_建筑基坑支护技术规程_jgj120_99附录b弹性支点法支护结构计算简

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0福建建设科技
2007
No
2
建筑结构《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-99)附录B弹性支点法支护结构计算简图的疑难理解肖启扬(黎明职业大学
泉州
362000)[提
要]
提出了对2002年6月《建筑结构》中
支护结构中杆系有限元法计算的新模式
一文的不同见解,从而加深《建筑基坑支护技术规程》弹性支点法的支护结构计算简图的疑难理解,为学习和应用弹性支点法提供参考。[关键词]
支护结构;弹性支点法;疑难理解Abstrac:tDifferentviewof
NewFiniteElementModelofBarSystemforSupportingStructure
in《BuildingStructure》inJune2002ispresented
Understandingofdifficultyincalculatingsketchofsupportingstructureinflexiblefulcrummethodof《TechnicalSpecificationforRetainingandProtectionofBuildingFoundationExcavations》isdeepened
Refertostudyandapplyflexiblefulcrummethod
Keywords:supportingstructure;flexiblefulcrummethod;understandingofdifficulty[1]

针对
支护结构中杆系有限元法计算的新模式
一文,结构发生向基坑内或向外位移时,始终仅有一侧受压弹簧起笔者认为其主要观点值得商榷,并引发对《建筑基坑支护技作用。
这种假定也不全正确。因为开挖面以下无论支护结[2]术规程》的弹性支点法支护结构计算简图的思考,以下是构发生向基坑内或向外位移时,支护结构两侧土压力肯定一笔者的理解,欢迎同行共同探讨。侧为被动土压力、另一侧为主动土压力,两侧均为受压弹簧都1开挖面以下土的水平抗力系数ksi的理解起作用(当横向位移y较大,主动土压力为零时才不起作用),在桩不同部位合成后表现为仅有一侧受压的横向抗力P(如图2右图),
始终仅有一侧受压弹簧起作用
是不够严密的。笔者建议图1不画土体弹簧或作以说明,以免引起误解。2开挖面以下基坑外土压力的理解对基坑底面以上土层可按朗金理论或库仑理论计算主动土压力,有把握时,亦可按经验土压力分布图形计算主动土压力。规程采用朗金理论计算主动土压力,容易理解。[4]基坑底面以下土压力分布模式有4种假定,即a
土压力零点分布
模式、b
零分布
模式、c
梯形分布
模式和d
矩形分布
模式,如图3所示。图1弹性支点法支护结构计算简图
图2水平荷载作用下的桩图1是弹性支点法支护结构计算简图,ksi代表的是一组弹簧,文1认为
实质上是将基坑内侧坑底以下的土体假定[3]为单向受压弹簧
。这种直观误解是不全面的,如图2,置于土中的竖向弹性桩,地面处承受横向荷载(水平力H0和弯矩M0),桩身受水平分布荷载q(z)作用。在荷载作用下,桩将发生挠曲,支承桩的弹性介质(土)将产生连续分布的土反力。Winkler假定土的横向抗力P与桩侧土的压缩量(等于桩的横向位移y)成正比,得到P=ksyb0。图2其实等同于图1开挖面以下部分,已有计算表明:当地面水平,q(z)=0,只在桩顶水平力H0和弯矩M0作用下,桩两侧的不同部位均存在图3
土压力分布模式4种假定横向抗力P(z、y)(如图2右图)和横向位移y,土的横向抗力
土压力零点分布
模式,是取土压力强度零点以下土压P是两侧土共同作用的结果。所以图1水平抗力系数ksi也力值为零。文4认为这种分布模式较为合理,因为主、被动代表桩两侧土体弹簧而决非直观的基坑内侧坑底以下的土体土压力相减后,在土压力零点以下的力为净被动土压力,净弹簧。只不过图1开挖面以下部分因为存在q(z),横向位移被动土压力正好由弹簧模拟。但应注意的是采用这种土压力y在多数情况下是向基坑内侧的,造成水平抗力是基坑内侧分布,土水平抗力系数不应取值过大。笔者则认为当采用坑底以下的土体受压引起的,无视基坑外侧坑底以下的土体
m
法时,土压力零点以上至开挖面之间的土压力是主、被动的作用,这是误解的根源。文1新模式第一个假定
将开挖土压力相减后的,这部分土体又作为弹簧按水平抗力重复考面以下基坑内外侧的土体均视为单向受压弹簧,即无论支护虑,不太合理。
零分布
模式,是指基坑底面以下土压力分布为零。文收稿日期:2006
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14认为采用这种分布模式较不安全。此即文1新模式第二个假定
水、土压力只作用于开挖面以上
。笔者认为,对图1[5]计算简图分段求解时,
零分布
模式末考虑开挖面以上土的自重引起的在开挖面以下土的侧压力(或称超载侧压力),即图2中的水平分布荷载q(z),不太合理。
梯形分布
模式,基坑底面以下桩背土压力分布模式为梯形,坑底处取主动土压力值,开挖面以下任意深度位置取主动土压力和被动土压力的代数和,且不能小于零。文4认为这种模式考虑了变形对土压力分布的影响,是一种较好的模式。笔者认为梯形土压力是主、被动土压力相减后的,当采用
m
法时这部分土体又作为弹簧按水平抗力重复考虑,不太合理。
矩形分布
模式,是指基坑底面以下桩背土压力分布图形为矩形,其值取坑底处土压力值。文4认为这种分布模式较安全,在实际工程设计时一般采用
矩形分布
模式。笔者认为矩形分布土压力是考虑开挖面以上土的自重引起的在开图5
第三开挖阶段受力图挖面以下土的侧压力,即图2中的水平分布荷载q(z)。规程3
4
2条:基坑外侧竖向应力标准值当计算点位于基坑开挖面以下时:

k=
mhh(3
4
2-3),(式中
mh-开挖面以上土的加权平均天然重度,h-开挖深度)此即开挖面以上土的自重,再算成侧压力后与
矩形分布
模式相符,而基坑底面以下桩两侧土体作为土体弹簧按水平抗力P考虑。3
零分布
与
矩形分布
模式实例对比[5]3
1
矩形分布
模式实例上海某办公楼基坑,开挖深度为7
0m,采用具有两道支撑的钻孔灌注桩排桩挡土结构和
590mm的钢管支撑,支撑5刚度为k1=k2=4
8
10kN/m。坑底为淤泥质土,其弹性系4数为m=2500kN/m。该基坑紧挨老办公楼基础,老办公楼5图6
第三开挖阶段水平位移与弯矩图层,下有木桩,桩尖位于新办公楼基坑底标高处。因此,在计坑底以下0
5m。2算时,考虑在该标高处作用有q=50kN/m的均布超载。为表1

矩形分布
模式第三开挖阶段分3段控制截面水平位简化计算,水、土压力采用合算的方法,忽略内聚力之后土的移与弯矩值表3等值内摩擦角
=15
,Ka=0
6,
=18kN/m桩身刚度EI=桩顶下深度0
253
756
251
29
105kN
m2,抗力计算宽度b=1
0m,荷载计算宽度0桩顶12
25桩底0m位置一支撑二支撑开挖面bs=1
0m,采用考虑开挖过程的计算方法,各开挖阶段受力图水平位移mm3
984
5412
7919
387
01如图4和图5。第三开挖阶段水平位移与弯矩值手算结果如图6所示。弯矩kN
m0
00
3109
2-210
00
0表2

矩形分布
模式各阶段支撑力表阶段一二三一支撑力kN无88
6712
21二支撑力kN无无293
78

比较图6与表1和表2,可见手算与程序计算结果一致。3
2
零分布
模式实例应用编制的程序,令三个开挖阶段的超载侧压力均为零,其余参数不变进行计算,也列出第三开挖阶段分3段的控制截面水平位移与弯矩值如表3。支撑力如表4。且最大水平位移5
0mm位于坑底以上0
6m,最大弯矩-93
4kN
m位于坑底以上0
6m。但各阶段最大弯矩-94
8出现在第二开挖阶段桩顶下深度2
85m处。图4
第一、二开挖阶段受力图表3

零分布
模式第三开挖阶段分3段控制截面水平位移与弯矩值表笔者根据弹性支点法支护结构的基本挠曲方程按考虑开挖过程的计算原理[5],编制Fortran语言程序[6]~[10]进行计桩顶下深度0
253
756
250桩顶12
25桩底m位置一支撑二支撑开挖面算。为便于比较,列出第三开挖阶段分3段的控制截面水平位移与弯矩值如表1。支撑力如表2。且最大水平位移水平位移mm0
240
574
084
84-1
019
90mm位于坑底以下0
8m,最大弯矩-220
1kN
m位于弯矩kN
m0
00
319
40-80
70
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建筑结构表4

零分布
模式各阶段支撑力表阶段一二三一支撑力kN无65
1237
86二支撑力kN无无180
48

3
3以上两模式实例对比两模式各阶段水平位移如图7。可见,
零分布
模式各开挖阶段水平位移较
矩形分布
模式的均小,从表1和表3也可见
零分布
模式最大弯矩也小很多。这与文4
采用这种分布模式(
零分布
)较不安全
的结论相符,与文1实例图8
文5的实例计算图式
按新模式计算得到的结构最大位移和支护结构顶部的位移较按旧模式计算的结果稍大;用新模式计算的结构正负弯矩最大值分别较按旧模式计算的结果大。
结论相反。说明文1实例存在问题。图7
两模式各开挖阶段桩水平位移图图9
文3的实例计算图式4结语(1)建议在对
水平荷载作用下单桩的荷载传递和水平[11]承载力的计算
充分理解的基础上理解规程弹性支点法支护结构计算简图水平抗力系数ki代表的是桩两侧土体弹簧而决s非直观的基坑内侧坑底以下的土体弹簧,避免出现文1的误解。[11](2)建议在对
分层土的土压力计算的等效超载法
充分理解的基础上理解
矩形分布
模式土压力是超载侧压力,基坑底面以下桩两侧土体本身不作为主、被土压力分别计算而作为土体弹簧按水平抗力P采用m法考虑,注意不能重复考虑。图10
文1新旧模式计算图式(3)规程只给出弹性支点法支护结构的基本挠曲方程,[5]建议按考虑开挖过程的计算原理编制程序进行计算或采用相应商业软件计算。(4)鉴于
零分布
模式较不安全的结论,末考虑开挖面以上土的自重引起的在开挖面以下土的侧压力,不合理。建议文5的
4
2
4节基床系数法的图4-12m法计算图式
和
4
4
3节m法的实例
(如图8)再版时考虑修订。文3的实例(如图9)亦然,且计算错误较多。(5)由前述,文1新模式(如图10右图)的两个假定及其应用举例的结论不全正确,文4的土压力分布模式4种假定之
零分布
模式在2000年刊出,而文1在2002年刊出,文1图11
规程支护结构内力计算简图新模式即
零分布
模式因此不够
新
。且文1试图从目前[2]《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-99),中国建筑工业出版社,1999计算模式(有支撑和开挖情况下)(如图10左图)得出没有开[3]田毅,何树,杨国栋,弹性抗力
m
法对单排灌注支护桩的设计应挖时结构计算简图(如图10中图),如果理解了本文4
1和用,[J]昆明理工大学学报,2002
24
2内容,那么图10中图就不应有土压力,不存在文1的
理[4]秦四清,基坑支护设计的弹性抗力法,[J]工程地质学报,2000
8论上存在着矛盾
。[5]高大钊,陈忠汉等,深基坑工程,机械工业出版社,1999
10(6)根据本文4
1,规程3
5将基坑内侧水平抗力等同于[6]肖宏彬,蔡伟铭,多支撑挡土结构考虑开挖过程的计算分析方法,内侧土的被动土压力,此提法涉及抗力的定义,易与Winkler港口工程,1992
5
[11][7]蔡伟铭,熊祚森,多支撑挡土结构考虑开挖过程的计算方法(
C
假定土的横向抗力式P=ksyb0相混,建议规程作以说明。又规程附图B
0
5(如图11)中的
Emz说明是基坑内侧各土层法),[J]建筑结构,1996
7
弹性抗力值的合力之和,建议规程将
基坑内侧
修改为
基坑底[8]范文田,地下墙柱静力计算,人民铁道出版社,1978[9]横山幸满著,唐业清译,桩结构物的计算方法和计算示例,中国铁两侧
。道出版社,1984参考文献[10]杨凤翔,陆君良,数值分析,天津大学出版社,1985[1]崔自治,张长领,支护结构中杆系有限元法计算的新模式,建筑结[11]朱浮生,地基基础设计与计算,北京:人民交通出版社,2005
5构,2002
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