变径桩优化设计论文

2022-04-18

摘要:高速铁路不仅要求路基具有较高的强度,而且对沉降的控制也提出更高的要求。桩复合地基作为一种处理深厚软土地基的方法,可以有效的控制路基工后沉降,节约成本。关键词:CFG桩复合地基,变桩长,优化设计1前言目前,以桩为代表的复合地基已被广泛应用于工程中。下面是小编为大家整理的《变径桩优化设计论文(精选3篇)》,仅供参考,希望能够帮助到大家。

变径桩优化设计论文 篇1:

基于数值分析的城市地铁深基坑围护结构优化设计探讨

摘要:以合肥轨道交通一号线太湖路站深基坑工程为背景,运用Flac3D有限差分软件对深基坑开挖进行模拟计算。首先分析了在钻孔灌注桩+内支撑的围护结构中,支撑刚度、桩体内径、支撑的竖向间距及混凝土支撑间距对桩体侧移变形和内力的影响程度,然后综合考虑结构可靠性和经济成本,提出了深基坑围护结构的优化设计方案,最后通过模拟计算得出了优化后的设计方案能在满足工程安全的前提下使地铁基坑施工更加科学合理,降低工程造价并缩短工期。

关键词:深基坑;围护结构;数值分析;优化设计;

0 引 言

合肥市属于江淮地区冲积平原地貌单元,自上而下各土层总体分布稳定,土层的工程力学性质较好,无不良地层。随着合肥城市轨道交通如火如荼的建设,深基坑支护结构随处可见,如何结合合肥地铁深基坑施工经验 ,因地制宜的制定合理的围护结构设计方案和施工方案[1],使深基坑施工既在技术上安全可靠,又在经济成本上节约,这就需要通过比较深基坑开挖过程中的常见因素对围护结构内力和变形的影响程度,制定深基坑工程围护结构设计的优化措施[2-4],结合具体深基坑工程分析比较深基坑围护结构中钻孔灌注桩+内支撑体系的原设计方案与优化方案,并与现场监测进行了比较分析,得出优化方案能够在保证工程安全的前提之下节约工程成本,提高施工效率。

1 工程背景

太湖路车站位于马鞍山路与太湖路交叉口,沿马鞍山路南北向布设,沿线紧邻有高架桥、110kV变电所和某三层框架建筑物,车站主体为地下两层岛式站台车站,总长度460m,车站标准段宽度24m,埋深约为16.5m-26.3m。本工程所在场地地貌属南淝河二级阶地,无不良地层,地下水主要为上层滞水。图1-1为基坑典型剖面图,图1-2为基坑施工情况。

2 数值模拟

2.1 建立计算模型

合肥太湖路车站主体基坑平面尺寸为460m×24m(长×宽),开挖深度约为20m,据已有初步计算结果和相关工程经验,基坑长边中间部分受开挖影响状态相同[5],为提高计算效率,避免多余重复计算,取计算模型的基坑平面尺寸为36m×24m×40m。据相关技术资料及现场监测结果均表明:基坑开挖对周围环境的影响范围一般为基坑开挖深度的3-4倍[6-8]。因此考虑以上因素,调整过后整个模型的尺寸为100m×144m×40m(长×宽×高)。模型如图2-1所示。

2.2 计算参数和工况

据勘察设计单位提供的岩土勘察报告,模拟计算中选取的土层物理参数见表2-1。

本工程主体结构采用明挖顺筑法施工,数值模拟按施工步骤分为5个工况,具体见表2-2。

3 深基坑围护结构变形的设计影响因素

本文考虑的围护结构变形的设计影响因素主要有如下四个:

(1)混凝土支撑间距

(2)支撑刚度

(3)支撑竖向间距

本文对以上影响因素逐一进行研究分析,重点考察这些因素变化对桩体侧移变形的影响。

3.1 混凝土支撑间距

根据合肥地质和深基坑施工经验,可增加混凝土支撑间距,以期达到节约成本,提高施工效率的目的。原混凝土支撑间距=3000mm,拟另取=4500mm、=6000mm、=9000mm,其它围护结构设计保持不变。图3-1为四种混凝土支撑间距设置下,深基坑第四步开挖终了时的侧移变形图。结果显示,混凝土支撑间距越大,桩体顶部侧移变形越大,其中=9000mm时的桩顶侧移变形最大值为34.61mm,累计超过设计控制值18.6%,势必会给基坑的安全施工带来很大风险。当不大于6000mm时,桩体侧移变形都在设计安全控制值以内,=6000mm时,桩顶侧移变形最大值为29.55mm,已非常接近于设计临界值30.00mm,考虑到基坑开挖存在的时间效应,并且施工中往往出现开挖过快,支撑架设滞后的情况,致使实际桩顶侧移变形往往会超过计算值,因此为保证围护结构的设计可靠性,同时减少材料消耗,可选择=4500mm的情况,桩顶侧移变形为25.10mm,在工程安全设计控制值范围以内,同时相比原混凝土间距=3000mm时减少了大量混凝土方消耗,节约工程造价200万元至300万元,而且施工效率也得到了提高。

3.2 支撑刚度

支撑刚度表达式为,其中弹性模量、支撑长度一般为固定值。对于本工程深基坑,以60916mm钢支撑刚度为标准值,其截面积设为A0,定义A=A0,可拟通过改变值调整支撑刚度大小,分析支撑刚度的变化对桩体侧移变形和支撑轴力的影响。图3-2为桩体侧移变形随支撑刚度的变化曲线图,可从中看出,随着支撑刚度的增大,深基坑桩体侧移变形值逐渐减小,但当增大到1.5时,增大支撑刚度并不能对改善桩体侧移变形值起到很好的效果。截面积过大一方面会加大工程成本,另一方面给基坑开挖施工带来不便,因此在满足基坑施工安全的前提下,避免钢支撑材料的消耗, 60916mm钢支撑已经能满足承载力及相关规范要求,使桩体侧移变形控制在设计安全值的80%以内。

3.3 支撑竖向间距

地铁基坑施工中,支撑竖向间距的布置一般是按照施工经验来进行确定的,有时具有一定的盲目性,施工时支撑布置的竖向间距并不是合理的。为了解各相邻支撑竖向间距对深基坑变形的影响,在原设计方案的基础上拟将支撐架设另分四种情况考虑:

A.第二道支撑上移到标高-3.0m,第三道支撑上移到标高-10.0m。

B.第二道支撑上移到标高-3.0m,第三道支撑下移到标高-15.0m。

C.第二道支撑下移到标高-8.7m,第三道支撑下移到标高-15.0m。

D.第二道支撑下移到标高-8.7m,第三道支撑上移到标高-10.0m。

图3-3为相邻支撑间距变更后的A、B、C、D四个方案与原设计方案的桩体侧移变形对比曲线图。结果显示:支撑下移后对桩体侧移变形有明显的改善作用,其中桩体侧移变形结果最小的是方案C,其次是方案B,方案A的桩体侧移变形反而有增大趋势,究其原因,笔者认为根据现场已有的深基坑变形规律如图3-4,桩体侧移变形整体相对较大值发生在深基坑中下部区域,方案B和方案C拟将支撑标高下移到桩体变形较大区域有利于支撑控制桩体变形的增长。

4 优化方案

4.1 优化方案的制定

拟根据前面第3节深基坑围护结构变形的设计影响因素的分析结果,拟取混凝土支撑间距=4500mm,钻孔灌注桩内径=600mm,内支撑采用609 ×16mm钢支撑,支撑竖向间距取方案C即第二道支撑下移到标高-8.7m,第三道支撑下移到标高-15.0m。

4.2 原方案与优化方案的对比

通过对地铁深基坑开挖采取原围护结构设计方案和优化方案时的计算模拟,可得桩体侧移变形的对比结果如下图4-1,结果显示围护结构设计优化后,最大侧移变形为25.51mm,相比原方案减少侧移变形10.1%,同时也节约了成本达1500余万元,施工效率也得到提高。

5 结语

本文对影响深基坑围护结构设计的主要因素进行了研究,对支撑刚度、支撑竖向间距、混凝土支撑间距和钻孔灌注桩内径变化对围护结构变形及内力影响的模拟计算表明,支撑竖向间距的调整可对围护结构优化设计的安全性、经济性起到关键作用,支撑刚度的变化对围护结构的影响较小,此外由于合肥地区的土层工程力学性质较好,在满足深基坑设计安全控制值的前提下可适当增大桩体内径、增大混凝土支撑间距,使围护结构比原方案较经济合理,降低工程造价,深基坑施工更加科学。

参考文献

[1] 杨晓强. 某基坑支护方案的设计优化[J].山西建筑,2012,38(3):71-72.

[2] 袁萍. 地铁车站深基坑施工期变形的时空演化特征及支护措施优化研究[D].成都:成都理工大学,2013.

[3]陈业川. 深基坑支护的优化[J]. 山西建筑, 2012,38(6): 55-57.

[4] 李娟娟. 内撑式条形深基坑支护结构的优化研究.[D]. 成都:西南交通大学, 2012.

[5] 李佳宇,张子新. 圆砾层地铁车站深基坑变形特征三维数值分析[J].地下空间与工程学报,2012,8(1):71-76.

[6]龚晓南. 对岩土工程数值分析的几点思考[J].岩土力学,2011,32(2):321-325.

[7] 刘国彬,王卫东.基坑工程手册[M].北京: 中国建筑工业出版社,2009.

[8] 高芬. 基坑开挖对周围地埋管线及土体变形影响分析[D].北京:北京交通大学,2012.

[9] Itasca Consulting Group,Inc. , ed.Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions,Version 3. 0,Users’Manual. 2002: Minneapolis,MN,USA.

[10] 孫书伟,林杭,任连伟.Flac3D在岩土工程中的应用[M]. 北京:中国水利水电出版社,2011:190-191.

作者:文杰

变径桩优化设计论文 篇2:

站场路基CFG桩复合地基变桩长优化设计

摘要:高速铁路不仅要求路基具有较高的强度,而且对沉降的控制也提出更高的要求。桩复合地基作为一种处理深厚软土地基的方法,可以有效的控制路基工后沉降,节约成本。

关键词:CFG桩复合地基,变桩长,优化设计

1 前言

目前,以桩为代表的复合地基已被广泛应用于工程中。采用变桩长桩复合地基处理在条形荷载作用下的高速铁路路基工程,是一种有良好应用前景的新基础形式。

2 CFG桩复合地基设计

2.1 CFG桩复合地基设计理论

工程设计中需要同时满足承载力要求以及地基变形的要求,因此CFG桩复合地基设计理论是按沉降控制设计理论按变形控制设计则是先按变形控制要求进行设计,然后验算地基承载力是否满足要求。在地基变形满足要求的条件下,承载力一般情况下大部分能满足如承载力不能满足要求,适当增加复合地基置换率或增长桩体长度,使承载力满足要求即可。对采用复合地基的建筑物来说,对应于一种确定的桩型,必然有一条桩的数量和建筑物基础的沉降量S的关系曲线 。利用曲线,对于不同的沉降量控制值,都可直接确定相应的桩数。桩数与沉降关系实际上也表示出了工程投资与沉降量的关系。减小沉降必须增加工程投资,于是按变形控制设计可以更好地控制基础工程的投资,达到既安全又经济的。

2.2 CFG桩复合地基参数确定

CFG桩属于高粘结强度桩,和褥垫层一起形成复合地基。通过调整桩长,桩距和褥垫层厚度,既可以较好地满足承载力要求,也较容易调整天然地基和复合地基之间的差异沉降。设计时必须明确地基处理是为了解决地基承载力问题还是变形问题,针对不同的问题,解决方式均不相同。1. 桩长CFG桩复合地基要求桩端落在好的土层上,这是桩复合地基设计的一个重要原则。另外,由于桩具有一定的粘结强度,在荷载作用下不会像碎石桩出现剪涨破坏,可像其他刚性桩一样发挥侧摩阻力,落在较好持力层上又具有明显端承力。对于地基承载力较高荷载又不是很大的情况,可以适当调整桩长,将桩长设计得短些,反之可将桩长适当加长。2.桩径CFG桩桩径的确定去取决于所采用的成桩设备,d一般取350—600mm。若桩径过小,施工质量不易控制桩径过大,需要加大褥垫层厚度才能保证桩土共同承担上部结构传递荷载。3.桩间距桩距的合理性在于桩、桩间土承载力能否很好地发挥,施工时新打桩对已打桩是否产生不良影响,经济上是否合理。一般桩间距s=3-5(d),桩距的大小取决于设计要求的复合地基承载力和变形量、土性和施工机具,所以选用桩距时需考虑承载力的提高幅度应满足设计要求、施工方式、场地地质条件和造价等因素。试验表明,其他条件相同时,桩距越小,复合地基承载力越大当桩距小于4倍桩径后,随桩距的减小,复合地基承载力的增长率明显下降。从桩、土作用的发挥考虑,以桩距大于4倍桩径为宜。4.桩体强度原则上桩体配比按桩体强度控制,桩体试块抗压强度应满足下式要求: 式中 — 混凝土合料试块(边长150mm立方体) 标准养护28d立方体抗压强度平均值;— 单桩竖向承载力标准值,KN; — 桩的截面积, 。5.桩帽由于顶部为柔性的褥垫层,桩顶有明显的刺入,桩帽的存在可显著的减小桩顶刺入量的大小。路堤下刚性桩复合地基中,宜采用大桩帽,大间距的设计方法。

3 CFG桩复合地基桩长的优化设计

3.1优化设计的基本概念

从广义的角度看,优化设计方法主要有三种类型:第一就是事先确定不同的方案,然后在此基础上进行方案优选。在实际设计过程中,进行不同方案之间的比较。第二是采用建立在工程概念上的优化设计方法,比如准则法,这种优化方法在分析架等杆件设计中应用比较广。第三是采用建立在数学规划基础上的优化设计方法,目前己有部分研究人员开始采用这种方法对复合地基进行优化设计。CFG桩复合地基的设计优化包括复合地基形式的合理选用、复合地基换率、加固深度及桩体强度选择等的合理组合及选用。进行优化设计时,首先要明确采用复合地基的目的,采用CFG桩复合主要是解决地基承载力不足,还是解决地基变形,或者说基础沉降量过大是两者兼而有之。对上述不同目的,复合地基优化设计的思路是不同的。对CFG桩来说,桩的承载力主要取决于桩侧摩擦力和桩端摩阻力之和及桩身强度的大小。因此增加桩长可有效提高桩的承载力。在设计中首先应充分利用天然地基的承载力,然后通过协调提高桩体承载力和增大置换率来达到既满足承载力要求,又比较经济的目的。对复合地基主要用于减小地基变形时,复合地基优化设计就更为重要,根据复合地基的位移场特性可知,复合地基加固区的存在使附加应力的高应力向下伸展,附加应力影响深度加深。当软弱下卧层较厚时,下卧层土体压缩复合地基总沉降比例很大。因此,有效减小复合地基变形的最有效的方法是减少软弱下卧层土体的压缩量。减少软弱下卧层压缩量的方法最有效的方法是增加复合地基的加固深度,减少软弱下卧层的厚度。增加复合地基置换率和增加刚度可以使复合地基加固区的压缩变形量进一步减小,但因其本身压缩量小,进一步减小的潜力不大。而且上述两项措施不仅不能减小下卧层土体压缩量,还有可能因为下卧层土体中附加应力值的增大,使得下卧层的压缩大。

3.2优化设计思路

目前的桩基设计方法,包括设计规范,是建立在满足承载力的基础上的。近年来国内外的许多研究表明,对于群桩基础,从控制沉降角度而设计的桩数按变形控制设计要比按目前常规设计法承载力控制设计的桩数少。在我国,变形控制理论在软土地区的另一方面应用是在软土基坑支护结构的设计中,其基本的思想是基坑的支护结构在满足强度的前提条件下,尚需满足其使用要求,即在基坑施工过程中既要保证其安全、不失稳,又要保证其对周围环境不造成破坏性影响。综上,复合地基按变形控制设计可以按下述设计思路进行。在不改变桩间距及桩径的前提下,只改变桩长来调节路堤荷载作用下的沉降。第一步先确定桩端持力层、桩型、和单桩承力第二步假定基础底面尺寸第三步计算基础沉降与桩数的关系曲线,第四步验算整体强度。根据第三、四步的计算结果再返回到第一、二步进行修正进行第三、第四步的计算。如此循环,以求得相对经济合理的设计。在计算过程中,根据计算公式进行验算,计算时关键的是复合地基的变形计算,只有掌握一定数量的同类型工程在同一条件下复合地基的沉降观测资料,并经过统计对比、分析,取得当地的经正系数。只有用这种半经验的方法才能得到符合当地实际的沉降量与桩数关系曲线。

3.3优化设计参数

1.桩间土桩间土性质对复合地基沉降的影响较大。随着浅层土体模量的增加,复合地基沉降减小,下卧土层土体模量增加,复合地基沉降减小。下卧层土体的变形模量越高,桩越难发生刺入变形,下卧层土体自身的变形越小,从而使复合地基的整体沉降减小。因此根据实际土层确定桩长是至关重要的一步。对于宽大路基,宽度越大越难保证土层完全水平,设计时不仅需要根据宽度对沉降的影响设计桩长,还应充分考虑不同土层模量的因素,尽量使桩端落在较好的土层上。

2.垫层厚度褥垫层是复合地基的重要组成部分,合理的垫层厚度不仅能充分发挥桩间土的承载力,还有助于减小地基面由桩与土不同沉降引起的沉降差。

3.桩帽尺寸对于软土较厚、性质较差的路段,即使设置刚性垫层,仍不能彻底解决桩顶平面较大差异沉降的问题。所以需要在桩顶部设置桩帽,桩帽的作用是将桩承担更大的上覆荷载,减小作用在桩间土上的荷载,从而有效的减小地基沉降,并减小地基面的桩土沉降差,因此,设计时可通过带桩帽,适当增加桩间距的方法,充分利用桩土的共同作用,来达到控制地基沉降,降低工程造价的目的。

4参考文献

[1]阎明礼等,CFG桩复合地基在工程中的应用[R],北京:中国建筑科学研究院,1992

[2]杨军等,褥垫层在复合地基中的应用[J],建筑科学,1993

作者:吉勇

变径桩优化设计论文 篇3:

丹东东港地区静压管桩桩基优化设计

摘要: 阐述了静压管桩在丹东东港地区的的应用现状,结合工程实例,采用有限元分析软件对静压管桩桩基进行优化设计,并提出合理方案,从而降低造价,控制成本。

关键词: 静压管桩;优化设计;数值模拟;沉降;承载力

1. 引言

近十几年来,静压管桩技术以其单桩承载力高、抗震性能好、无噪音、造价适中、施工周期短、施工现场文明、易于检测等优点, 形成了从珠江三角洲向长江三角洲、由南向北、由东向西、沿海沿江沿湖向内陆地区迅速发展的态势。2003年以来,辽宁地区采用静压管桩基础的工程项目越来越多,呈现了良好的发展态势,这对辽宁省加快经济建设步伐具有重要意义。

本文选取丹东东港某能源储备基地桩基工程检测数据进行研究,结合数值模拟方法,对东港地区静压管桩基础设计进行优化,为静压管桩技术在丹东地区的发展提供指导性意见。

2. 工程概况及试桩分析

该工程为丹东市临港工业区某能源储备基地 ,该场地采用预制管桩基础,混凝土设计等级为C80,桩径∮400mm,单桩承载力特征值1400KN,工程桩总数722根,检测桩数8根。

该场地地层自上而下依次为:第1层 杂填土,稍湿~湿状态,约1m~2.5m;第2层 淤泥质粉质粘土,软塑~流塑状态,地基承载力特征值fak=13kPa,约10.3~15.7m;第三层 细沙,密实状态,地基承载力特征值fak=38.8kPa,地层埋深大于18m,本次勘察未能揭穿。

依据《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2000)、《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106-2003)、《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)、《建筑基桩及复合地基检测技术规程》(DB21/T1450-2006)的相关规定进行。本次静载试验采用快速维持荷载法即逐级加荷,每级荷载达到稳定趋势后,加下一级荷载。

根据现场试验原始记录整理的桩顶沉降量与荷载的对应关系分析各试桩的竖向抗压极限承载力如下:1#-8#试桩荷载加至3000 kN,试验结果沉降稳定,满足设计要求,终止试验。

此时,单桩竖向抗压承载力特征值可取1400 kN,满足设计要求,但是存在着承载力和沉降严重浪费的情况。

3. 静压管桩桩基优化设计

笔者选取三根试验桩进行分析、对比。三根桩桩径均为400mm,持力层入土深度均为18m。

通过图表可以看出,当加载到2倍设计承载力特征值时,沉降仍没有达到规范限定的40mm,在加载到3000kN时,三根试桩的最大沉降仅为19.66mm,可见承载力和沉降都产生了极大的浪费,因此对桩基进行优化设计是十分必要的。

为此可以采取以下措施优化桩基设计:

1、由于该场地上部为杂填土,第二层又有10多米厚的淤泥质粉质粘土,侧阻较小,承载力发挥大部分依赖持力层的端阻和侧阻,所以减少持力层的入土深度,减小桩长是一项有效措施。

为此笔者对所做的8根试桩的持力层入土深度和最终沉降量做了对比:

通过对比可以看出,沉降量并不随桩的持力层入土深度的增加而线性减小,变化很不明显,对于降低造价非常不利,因此,想一味的通过增加持力层入土深度减小沉降,提高极限承载力是不合理的。

此外,笔者还利用有限元模拟软件,合理简化建模,选取Drucker—Prager弹塑性本构关系,对不同持力层入土深度的静压管桩进行模拟。

综上,笔者建议在该地区持力层入土深度控制在13到15米时比较合适。

2、复压加快固结沉降,以沉降换取承载力

静压桩是一种静力挤土桩,地基土在有侧限情况下具有一定的弹性,桩在压至设计深度解除压力后,会产生不同程度

的逆向反弹。这就是为什么某些试验桩开始沉降量非常大的原因之一,反弹使桩端土的密实度降低,在建筑物完成后,荷载会使反弹的地基土重新压实而造成一定量的沉降,即影响工程质量又降低了极限荷载值。静压桩在解除压力后再复压一次,在整个工程完工,地基土固结基本完成时再复压一次,既可以保证工程质量又能使沉降提前固结,提高极限承载力限值,从而达到降低造价控制成本的目的。

4. 结语

本文通过对丹东东港某场地的8组静压管桩单桩静载试验数据分析对比,结合有限元分析软件,给出了减小持力层入土深度、复压加快固结提高承载力两条建议,为本地区建设工程发展,降低造价,控制成本提供了一些建设性的意见。

作者:吴 岩