深基坑桩锚支护体系的受力变形研究及优化设计.pdf

第1 9 卷 2 0 1 2 年 第1 期 1 月 安全与环境工程 S a f e t ya n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g V o l - 1 9N o 1 J a n 2 0 1 2 深基坑桩锚支护体系的受力变形研究及优化设计 朱桂春1 2 ，刘兴鑫1 2 ，韩武娟1 2 ( 1 中国地质大学岩土钻掘与防护教育部工程研究中心，武汉4 3 0 0 7 4 ；2 中国地质大学工程学院，武汉4 3 0 0 7 4 ) 摘要：桩锚支护体系是近年来随着基坑工程的发展而发展起来的一种新型支护结构，因其工程适用性强而被广 泛地运用于岩土工程施工中。但是目前有关基坑桩锚支护体系的理论研究往往无法满足现场施工技术的改进，很 多以诸多假定为前提的计算模型并不能真实地反映基坑桩锚支护结构与土层之问的关系，以及桩锚支护体系本身 的受力和变形特征等。本文以武汉市东湖春树里基坑支护工程项目为例，对该工程深基坑桩锚支护体系的结构受 力及变形状况进行了A N S Y S 有限元数值模拟和分析，同时运用混合遗传算法研究分析了基坑支护相关的参数和 约束条件，并对该基坑桩锚支护体系的结构进行了优化设计。 关键词：深基坑；桩锚支护体系；受力变形；有限元数值模拟；混合遗传算法 中图分类号：T U 4 7 3 2文献标识码：A文章编号：1 6 7 1 1 5 5 6 ( 2 0 1 2 ) 0 1 0 1 2 4 0 5 S t u d yo nt h eS t r e s sa n dD e f o r m a t i o no fP i l eA n c h o rS u p p o r t S y s t e mf o rD e e pF o u n d a t i o n Z H UG u i c h u n l ”，L I UX i n g x i n l ”，H A NW u - ju a n l 2 ( 1 E n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e ro fR o c k - s o i lD r i l l i n g & E x c a v a t i o na n dP r o t e c t i o n ，C h i n aU n i v e r s i t yo ， G e o s c i e n c e s ，W u h a n4 3 0 0 7 4 ，C h i n a ；2 F a c u l t yo fE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fG e o s c i e n c e s ，W u l m n4 3 0 0 7 4 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：A n c h o rp i l es u p p o r ts y s t e mi sak i n do fn e ws u p p o r t i n gs t r u c t u r et h a th a sr i s e ni nr e c e n ty e a r s a n di ti sw i d e l yu s e dd u et oi t ss t r o n ga d a p t a b i l i t y H o w e v e r ，t h er e l e v a n tt h e o r i e sc a n n o tm e e tt h ei m p r o v e m e n to fo n s i t ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y ，a n dt h ec a l c u l a t i o nm o d e l sb a s e do nh y p o t h e s e sc a n n o tr e - f l e c tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep i l ea n c h o rs u p p o r ts y s t e ma n ds o i l ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es t r e s s a n dd e f o r m a t i o no ft h es y s t e m T a k i n gat y p i c a lf o u n d a t i o ns u p p o r tp r o j e c to fC h u n s h u l ii nW u h a nC i t ya s a ne x a m p l e ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h es t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep i l ea n c h o rs u p p o r ts y s t e mo fd e e p f o u n d a t i o n ，m a k e st h eA N S Y Ss i m u l a t i o nf o rt h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o no ft h es y s t e m ，s t u d i e st h ep a r a m e t e r sa n dc o n s t r a i n t so ft h es y s t e mb yg e n e t i ca l g o r i t h m ，a n do p t i m i z e st h ed e s i g no fi t ss t r u c t u r e K e yw o r d s ：d e e pf o u n d a t i o n ；p i l ea n c h o r ；s u p p o r ts y s t e m ；s t r e s sa n dd e f o r m a t i o n ；A N S Y S ；g e n e t i ca l g o - r i t h m 0 引言 基坑工程近十年来急剧增加，而且基坑的深度 越来越深，面积越来越大，这也使得基坑工程的稳定 性日显重要。桩锚支护体系是近年来在基坑工程建 设中兴起的一种新型支护结构，它充分利用了预应 力锚杆与支护桩的特点，使基坑的支护结构受力更 加合理，从而保证了基坑施工的安全性。目前，桩锚 支护体系因其具有工程适应性强等优势被广泛地应 用于施工场地狭窄、环境复杂的大型深基坑工程中。 基坑工程是个复杂、系统的岩土工程，基坑的开 挖过程中不仅涉及岩土体的强度问题，还涉及岩土 体的变形与位移问题。同时还涉及基坑支护结构与 土体之问的相互作用，所以基坑开挖过程中的安全 是与桩锚支护结构的特点紧密相关的。 收稿日期：2 0 1 1 - 0 4 - 1 6 修回日期：2 0 1 1 - 0 5 2 4 作者筒介：朱挂舂( 1 9 8 7 一) ，男，硬士研究生主要研究方向为地下建筑设计与施工研究D m a i l ：1 7 0 5 4 5 1 2 2 q q t o m 万方数据 第1 期朱桂春等：深基坑桩锚支护体系的受力变形研究及优化设计1 2 5 1 深基坑桩锚支护体系的特点及工作 原理 1 1 桩锚支护体系的特点 桩锚支护是一种较为常见的护坡排桩配合单锚 或多锚的基坑支护形式或支护方法，它为一种超静 定结构，稳定性较好，安全性能较高。桩锚支护体系 是利用锚杆锚固段与土层之间的摩擦力，以及支护 桩嵌入土层所提供的支撑力来保持整个支护结构的 稳定性 1 ，它能够适用于大多数深基坑及超深基坑 工程，包括一些工程地质条件较差、周边环境控制要 求严格的工程。 1 2 桩锚支护体系的工作原理 研究人员认为，桩锚支护体系中锚杆的自由端 受力时，通过锚杆传递给锚固段，由于锚固段与土层 锚固在一起，所以可以利用锚固体之间的摩擦力将 所受的外力传递到周围土层中 2 ，以达到应力释放 的目的。桩锚以护体系的受力机理见图1 。 捏裹力 砂浆 图1 桩锚支护体系的受力机理示意图 F i g 1D i a g r a mo ft h ef o r c em e c h a n i s mo fb o l ts y s t e m r 为周围土体对锚固段的平均摩阻力l 卢为水泥砂浆对内裹钢筋的平均捏裹力 2 深基坑桩锚支护体系的有限元分析 2 1 工程概况 武汉市东湖春树里基坑( 三期) 支护工程，根据 建设单位提供的计算深度为1 1 0m ，基坑底标高为 1 5 0 0m ，根据现场踏勘与测量，场地地面标高按 2 6 0 0m 考虑，则基坑开挖总体深度约为1 1 0m 。 基坑支护工程设计见图2 。 2 2 有限元模型的建立 2 2 1模型假定 对所建立的有限元模型做如下假定： ( 1 ) 将所有的支护结构简化成平面应变问题； ( 2 ) 锚索和支护桩为完全弹性体，支护桩使用 桩单元建模锚索使用锚索加固体建模l ( 3 ) 土体为理想弹塑性材料，符合相关的流动 图2 春树里基坑支护工程示意图 F i g 2 D i a g r a mo fp r o j e c to v e r v i e wo fC h u n s h u l i 法则和大应变变形模式。 根据相关工程勘察报告，勘察所揭露深度范围 内表层为杂填土和素填土，其下分别为粉质黏土、卵 砾石夹中粗砂等，各土层的力学参数见表1 。 衰1 各土层的力学参数 T a b l e1P a r a m e t e r so fe x c a v a t i o nd e s i g n 土层编号 土层名称( 焉掣，) 内翟内嬲角 2 2 2 模型尺寸 根据工程施工经验及相应的有限元模拟计算结 果可知，基坑开挖对其宽度的影响范围大概是基坑 开挖深度的3 “ - 4 倍。深度的影响范围大概是开挖深 度的2 4 倍 3 。本文所取的三维有限元模型尺寸 为5 0m ×4 5m ×5 0m 。 2 2 3 有限元模型的建立 由上述模型假定及模拟尺寸的设定，建立了如 图3 所示的基坑有限元模型。 在该模型中，A 2 、A 8 、A 1 4 层为卵砾石夹中粗 砂，A 3 、A 9 、A 1 5 为粉质黏土I 层，A 4 、A I O 、A 1 6 为 粉质黏土层，A 5 、A 1 1 、A 1 7 为粉质黏土层，A 6 、 A 1 2 、A 1 8 为填土层。 按照设计的基坑施工方案，将整个基坑模拟过 程分为以下六步： 第一步，依照设计方案，建立模型，计算开挖前 的初始地应力。 第二步，施加相应的边界限制条件。 第三步，基坑开挖，每步向下开挖2m ，开挖两 万方数据 1 2 6安全与环境工程 第1 9 卷 图3 基坑有限元模型图 F i g 3D i a g r a mo ff o u n d a t i o nf i n i t ee l e m e n tm o d e l 步共4 m 。 第四步，在2 2 3m 处施加锚杆。 第五步，继续向下开挖基坑，每步开挖2m ，开 挖两步共4m 。 第六步，继续向下开挖基坑，每步开挖3m ，开 挖一步共3m 。 2 3 模拟结果及分析 基坑有限元模拟结果见图4 至图9 。由图4 至 图9 可以看出： ( 1 ) 基坑开挖尚未开始。应力应变处于初始状 态( 见图4 和图5 ) 。 图4 初始应力图 F i g 4 I n i t i a ls t r e s s ( 2 ) 当基坑开挖第二步时( 开始开挖土层，开挖 两步至一4m 处) 。由于锚杆单元尚未发挥作用，桩 身最大水平位移在桩顶处。 ( 3 ) 当基坑进行第三步开挖时桩体位移逐渐 增大，在一4 2m 处锚杆发挥作用；当基坑开挖至基 坑底部一1 lm ，桩体位移继续增大，此时桩顶位移 为1 6 4m m ，桩身最大水平位移为2 1 4m m ，最大 位移点在一8m 处( 见图6 和图7 ) ；随着开挖深度的 图5 初始竖向位移图 F i g 5 I n i t i a lv e r t i c a ld i s p l a c e m e n t 不断增加，支护结构的z 向应力也不断增加，桩顶 的2 7 向应力变化不是很大，但是桩身的z 向应力比 较大。可见需要增强对基坑支护结构的监测，及时 发现基坑不正常的变形，早发现早治理，避免对工期 和工程安全造成不良的影响。开挖完成后的应力应 变情况见图8 和图9 。 图6 第三步开挖进行时的横向应力图 F i g 6 T r a n s v e r s es t r e s sa f t e rt w o - s t e pe x c a v a t i o n 图7 第三步开挖进行时的竖向变形图 F i g 7 V e r t i c a ld i s p l a c e m e n ta f t e rt w o - s t e pe x c a v a t i o n 万方数据 第1 期 朱桂春等：深基坑桩锚支护体系的受力变形研究厦优化设计 图8开挖完成后的横向应力图 F i g 8 T r a n s v e r s es t r e s sa f t e rt h ec o m p l e t i o n o fe x c a v a t i o n 图9开挖完成的竖向变形图 F i g 9 V e r t i c a ld i s p l a c e m e n ta f t e rt h ec o m p l e t i o n o fe x c a v a t i o n 3 深基坑桩锚支护结构的优化设计 结构优化设计是指设计者结合设计要求，在全 部可能的结构设计方案中，利用数学分析的手段。得 到若干个可行的方案。然后按照设计者预定的要求， 在这些设计方案中选择出一个最好的H 。深基坑支 护工程的优化设计主要需要考虑支护工程的安全性 和工程造价这两个方面。而建立优化数学模型的过 程则主要包括选取设计变量、确定约束条件和建立 目标函数“ 。 3 1 桩锚支护结构设计变量的选择 3 1 1 支护桩嵌固深度 支护桩在不同的嵌固深度时的位移与弯矩见图 1 0 。由图1 0 分析可知： ( 1 ) 嵌人土层的深度不够，桩体本身受到周围 土压力的影响，桩底部受力发生水平位移，使桩体整 体发生偏移 见图1 0 ( a ) 。 弯铺 矿 ( b ) 弯知 弯矩 图1 0 支护桩不同的嵌固深度时的位移与弯矩图 F i g 1 0D i s p l a c e m e n ta n db e n d i n gm o m e n to f d i f f e r e n te m b e d d e dd e p t h s ( 2 ) 坑底的土压力没有全部达到被动土压力， 就已经能维持桩下部的稳定，此时支护桩底端仅有 转动弯矩却没有位移，所以仍然可看作是简支结构 见图1 0 ( b ) 。 ( 3 ) 嵌固深度继续增加，此时桩底端人土的部 分不但没有位移，且其转动也受到限制，并在该处形 成了反弯矩，使桩上部跨间弯矩及变形大为减小，这 种情况下的支护桩的工作状态是比较理想的，也是 最能发挥桩支护作用的状态 见图1 0 ( c ) 。 ( 4 ) 嵌固深度进一步增加，跨间弯矩及变形并 没有明显地继续减小，此时嵌固深度则过大 见图 l O ( d ) 。 3 1 2 支护桩桩径及桩间距 对于支护桩而言，其桩径取值不能太小，否则无 法进行配筋。一般情况下，支护桩的桩径都应大于 4 0 0I T l m ，对埋深在1 2m 以内的基坑，桩径宜选为 4 0 0 8 0 0m m ，当基坑埋深超过1 2I T I 以上时，宜选 取8 0 0 12 0 0m m 的桩径 “。 支护桩间距也是桩锚支护结构设计中的重要参 数之一。合理的支护桩间距既要使桩间土的可能剥 落区域在允许范围内，又要使桩间土拱效应得到充 分发挥” 。 3 1 _ 3 锚杆的参数设计 锚杆的倾角和土层性质对锚杆极限承载力影响 很大。在锚杆长度一定时，增大倾角。可以提高锚杆 极限承载力，而不必增加锚固段直径，这样可以降低 工程成本n 。在实际工程施工中通常采用增加桩 锚支护体系中锚杆锚固段长度的措施来提高锚杆的 力学性能。 万方数据 1 2 8安全与环境工程第1 9 卷 3 2目标函数的建立 我们可用工程造价( c ) 乘以某一特征系数( 口，) 来表示施工工期所承担的成本( c ·a 。) ，则工程综合 造价为( c + c ·a 。) 。其中，若a t o ，表示该支护方 案的施工工期较长，增加了整个工程造价；反之， a o ，则表示该支护方案缩短了施工工期，减少了 整个工程造价。因此，对于某些影响因素，可以用方 案( X ) 的工程造价F f ( x ) - l 乘上某一系数( 口。) 来表征 各个目标对工程综合造价( o ) 的影响，则可建立目 标函数为 C ，( X ) 一c ( X ) ·( 口l + 口2 + + 口。) 混合遗传算法，从概率的意义上讲是以随机的 方式来寻求问题的最优解，因此有可能在一定的局 部范围内，得到一个局部最优解，所以需要多次运行 程序，增加搜索全局最优解的机会。本文将春树里 基坑工程所编制的程序进行运行，出现了4 种最优 设计方案，去除优化过程中检索到的局部最优解，找 到真正的全局最优解。最终优化设计方案的细部设 计参数见表2 。 表2 优化前、后支护方案的细部设计参数对照表 T a b l e2D e t a i l e dd e s i g np a r a m e t e r sf o rs u p p o r tp l a nb e f o r ea n da f t e rt h eo p t i m i z a t i o n 由表2 可以看出，经过优化后的桩锚支护方案 比现用实际支护方案造价节省1 7 1 6 ，优化效果 较好。 4 结论 ( 1 ) 数值模拟方法已在基坑工程中获得了广泛 的应用，但基坑工程数值模拟的主要难点在于确定 参数，而本文数值模拟过程中的参数选取主要依据 工程前期岩土勘察报告，其模拟结果在形态和数值 上与监测的位移值吻合较好，尽管模拟出的土体位 移比监测位移稍大，但误差在允许范围内。 ( 2 ) 本文还利用混合遗传算法对深基坑桩锚支 护方案进行了优化，以创建最低工程造价这一目标 函数，结果表明经过优化后的桩锚支护方案比现用 实际支护方案造价节省了1 7 1 6 ，优化效果好。 参考文献： 1 3 李好深基坑桩锚支护弹塑性有限元分析 D 长沙：湖南大学。 硕士学位论文，2 0 0 4 2 卢肇均，吴肖茗，张肇坤锚杆技术及其应用 A 铁道科学研究 院论文集 C 北京：1 9 8 5 3 王光彬深基坑土钉支护施工过程及地震荷载作用下的有限元 分析 D 兰州z 兰州理工大学硕士学位论文，2 0 0 6 4 朱建新付玉华。张耀平排桩一单支撑支护结构优化设计及应 用 刀南方冶金学院学报，2 0 0 4 ，2 5 ( 1 ) ：5 8 6 1 5 胡毓达实用多目标最优化 M 上海：上海科学技术出版社， 1 9 9 0 ：1 8 2 1 8 5 6 黄强崔永宁深基坑支护工程实例集 M 北京t 中国建筑工业 出版社，1 9 9 7 ：1 1 6 7 胡敏云深基坑排桩支护结构设计研究 D 成都：西南交通大 学，硕士学位论文，1 9 9 8 8 周东基坑支护工程遗传优化设计研究 D 南宁t 广西大学，硬 士学位论文，2 0 0 2 万方数据