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随着我国国民经济的高速发展、城市人口的增加和生活水平的提高,对城市基础设施建设提出了更高要求。为了满足城市发展的需要,建筑物不断向空中发展,同时,地下空间开发利用愈来愈多,包括高层建筑地下室、地下铁道、过街隧道、越江隧道、地下商业街、地下车库等各种形式。开发和建造这些地下空间和设施,首先就需要进行基坑开挖。
喷锚和桩锚支护因其造价低廉、施工方便等优势,成为基坑工程中最常用和首选的主流支护型式,尤其在非软土地区得到了广泛的应用和研究。当基坑较深,单纯采用喷锚难以保证稳定性和变形要求时,需采用桩锚或其它支护型式,但为了降低工程总造价,采用桩锚和喷锚联合支护是较好的选择。工程实践表明:不论哪种支护型式,只要尽可能地联合喷锚支护,都会收到满意的经济、技术效果。另外,基坑工程是一个动态过程,不仅施工监测是动态的,设计也应该是动态的。由于岩土工程勘察中不可避免的存在着较大的误差,所以最好的设计思路应根据前期监测到的变形情况,对后期的支护作进一步的调整:加强或者降低支护的力度。喷锚施工的即时性正好使得该理念得以实施。因此,研究喷锚与其它支护型式的联合应用将会成为基坑工程技术的发展趋势之一。
基坑开挖过程也是基坑开挖面上卸荷的过程,卸荷使坑底土体产生向上为主的位移,同时也使围护墙体在两侧压力差作用下产生向基坑内的侧向变形,进而导致墙后地面的沉降。基坑工程中的变形控制是在详细调查周围环境条件,研究和计算周围建筑物、构筑物、管线的允许变形的基础上确定基坑支护开挖引起的地层位移及相应的基坑支挡结构的水平位移、周围地表沉降的允许值,以此作为设计基坑时的控制标准。选择何种控制标准进行设计要遵循安全、经济的原则,并做到因地制宜。
因此,基坑的变形对工程具有非常重要的意义。采用适当的理论和方法对基坑变形进行计算和预测,是工程技术人员必须解决的课题。
武汉基坑规范中,对一级、二级重要性基坑的支护结构应进行结构变形和坑壁位移的计算。计算时宜采用能考虑土体与结构相互作用的方法,如有限单元法、“m”法,并应采用工程地质类比法,参照类似条件工程的实测资料判断计算结果的可靠性。对重要性等级为三级的基坑可不进行变形计算,但应进行水平位移的监测。喷锚按经典理论方法得不到位移解答。武汉地区目前深基坑按天汉软件计算,只能计算出桩锚的位移,不能计算出喷锚的位移。当采用桩锚与喷锚联合支护时,该软件把冠梁上部土体按超载进行计算,不能得到准确的位移值。
国内外相关基坑的三维数值分析均为桩锚或喷锚单独分析,联合支护方面的数值分析很少。
目前武汉地区采用桩锚(或内支撑)支护的基坑,如上部有放坡空间,均采用了联合支护方案。在保证基坑质量安全的情况下,可大幅度节约造价。
本文的主要内容如下:
1.介绍了国内外深基坑位移计算理论的研究成果、联合支护的形式、以及武汉市地区深基坑的概况及联合支护应用的情况。
2.总结了深基坑支护结构中的荷载、土压力类型、朗金及库仑土压力理论、以及基坑变形的研究成果。
3.总结了桩锚支护的作用机理及设计理论,重点分析了极限平衡法、等值梁法、自由端法及“m”法。
4.总结了喷锚支护的作用机理及设计理论,包括土钉承载力计算、土钉长度的确定、土钉(锚杆)钢筋截面的确定、土体稳定性分析、外部稳定性分析、抗滑移验算、抗倾覆验算等。
5.介绍了天汉软件的基本情况,并对湖北省农业厅地下室车库基坑支护工程的工程概况、地质条件、周边环境及结构设计情况进行了介绍,并采用天汉软件进行了设计,附上计算书、施工图及监测结果。
6.介绍有限元软件FLAC3D的基本情况,并重点介绍了案例中计算模型及参数取值、模拟方案、数值模拟位移结果分析。
7.将有限元分析的位移结果、天汉软件计算出的位移结果及实测位移结果进行了对比。
8.根据前述内容,对武汉地区联合支护位移计算作出了总结。通过数值分析位移结果与天汉软件及实际监测位移结果对比,两者相差较小,故采用数值分析可做为武汉地区桩锚与喷锚联合支护结构位移计算的依据,填补了武汉地区深基坑支护设计在这方面的空白。