholars and Innovative ResearchTeam in University(IRT_17R51).桩锚支护结构在基坑开挖过程中的稳定性计算,多是将锚杆当作土钉,采用圆弧滑移面法来计算稳定性[1]。对于桩锚支护结构稳定性研究,前人做了很多的试验研究、数值模拟和理论推导,《建筑基坑支护技术规程》[1]中采用圆弧滑移面法来推导桩锚支护结构安全系数计算公式,但式中没有体现预应力的影响;刘国彬等[2]采用替代墙法计算基坑稳定性,但是此方法仅适用于锚固段在围墙底部以上的情况;徐中华等[3]提出框架预应力锚杆边坡坡脚处锚杆预应力会随时间增加,预应力的增加能提高边坡的稳定,但没有理论推导预应力是如何提高边坡稳定性的;王邓峮等[4]通过将预应力以附加应力的形式来考虑预应力对边坡稳定的影响,但是没有进一步推导附加应力对边坡位移的影响;胡贺松[5]通过极限平衡法和强度折减法来计算基坑稳定性,但没有考虑预应力对桩锚支护结构基坑稳定性影响;于鸿[6]、王利宾[7]等也都做了稳定性相关的研究,这些研究对预应力锚杆支护结构的加固机制从不同角度予以了解释。对于桩锚支护结构基坑在开挖过程中水平位移计算,前人做了很多的试验研究、数值模拟和理论推导。袁维等[8]提出一种基于位移场分析的临界滑动面确定方法,通过理论推导可以找到滑动面的位置。韩爱民等[9]提出,在软土地区采用灌注桩围护的深基坑最大位移平均值为开挖深度的0.44%,但是没有理论推导。周勇等[10]假定锚杆自由段为弹簧,提出框架预应力锚杆结构在施工阶段水平位移简化算法;朱彦鹏等[11]通过混合法计算桩锚支护结构桩身内力,求得土压力与桩身位移之间的非线性变化关系;许海勇等[12]提出桩锚支护结构水平位移简化算法;张玉成等[13]通过引入位高比来判定土钉支护结构的变形和稳定性之间的关系,但是都没有考虑预应力对水平位移的影响。桩锚支护结构在基坑开挖过程中,基坑稳定性和水平位移是不断变化的,很少有文献给出在开挖过程中稳定性与位移之间关系,通过支护结构水平位移判断基坑动态稳定性具有重要的意义。本文将在考虑锚杆预应力对土体产生附加应力的基础上,通过MATLAB找到锚杆预应力与基坑稳定性和支护结构水平位移之间关系,计算出基坑开挖过程中稳定性和支护结构水平位移,给出水平位移与稳定性之间的关系,并结合现行通用基坑设计软件进行对比验证。2考虑附加应力桩锚支护结构稳定性计算2.1计算模型的建立锚杆施加预应力,将会在基坑外侧土体中产生附加应力,同样也会在滑移面处引起附加应力。预应力锚杆总是将锚杆自由段穿过最危险滑移面,如图1所示,因此,可以将最危险滑移面后土体看作稳定区,将预应力作为集中力考虑,作用于滑动区。作用在支护桩上的预应力可分解为水平方向和竖直方向的两个集中力,竖直方向的集中力主要通过支护桩传到桩底,但由于锚杆水平倾角一般取10°,竖向分力远小于水平分力,水平分力对基坑整体稳定性的贡献远大于竖向分力对基坑整体稳定性的贡献,因此,本文暂且忽略此力的作用。图1计算简图Fig.1 Calculation diagram2.2附加应力对基坑稳定性影响常用圆弧滑移面法来搜索基坑工程中潜在滑移面,以瑞典条分法[2]为例进行分析,在不考虑土条两侧相互作用力的条件下,将基坑滑裂体分为若干土条,基坑整体稳

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