基于ip的基坑工程應(yīng)用研究

基于ip的基坑工程應(yīng)用研究

1預(yù)應(yīng)力支撐系統(tǒng)預(yù)測人工魚腹梁鋼支撐體系（ib）是應(yīng)用預(yù)壓原理開發(fā)的一種軟土深基坑內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)技術(shù)。它通過對魚腹梁上支鏈的鋼絞線進(jìn)行預(yù)壓，形成大范圍的圍叉結(jié)構(gòu)，通過將角支撐、支撐和三角形連接點(diǎn)組合，形成一個平面預(yù)測支撐系統(tǒng)。IPS結(jié)合了鋼支撐和混凝土支撐的長處,能減少投入支撐的鋼材量,節(jié)省造價,縮短工期,施工方便,預(yù)加荷載有效遏制基坑周圍地基變形,圍護(hù)結(jié)構(gòu)破壞模式為延性破壞,使得施工過程的安全度提高。IPS工法在基坑中的應(yīng)用工程案例越來越多,但是至今,IPS支撐的工作原理及設(shè)計方法并沒有明確的進(jìn)行研究。本文將針對IPS魚腹梁的工作情況,分析IPS魚腹梁受力機(jī)理并給出IPS魚腹梁的設(shè)計方法。2支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度確定在基坑外土壓力作用下,預(yù)應(yīng)力魚腹梁式圍檁結(jié)構(gòu)將向基坑變形,通過對鋼絞線進(jìn)行張拉,施加預(yù)應(yīng)力,張緊的鋼絞線將使魚腹梁支撐桿件產(chǎn)生了一個較大的反作用力,從而使作用于魚腹梁圍檁上的彎矩大大減少,也就降低了魚腹梁的彎曲變形量,即使預(yù)應(yīng)力魚腹梁產(chǎn)生了較大抗彎剛度。將預(yù)應(yīng)力魚腹梁通過專用結(jié)點(diǎn)與角撐或?qū)瘟航M合在一起,便組成了預(yù)應(yīng)力支護(hù)系統(tǒng)。傳統(tǒng)基坑混凝土支撐的位移控制本質(zhì)是通過增加內(nèi)支撐剛度來控制基坑位移。預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼支撐是通過施加較大的鋼絞線預(yù)應(yīng)力來控制基坑位移的。預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼支撐的位移控制理論與傳統(tǒng)基坑支護(hù)理論有不同,需要進(jìn)行研究。魚腹梁剛度計算方法。剛度是指構(gòu)件在受力時抵抗彈性變形的能力,即引起單位位移所需要的力。常規(guī)直線構(gòu)件的剛度K為:其中,E為構(gòu)件材料彈性模量,MPa;A為構(gòu)件截面積,m2;L為構(gòu)件長度,m。魚腹梁剛度的計算方法,可考慮從剛度的定義出發(fā),在魚腹梁圍檁上施加單位力(如圖1所示),對單個魚腹梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體線彈性結(jié)構(gòu)計算得到魚腹梁平均位移s,魚腹梁剛度即為1/s。運(yùn)用上述介紹的算法,對跨度為30m的魚腹梁進(jìn)行計算得魚腹梁剛度K=2.1MN/m。對撐與魚腹梁組合結(jié)構(gòu)的平均剛度應(yīng)按式(2)確定:其中,K1為對撐的平均剛度,按式(1)計算;K2為魚腹梁的平均剛度?，F(xiàn)有一算例,基坑寬度為60m,設(shè)置IPS魚腹梁鋼支撐,對撐采用3根H350×350×12×19型鋼,魚腹梁跨度為30m。運(yùn)用式(1)可計算得到對撐的剛度K1=310MN/m,魚腹梁剛度K2=2.1MN/m。鋼支撐平均剛度:在基坑支護(hù)工程中,混凝土支撐的剛度一般均大于50MN/m,其剛度要遠(yuǎn)大于IPS鋼支撐剛度。傳統(tǒng)混凝土支撐是靠提供大剛度來抵抗基坑變形。支撐剛度大則基坑位移小,支撐剛度小則基坑位移大。盡管IPS鋼支撐的剛度要遠(yuǎn)小于混凝土支撐剛度,但若干基坑工程案例表明,IPS支撐控制基坑變形的能力要優(yōu)于混凝土支撐。于是可以得出結(jié)論:IPS鋼支撐是小剛度的組合結(jié)構(gòu),其控制基坑位移的原理是能夠提供較大預(yù)應(yīng)力。IPS控制基坑位移的具體工作原理如圖2所示?；影惭bIPS支撐后,施加支撐預(yù)應(yīng)力P1,圍護(hù)樁產(chǎn)生向基坑外的位移s1,坑外土體對圍護(hù)樁體產(chǎn)生被動土壓力。在基坑開挖過程中,圍護(hù)樁發(fā)生向基坑內(nèi)方向位移,圍護(hù)樁外側(cè)的被動土壓力向主動土壓力轉(zhuǎn)化,基坑開挖到底時,圍護(hù)樁發(fā)生向基坑內(nèi)的位移為s2。圍護(hù)樁體的最終位移s=s2-s1。圍護(hù)樁先發(fā)生向基坑外的位移再發(fā)生向基坑內(nèi)的位移,二者部分位移相互抵消,使基坑的最終位移得到有效控制。相比較混凝土支撐,IPS鋼支撐在圍護(hù)樁發(fā)生位移之前就施加預(yù)應(yīng)力,使圍護(hù)樁產(chǎn)生向坑外的超前位移,確?；游灰颇軌虻玫接行Э刂?。這是IPS鋼支撐體優(yōu)于混凝土支撐的重要特點(diǎn)。由于IPS鋼支撐的剛度很小,施加到IPS鋼支撐上的預(yù)應(yīng)力并不會完全與土壓力相疊加,不會因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力的施加而產(chǎn)生增量。3復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計魚腹梁是由對H型鋼、鋼絞線、加壓端等形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu),其設(shè)計具有特殊性。應(yīng)先對單個構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計,最終再進(jìn)行支撐結(jié)構(gòu)整體建模,進(jìn)行平面整體計算,驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的安全性。3.1魚腹梁支撐體系的荷載魚腹梁的結(jié)構(gòu)布置形式如圖3所示。鋼絞線張拉力:式中:α———鋼絞線與上弦梁夾角;L———魚腹梁連接件端部凈間距,m;q———裝配式魚腹梁支撐體系的水平設(shè)計荷載,kN/m。所需鋼絞線數(shù)量按下式計算:其中,Fm為單根鋼絞線抗拉承載力設(shè)計值,kN。鋼絞線的數(shù)量應(yīng)取整數(shù),應(yīng)增加10%的安全儲備量。3.2魚腹梁的桿件強(qiáng)度測試魚腹梁直腹桿、斜腹桿可按軸心壓彎構(gòu)件計算,構(gòu)件強(qiáng)度滿足材料設(shè)計強(qiáng)度要求即可。3.3應(yīng)力引起的圍力魚腹梁區(qū)域圍檁受到的軸力有:1)魚腹梁鋼絞線張拉預(yù)應(yīng)力引起的圍檁力N1;2)角撐或?qū)伟俗謸蝹鬟f給圍檁的軸力N2;3)側(cè)土壓力N3。圍檁的設(shè)計彎矩計算時,按等跨連續(xù)梁計算,跨度可取相鄰直腹桿間距離。4整體計算結(jié)果驗(yàn)證目前,魚腹梁設(shè)計還沒有成熟的規(guī)范和規(guī)程進(jìn)行參考,在魚腹梁單個構(gòu)件設(shè)計完畢后,應(yīng)進(jìn)行支撐的平面整體計算,用整體計算結(jié)果對單構(gòu)件設(shè)計進(jìn)行驗(yàn)算校核。下面以佛山市某基坑工程為例,運(yùn)用MIDAS/GTS有限元軟件對IPS支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行平面整體計算?；庸こ谈艣r:基坑平面尺寸200m×40m,基坑深13.4m,基坑采用灌注樁+兩道IPS鋼支撐圍護(hù)方案。4.1計算單元或模型1)整體驗(yàn)算可采用成熟的可靠性較高的有限元軟件,要求軟件能夠施加預(yù)應(yīng)力。2)對于不同的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件應(yīng)采用各自對應(yīng)的計算單元。各個構(gòu)件的單元或模型應(yīng)能夠反映工程構(gòu)件的實(shí)際情況,應(yīng)注意各個構(gòu)件的相互連接。3)邊界條件的設(shè)置應(yīng)與整體計算模型相協(xié)調(diào)。4)整體計算工況應(yīng)該與裝配式魚腹梁支撐體系實(shí)際的施工工況相一致,按照該支撐安裝先后順序分工況進(jìn)行模擬。4.2飛機(jī)計算模型的基本假設(shè)1)按平面受力問題處理。2)支護(hù)結(jié)構(gòu)周邊的土體宜采用只壓不拉彈簧模擬。3)作用在圍檁上的土壓力采用均布荷載。4.3中圍、腹桿鋼絞線嚴(yán)格按照實(shí)際工程原型尺寸進(jìn)行建模,其中圍檁、腹桿采用梁單元,對撐、角撐、斜腹桿采用桿單元,鋼絞線采用僅受拉桿單元。建立好的基坑支撐結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。4.4限制負(fù)荷條件邊界:圍繞支護(hù)結(jié)構(gòu)圍檁施加僅受壓被動土壓力彈簧。荷載:在支護(hù)結(jié)構(gòu)圍檁上施加基坑剖面軟件計算出的土壓力均布荷載(見圖5)。4.5角撐的軸力計算結(jié)果顯示IPS支護(hù)結(jié)構(gòu)總的位移分布情況是:在魚腹梁中部和大對撐、角撐位置處的圍檁的位移較小,主要是施加預(yù)應(yīng)力控制變形的結(jié)果。結(jié)構(gòu)圍檁與對撐、角撐均只受較大的壓縮軸力,鋼絞線只受拉伸軸力,其中魚腹梁范圍內(nèi)的圍檁所受的軸力要大于其他部分圍檁軸力,原因是鋼絞線張拉使魚腹梁范圍內(nèi)的圍檁受力偏大。在土壓力作用前后鋼絞線的軸力沒有發(fā)生變化,原因在于施加鋼絞線預(yù)應(yīng)力值是按照土壓力作用時計算得到的鋼絞線軸力值施加的,在土壓力作用后,鋼絞線軸力值并不會發(fā)生顯著變化。對角撐施加預(yù)應(yīng)力和不施加預(yù)應(yīng)力兩種工況模擬結(jié)果顯示,IPS支撐的對角撐軸力并不會因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力的施加而產(chǎn)生增量。這一結(jié)論與前面的理論分析一致。彎矩分布的規(guī)律是在對撐、角撐三角剛域角點(diǎn)與圍檁連接點(diǎn)的彎矩值偏大。5系統(tǒng)