基坑施工過程的模擬

發(fā)布時間:2024-02-26
在常規(guī)的工程設計計算中,對于假設有 n 道支撐的支護結構,考慮先支撐后開挖的原則,具體分析過程如下:
(1)首先挖土至第一道支撐底標高,計算簡圖如圖 6-10(a)所示,施加外側(cè)的水土壓力計算此時支護結構的內(nèi)力及變形;
(2)第一道支撐施工(有預加軸力時應施加軸力),計算簡圖如圖 6-10(b)所示,此時水土壓力增量為 0,只需計算在預加軸力作用下支護結構的內(nèi)力及變形等;
(3)挖土至第二道支撐底標高,計算簡圖如圖 6-10(c)所示,施加水土壓力增量,并計算支護結構在新的水土壓力作用下的變形及內(nèi)力等;
(4)依次類推,施加第 道支撐及開挖第 層土體,直至基坑開挖至基底位置。
( a)開挖至第一層土; (b) 施工第一道支撐; (c) 開挖至第二層土
實際上,在采用多道支撐或錨桿的支護結構中,各支撐或錨桿的受力先后是不同的,支撐或錨桿是在基坑開挖到一定深度后才加上的,即在墻體產(chǎn)生了一定位移后才加上的(圖6-11)。各支撐或錨桿發(fā)揮作用的時刻不同,先加上的支撐或錨桿較早參與了共同作用,后加上的則較遲產(chǎn)生作用。
為考慮設置支撐和開挖的實際施工過程,楊光華 [5] 提出了一種可以考慮逐步加撐或加錨和逐步開挖的整個施工過程的土、墻、支撐或錨桿共同作用的簡單增量計算法,并從理論上對其正確性進行了證明,通過計算實例說明了其合理性,為基坑支護結構提供了一種更為合理的計算方法。
增量法的計算過程如圖 6-12 所示。為在開挖面以下 h 1 處加支撐,先開挖到 h 1 +δh,此時,相應荷載和計算簡圖如圖 6-12 (b)所示,q 1 為土壓力,求解可得開挖面以下土彈簧的反力
相應的墻體內(nèi)力和位移也可求得。在墻頂下 h 1 處加剛度為 k 的支撐,然后由 h 1 +δh 開挖到 h 2 處,這一過程的計算簡圖如圖 6-12 (c)所示。土壓力的增量為 q 2 -q 1 。由于 k 1 和 k 2 兩彈簧被挖去,彈簧對墻體作用力
應反向作用在墻體上,求解得此時各彈簧對墻體作用力為
整個開挖加支撐施工過程如圖 6-12(d)所示,為圖 6-12 (b)、(c)兩個增量過程迭加的結果。圖 6-12 (b)、(c)兩個增量過程所得的墻體內(nèi)力和位移迭加即為整個施工過程最終的墻體內(nèi)力和位移。
增量法考慮了施工過程,符合工程實際,所得的墻體內(nèi)力和支撐反力比不考慮施工過程的計算方法所得的結果更為合理。文獻中給出了一個實際的工程案例說明增量法的計算結果更為合理。圖 6-13 所示為廣州珠江過江隧道深基坑開挖工程某槽段的剖面圖。該基坑開挖深度 17.8m,基坑的圍護結構采用 t 型截面的地下連續(xù)墻,在標高 4.5、-1.5、-7.5m 處各設一道工字鋼支撐。
開挖和加撐的順序為:
(1)從δ7.5m 開挖到δ3.0m;
(2)在δ4.5m 處加第一道支撐,由δ3.0m開挖到δ-3.0m;
(3)在δ-1.5m加第二道支撐,由δ-3.0m開挖到δ-8.5m;
(4)在δ-7.5m 加第三道支撐,由δ-8.5m 開挖到δ-10.3m。各道支撐剛度及開挖和加撐過程如圖 6-13 所示。
取 1 米寬墻體計算,每米寬墻的抗彎剛度為
若不考慮施工過程,相應的墻體彎矩和各道支撐反力如圖 6-14 所示。比較圖 6-14(a)、(b)可見,增量法考慮了施工過程,計算所得墻體彎矩遠大于不考慮施工過程的常規(guī)計算方法計算所得彎矩。由此可見,采用不考慮施工過程的計算結果進行支護結構設計是偏不安全的。不考慮施工過程所得的支撐軸力計算結果也不合理,偏大。例如, k 3 的軸力是從-8.5m 開挖到-10.3m 這一增量過程產(chǎn)生的,這一過程產(chǎn)生的增量荷載僅為 700kn,且應由開挖面以下土體和三道支撐共同承擔。而不考慮施工過程所得的 k 3 的軸力達到 520kn,結果顯然偏大,采用這樣的結果設計支撐或錨桿會造成浪費。
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