深基坑桩锚支护结构内力分析与数值模拟

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随着我国城市化建设步伐的推进,高层、超高层建筑密集出现在城市中心地带,基坑工程总体趋势呈现大、密、深等特点,在基坑开挖过程中,除需要满足基坑自身变形和稳定性要求外,还必须满足基坑周边环境的变形控制标准,使基坑工程满足安全、经济、环保、可持续发展等要求。桩锚支护与其他支护形式相比,具有施工空间大、适用范围广、环境污染小、造价较低等优点,在滑坡治理及深基坑工程中得到了广泛应用,因此对其设计理论和应用研究也较活跃,但由于基坑变形机理复杂,影响因素较多,迄今为止对其计算方法也没有做出统一规定,因此对于桩锚支护结构的变形和受力分析方面的研究具有重要理论意义和工程实用价值。基坑开挖属于土体卸荷行为,支护结构与土体相互作用,不断调整自身的受力与变形,结果使土体保持稳定或失稳,这是一个机理复杂的力学过程。基坑支护结构设计中,锚杆倾角、支护桩嵌固深度、作用在支护结构上的土压力等对坑壁的侧向位移均有影响,尤其是土压力的分布及其数值精度对支护结构的优化设计至关重要。本文基于前人已有研究成果,对唐山某深基坑桩锚支护结构采用等值梁法与弹性地基梁法联合设计计算,并将计算结果与基于有限差分法的数值分析结果进行对比分析,得出以下主要结论:(1)等值梁法能够较好地解决支护桩嵌固深度问题,但与有限差分法计算结果相比偏于保守,尚有优化改进空间,可进一步节省工程经济成本。(2)弹性地基梁法中的m法能够预测支护结构水平位移与内力,但由于其理论欠完善,不能考虑桩-锚-土之间的相互作用,不能体现基坑开挖过程的三维空间效应,导致其内力分析结果偏大,与有限差分法相比结果偏于保守;在支护结构水平位移的分析与应用方面,有限差分法的计算结果能够满足变形控制标准,能够体现基坑开挖过程的三维空间效应。(3)有限差分法计算结果表明:开挖结束后,桩身最大水平位移出现在基坑开挖面附近,而不是桩顶;桩身正弯矩最大值出现在0.85H(H为开挖深度)处,负弯矩最大值出现在1.3H处;桩长范围内主、被动土压力最大值均出现在1.3H处,而不是桩底;锚杆倾角宜取为5°~25°,且不宜超过30°。
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