剪力键分布密度对支护桩抗浮结构的影响研究_钟丽.pdf

d o i:1 0.3 9 6 3/j.i s s n.1 6 7 4-6 0 6 6.2 0 2 3.0 1.0 1 9剪力键分布密度对支护桩抗浮结构的影响研究钟 丽1,罗明星1,刘晓璇2,王兴肖3(1.湖北工程学院土木工程学院,孝感4 3 2 0 0 0;2.武汉理工大学土木工程与建筑学院,武汉4 3 0 0 7 0;3.城发环保能源有限公司,郑州4 5 0 0 0 0)摘 要:针对利用支护桩抗浮结构中剪力键分布密度的问题,运用A B AQU S有限元软件,将结构视为弹性材料,从而建立了不同剪力键分布密度下结构的有限元模型。研究结果表明:剪力键分布密度对结构构件影响明显;剪力键分布密度应根据实际工程的具体要求来进行确定,考虑到工程要求,可以适当调整。在有严格要求的重要地下工程中,剪力键分布密度建议取1;在抗渗要求不高的地下结构中,满足结构安全的情况下,可以取2或3。关键词:剪力键;支护桩;抗浮;地下结构I n f l u e n c eR e s e a r c ho fS h e a rC o n n e c t o rD e n s i t yo nC o n s t r u c t i o no fR e t a i n i n gP i l e sW o r k i n ga sa nA n t i-f l o a t i n gM e t h o dZHONGL i1,L U O M i n g-x i n g1,L I UX i a o-x u a n2,WANGX i n g-x i a o3(1.S c h o o l o fC i v i lE n g i n e e r i n g,H u b e iE n g i n e e r i n gU n i v e r s i t y,X i a o g a n4 3 2 0 0 0,C h i n a;2.S c h o o l o fC i v i lE n g i n e e r i n ga n dA r c h i t e c t u r e,Wu h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,Wu h a n4 3 0 0 7 0,C h i n a;3.C i t yE n v i r o n m e n tC l e a nE n e r g yC o,L t d,Z h e n g z h o u,4 5 0 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:W i t hr e g a r dt ot h es h e a rc o n n e c t o rd e n s i t yo fr e t a i n i n gp i l e sw o r k i n ga sa na n t i-f l o a t i n gm e t h o dp r o b-l e m s,a f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e lo fd i f f e r e n ts h e a rc o n n e c t o rd e n s i t yw a se s t a b l i s h e db ya d a p t i n gt h eA B AQU Ss o f t w a r ea n dr e g a r d i n gc o n s t r u c t i o na se l a s t i cm a t e r i a l.I tw a ss h o w nt h a t:s h e a r c o n n e c t o rd e n s i t yh a v eag r e a t e r e f f e c to nt h es t r u c t u r a l c o m p o n e n t s;m o r ec h o i c e s c a nb em a d ea c c o r d i n gt ot h ea c t u a l e n g i n e e r i n gs i t u a t i o n s.C o n s i d e r i n gt h ee f f e c t i v e n e s so fp r o j e c t s,t h ed i s t r i b u t i o nd e n s i t yo fs h e a rc o n n e c t o r sc a nb ea d j u s t e dp r o p e r l y.I t i ss u g g e s t e dt h a t t h ed i s t r i b u t i o nd e n s i t yo f s h e a r c o n n e c t o r s i s1i nt h e i m p o r t a n tu n d e r g r o u n dc o n s t r u c t i o nw i t hs t r i c tr e q u i r e m e n t s.w h e nt h eu n d e r g r o u n dc o n s t r u c t i o nd o n t r e q u i r em u c h i nt h ew a yo f i m p e r m e a b i l i t y,t h ed i s t r i b u t i o nd e n s i t yo f s h e a r c o n n e c-t o r sc a ne q u a l 2o r3a f t e rs e c u r i t yn e e d sa r em e t.K e yw o r d s:s h e a r c o n n e c t o r;r e t a i n i n gp i l e;a n t i-f l o a t i n g;u n d e r g r o u n ds t r u c t u r e收稿日期:2 0 2 2-0 8-2 6.基金项目:湖北省孝感市自然科学计划项目资助(X G K J 2 0 2 2 1 0 1 0 1).作者简介:钟 丽(1 9 9 4-),助理实验师.E-m a i l:z l h e p b u r n 1 2 6.c o m在地下水丰富的地区,一些下沉式广场、城市地铁、地下人防工程、地下变电站以及地下管廊等的抗浮设计,有时利用基坑的临时支护结构来抵抗地下水对结构的浮力,从而使结构的承载力与变形都在可控范围内,这种方法称为利用支护结构的抗浮设计方法。由于充分利用了传统废弃的支护结构的抗拔承载力,使得底板抗拔桩的数量降低,结构底板厚度减少,抬高了基础标高,节约了基坑降水与土方开挖成本。相比于传统方法,该方法具有明显的经济与社会效益,成为了一项越来越有发展前途以及推广价值的抗浮措施。这一方法最早于1 9 3 3年在日本首次提出,此后该方法被越来越多的地区广泛采用。如金明等1结合昆明某地下两层车库采用悬臂支护桩兼作抗拔桩的技术,实现了悬臂支护桩兼作抗拔桩的应用实例,阐明了利用悬臂支护桩兼作抗拔桩技术的可行性,也提出了地下结构的局部抗浮力是不容忽视的问题。曾国机等2分析了深圳地铁部分区段采用护坡桩兼作抗浮桩的工程实例,认为围护桩兼作地下结构抗浮时其深度应同时满足基坑边坡稳定及结构上浮的要求,并应采取构造措施连接结构与围护桩以有效地传递抗剪力。王卫86建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第1期东等3通过对深基坑支护结构与主体结构相结合技术的总结,认为这种方案有利于保护环境、缩短建设周期,是进行可持续发展的城市地下空间开发的有效技术手段。夏江等4、左人宇等5提出围护排桩除在基坑开挖中作挡土结构外,也可作为工程桩承担上部结构荷载,同时还作为地下室外墙抗侧压力结构体系的一部分。该技术可大量节省地下工程投资,且施工工艺简单。同时也提出了采用此法后,考虑桩的抗侧向荷载作用,墙体厚度和配筋大为减少,墙厚基本可按人防要求的最小厚度设计,地下室外墙的墙体厚度可减小5 0%左右。裴尧尧6以某项目采用支护桩兼作抗拔桩的工程实例为背景,推导出了利用支护桩抗浮比增加自重法经济的长、宽边界条件。凌飞7以武汉地铁二号线范湖站深基坑用地下连续墙兼作抗拔桩的工程为背景,认为这种抗浮设计方法是可以满足安全稳定性的要求的,但有必要适当的增加地下连续墙的配筋率。然而,目前利用支护结构抗浮方法的研究大多是针对方法可行性的研究,对连接支护桩与主体结构的剪力键分布密度等没有过多的研究。针对上述问题,以湖北省某大型地下人防工程实例为依托,选取典型结构,采用A B AQU S有限元软件进行数值模拟,研究了剪力键分布密度对结构性能的影响。1 有限元模型的建立基于文献8 的研究,支护桩与主体结构采用主体结构伸出剪力键与冠梁搭接的连接方式,如图1所示。主体结构产生浮力时,荷载通过剪力键传递给冠梁,然后通过冠梁传递给支护桩,支护桩再将荷载传递到土体中去。以湖北省某大型地下人防工程实例为原型,模型的几何尺寸:柱截面尺寸为6 5 0mm6 5 0mm,间距7.5m;剪力键截面为4 0 0mm11 0 0mm;桩长1 3m,间距1.4m;冠梁截面为6 0 0mm12 0 0mm,模型总长取2 0.5m。钢筋混凝土采用C 3 D 8单元,主体结构及冠梁两端采用对称约束,桩周采用地弹簧约束,地弹簧刚度取5.11 08N/m;其它相关参数详见图2。基于文献9 的研究,忽略侧板与土体间的摩擦力,作为结构抗浮安全储备。剪力键与冠梁之间的相互作用采用硬接触1 0,1 1模拟来实现,摩擦系数取0.6 5。整体结构采用弹性模型,材料相关参数见表1。表1 模型物理力学性能参数材料名称密度/(k gm-3)弹性模量E/MP a泊松比主体结构25 0 034 0 00.3 0剪力键、冠梁25 0 033 0 00.3 0桩体25 0 030 0 00.2 5 根据文献1 2,1 3,考虑到地区地下水位的影响,模型中地下水浮力的计算取基础的深度与潜水位之和作为设计计算的抗浮水位,不考虑浮力的折减,即作用在底板上的浮力取8 1k P a;同时考虑施工阶段的受力特殊性,忽略地面荷载的有利影响,施加在顶板的荷载取2 3.4k P a;底板的配重荷载取1 8k P a,考虑结构自重影响以及土体对支护桩内外的土压力影响,土体按土体参数平均值计算,=1 8k N/m3,c=1 2k P a,=2 0。对于支护桩与地下主体结构连接构件-剪力键的间隔桩数n的选取,是工程设计应该考虑的重要因素之一。若n值太小,会造成工程耗费增加,使用效率降低;n值过大,又会导致结构剪力键所受到的荷载增加,不能满足结构承载力的要求。为了研究剪力键间隔桩数的变化规律,考虑到剪力键的承载能力,将剪力键间隔数目选取为1、2、3根,并将模型编号如表2所示。有限元网格如图3所示。96建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第1期表2 模型编号模型编号B 1B 2B 3间隔距离/m1.42.83.2相当间隔桩数,n1232 计算结果分析图4是剪力键分布密度变化对顶板最大位移、最大应力和最大主应力曲线图。从图4中可以看出:顶板最大位移和最大应力都是随着剪力键数目的增大而平缓增大,而最大主应力在模型B 1B 2之间的增幅约5 5%,在B 2B 3之间趋于稳定。由此说明:剪力键间距的变化对顶板最大位移和最大应力影响不大,基本可以忽略;但是模型B 1和B 2间距的改变对顶板最大主应力的影响不能忽略,应考虑混凝土结构裂缝宽度受最大主应力的影响。因此就顶板而言,可以考虑在抗渗要求不高的情况下,选取n=2或n=3。图5为剪力键分布密度变化对底板影响曲线图。由图5可以看出,底板最大位移随n的增长趋势与顶板类似,增幅控制在0.5mm以内,影响也不大;底板最大应力和最大主应力在n=1与n=2时基本不变,而在n=3