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板式支护体系的结构形式及特点

357 2021-08-24 14:40:29

板式支护体系是由支护墙体和支撑 (或拉锚) 系统组成。两部分共同作用,抵抗土压力等外荷载,维持平衡,保证深基坑开挖施工的顺利进行。

不同的支护墙体结构构件形式具有不同的特点,也就具有不同的适用范围,当然对于支撑 (或拉锚)系统也是这样。因此有必要在进行支护体系的设计之前,熟悉各种支护结构形式的特点,以便在设计选型和布置时根据实际工程条件和特点选择最适合的支护型式,达到最优支护效果。

支护墙体 

钢板桩一、槽钢钢板柱

槽钢钢板桩是一种简易的钢板桩支护墙体,由槽钢并排或正反扣搭接而成,如图6.2-1(a)(b)所示。

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其特点为∶

1.槽钢具有良好的耐久性,基坑施工完毕回填土后可将槽钢拔出回收再次使用; 

2.施工方便,工期短;

3.不能挡水和土中的细小颗粒。在地下水位高的地区需采取隔水或降水措施; 

4.抗弯能力较弱,多用于深度不超过 4m 的较浅基坑或沟槽,顶部宜设一道支撑或拉锚;

5.支护刚度小,开挖后挠曲变形较大。二、热轧锁口钢板桩柱

热乳锁口钢板桩的型式有U 型、Z型、一字型、H 型和钢管组合型。在建筑施工中常用U 型和 Z 型,基坑开挖深度很大时才用H型或组合型。如图 6. 2-2 所示。

热轧,锁口钢板板由于—次性投资较大,一般使用时多以租赁形式向钢板桩公司租用,用后拔出归还。其支护特点为;

1.系工厂化生产的支护或围护专用产品,强度、品质、锁口精度等质量能够得到保证,可靠性高;

2.钢板桩具有良好的耐久性,可回拔修正再行使用; 

3.施工方便、速度快,工期短;

4.一般可同多道钢支撑配合使用,可适用于较深基坑; 

5.支护刚度比灌注桩、地下连续墙小,开挖后墙身挠度变形大,不利环境保护;

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6.具有一定挡水能力,但在高水位软土质地区,在施工中需注意锁口处防渗,以防止水土流失引起周围土层移动变形;

7.打拔桩时有振动和噪音,拔桩时易带土,处理不当会引起周围地层移动; 

8.在土质坚硬密实或含有很多漂石地区,打桩施工困难。

钢筋混凝土板桩

钢筋混凝土板桩是一种传统的支护结构。截面带企口有—一定挡水作用。如图 6.2-3 所示。过去在地下连续墙,灌注桩挡墙尚未发展之前,除应用钢板桩外。普遍采用钢筋混凝土板柱。其存在的主要问题是打桩对周围环境的影响,需采取措施予以控制。

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钢筋混凝土板桩的支护特点为;

1.施工方便,速度快,打桩后可立即开挖,工期短;

2.与地下连续墙相比造价低,经济效果较为显著;

3.支护强度高,刚度较大,变形小;

4.打设于地下室外墙轴线外侧,可作为浇筑混凝土的外模板,甚至作为地下室复合壁式外墙的一部分;

5.打桩时的振动,挤土及噪声对周围环境影响较大,从而不适合在建筑物及地下管线密集的城区使用;

6.接头处企口具有一定的防水效果,但在高水位软土质地区,仍需注意防止接头处的漏水所引起的水土流失现象;

7.在硬土层中打设施工困难,不适合应用。

H型钢木挡板

H 型钢木挡板作为支护墙体是沿基坑周围先间隔一定距离打下 H 型钢,然后在土体开挖过程中,随挖随将木板插人护壁。如图 6.2-4 所示。

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这种支护结构适用于土质较好,地下水位较低的地区,其支护特点为∶ 

1.可充分发挥 H 型钢抗弯能力强的特点,减少土壁稳定所需支撑或拉锚道数;

2.施工方便、速度快,工期短;

3.H型钢桩一次性投资大,支护工程完毕后要将桩拔出再行使用,否则很不经济;

4。打桩和拔桩施工对周围影响大;

5.对水土流失的封闭作用差,特别在高水位软土质地区,易导致基坑周围土体较大变形,从而对周围产生不利影响,需采取隔水或降水措施。

6.2.1.4 钻孔灌注桩

钻孔灌注桩排桩式挡十墙在我国最早在京、广州、武汉等地使用。以后逐渐推广到沿海软土地区。近年来,通过上海等地的大量基坑工程实践,以及随着防渗技术的提高,钻孔灌注桩挡土墙的适用范围逐渐扩大,再加之利用钻孔灌注桩作为主要受力构件的组合支护形式的推出和发展,使得钻孔灌注桩排桩式挡墙已成为应用非常广泛的一种支护墙体形式(图6.1-2)。

钻孔灌注桩支护墙体的特点有;

1. 施工时无振动、无噪声等环境公害,无挤土现象,对周围环境影响小; 2.墙身强度高、刚度大,支护稳定性好,变形小;

3.当工程桩也为灌注桩时,可以同步施工,从而施工利于组织、方便、工期短; 4。桩间缝隙易造成水土流失,特别是在高水位软粘土质地区,需根据工程条件采取注浆、水泥搅拌桩、旋喷桩等施工措施以解决挡水问题;

5.适用于软粘土质和砂土地区,但是在砂砾层和卵石中由于施工困难应慎用; 6.桩与桩之间主要通过桩顶冠果和围檩连成整体,因而相对整体性较差。当在重要地区、特殊工程及开挖深度很大的基坑中应用时需要特别慎重。

6.2.1.5 地下连续墙

地下连续墙最早于1950 年出现在意大利,用于大坝或贮水池的防渗墙,之后地下连续墙的建造技术在世界各地获得推广。我国于1958 年开始采用排桩式地下连续墙作为水坝防渗墙。近十多年来,地下连续墙技术在工程实践中和理论研究上都获得了很大成就。

地下连续墙作为深基坑开挖施工支护墙体,其特点表现为;

1.施工时噪音低、振动小,能够紧邻相近建筑物和地下管线施工,施工时对周围环境的影响小;

2.地下连续墙墙身刚度大、强度高、整体性好,因而结构和地基变形都较小,可用于重要地区特殊工程及超深基坑的支护结构;

3.地下连续墙为钢筋混凝土整体连续结构,耐久性好,防渗能力强,既可挡土又可挡水;

4.为现场浇筑,故可根据需要形成直线型或折线型壁板式,还可以施工成T 型、可 型等特殊型式,以增加支护的刚度、强度及稳定性;

5.可结合逆作法施工,以提高支护质量,缩短工期,并作为主体结构的地下室外墙或其一部分;

6. 施工工艺较为复杂,其施工质量依赖于成熟的工艺和完善的组织管理,另外废泥浆处理不当会造成环境污染;

7.相对其它支护墙体型式,造价昂贵,因此在采用时需经过技术比较,确认为是经济合理、因地制室时才可使用。

SMW支护结构

在水泥搅拌桩内插入H 型钢或其它种类的受拉材料,形成受力和防水的复合结构,在日本称为 SMW 工法,如图 6.2-5。SMW 支护结构将支承荷载与防渗结合起来。同时具有承力和防渗两种功能,近年来国内开始使用于开挖深度6~10m 的基坑,在日本结合多道支撑已应用于开挖深度达 20m 的基坑。

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在水泥搅拌桩中插入的受拉材料常用 H型钢,有时也应用钢管、拉森钢板桩等。SMW支护结构的支护特点主要为;

1.施工时基本无噪声,对周围环境影响小;

2.结构强度可靠,凡是适合应用水泥搅拌桩的场合都可使用,特别适合于以粘土和粉细砂为主的松软地层;

3.挡水防渗性能好,不必另设挡水帷幕; 4.可以配合多道支撑应用于较深的基坑;

5.此工法在—定条件下可代替作为地下围护的地下连续墙,在费用上如果能够采取—定施工措施成功回收H 型钢等受拉材料。则大大低于地下连续墙。因而具有较大发展前景

6. 2. 2 支撑(或拉锚)系统 6.2.2.1 支撑系统

支撑系统是承受围护墙体传递来的土压力、水压力等外荷载的结构体系,其组成包括围檩、支撑、立柱等构件。

支撑系统的结构型式特点根据其所用材料和布置形式的不同而不同。一、支撑(一)按材料划分

深基坑开挖围护体系的支撑系统所用材料可以采用木材、钢筋混凝土和钢材等,其中常用的是钢筋混凝土和钢支撑两种。

1.钢筋混凝土支撑

钢筋混凝土支撑是目前应用较为广泛的一种支撑形式,特别在我国沿海的软土质地区。其特点主要表现为∶

(1)截面形式和尺寸可以根据设计要求和受力情况任意确定;

(2)支撑系统在平面上可任意布置,可形成拱、桁架等合理的受力形式;

(3)截面尺寸大,刚度大,变形小;

(4)安全可靠,强度高,整体稳定性好。支撑杆件可以与围檩、圈梁甚至围护墙体(钻孔灌注桩)整浇在一起,从而大大提高支护体系的整体性和稳定性;

(5)耐碰撞性能好,有利于机械挖土施工;

(6)经计算可在支撑系统上堆载,从而节省施工用地,适用于狭小场地的地下工程施工;

(7)松弛变形小;

(8)支撑浇制和养护时间长,达到设计强度从而形成支撑作用前需硬化周期,不利于加快施工速度。这点对于软粘土质地区尤为突出,因为这样一来围护墙体处于无撑暴露的时间长,软粘土体的粘性变形不利于控制而造成墙体入土部分位移大;

(9)不能重复利用,并且拆除困难,往往需要爆破拆除,而对周围环境有影响;(10)自重大,需要较多的支撑立柱;(11)不能预加轴压力以减小支护变形。 2. 钢支撑

钢支撑常用的有热轧型钢,H 型钢和钢管等,其中热轧型钢由于截面较小,多用于开挖规模不大的基坑或沟槽等,对于深大基坑的钢支撑则多用H 型钢或钢管撑。钢支撑的特点主要表现为∶

(1)材料强度高;

(2)材料均匀性好,一般为工厂制品,材质离散性小;

(3)安装、拆除施工方便,速度快,工具化程度高,有利于控制土体粘性变形造成的位移;

(4)可重复使用,若能提高其工具化程度,便可更加减少损耗,提高其经济性;(5)可以预加支撑轴压力,以减少支护变形;(6)一次性耗钢量大,初始成本高;(7)耐碰撞性能差;

(8)截面尺寸较小,支护刚度小,在布置时不利增大支撑间距以方便挖十作业;(9)若重复使用次数过多或在长度上连接点过多,在轴力或偏心力的作用下易失稳;(10)施工工艺要求较高,节点构造处理要求妥善,否则会大大降低支撑能力;(11)构件间难以形成刚性连接,对整个支撑系统的整体性和稳定性不利。

钢筋混凝土支撑和钢支撑各有优劣之处,因而适用范围不同。需要注意的是其选用不是绝对的,在实际工程设计时,需各取所长,扬长避短,综合优化,以求最佳。如上海汽车工业大厦基坑工程,主楼部分开挖深度7.8m,采用钻孔灌注桩作为挡土墙,设两道支撑,上道为钢筋混凝土支撑,以将相对独立的钻孔灌注桩连接成整体挡墙,加强支护的整体性;下道支撑采用了φ609 钢管作为支撑,以加快施工速度,减少基坑无撑暴露时间,控制变形和位移。

(二)按布置形式划分

根据支撑在坑内的布置形式,一般包括对撑、角撑和钢筋混凝土环梁支撑,以及边桁架,对撑桁架等组合形式,如图 6.2-6 所示。

1.对撑

对撑的布置较适合于平面形状较为规则的基坑。利用基坑的对称性将支撑对顶于基坑两对侧。对于长条形基坑采用对撑最为有利,如图 6.2-6(a)的中间部分。对撑可布置于撑在两长边上。当基坑的长宽比不是很大时,需要将两个方向的对边都布置对撑,这时支撑布置成井格形。

对撑形式具有计算模式简单,受力明确合理,施工便利等特点。但是当基坑平面较为复杂时,便不利于对撑的布置了;当基坑在长度上较大时,对撑在基坑纵向上的刚度可能会因过小而使其支撑性能得不到充分发挥,造成较大变形;面且当支撑布满整个基坑时,则不利于挖土机械的挖土作业。这时,在支撑布置上则需要根据具体情况,在局部结合角撑等型式以提高支撑性能,改善施工效果。

2.角撑

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角撑即是将支撑布置于基坑相邻两边,与墙体形成一定角度,如图 6.2-6(a)两侧角部的支撑即为角撑。角撑在布置上可使基坑留出较大的空间以方便挖土施工作业,而且在一些平面形状较为复杂的基坑局部布置角撑可以弥补对撑在局部的不足,当基坑长宽比较大时,基坑短边可利用角撑进行支撑,如图 6. 2-6 (a)所示。

角撑的受力不如对撑明确合理,由于安装或施工偏差易造成偏心受压甚至受弯;围檩与角撑及与支护墙体之间产生剪力,当开挖或荷载不对称时角撑可能会受扭。这样复杂的受力状态使角撑在设计时和施工时都需认真对待,包括在设计上采取相应的构造措施抵抗附加应力,在施工上严格按照设计要求进行施工,譬如严格控制施工偏差,严格遵守挖土程序等,以保障支护体系的安全。

因而,角撑与对撑型式各具特点,各有不足,在具体应用时应综合考虑,取长补短,以达到最佳支撑效果。

3.钢筋混凝土环梁支撑

钢筋混凝土环梁支撑是近年来发展起来的一种支撑形式。它适用于平面轮廓较接近正方形的基坑,如图 6.2-6 (b)所示,对于长方形轮廓的基坑可结合对撑或采用双圆环梁形式。当基坑有圆弧段时可结合入环梁内,使圆弧段成为钢筋混凝士环梁的一部分。此种支撑型式在上海已多次应用于超大型基坑的支撑系统。环梁直径已达近百米。实践证明,它具有强度高,刚度大,整体性和稳定性高的特点,能够保证基坑开挖所要求的安全及变形控制的需要;充分利用钢筋混凝土抗压强度高的特点,在设计上可避免混凝土受拉;为大面积开挖土方,大体积出土施工提供了大空间的挖土施工作业条件。

因而,钢筋混凝土环梁支撑是一种值得推广的支撑形式,在具体施工过程中,要求精心组织施工的每一个环节,由于圆形钢筋混凝土环梁具有整体性好并要求保持在同一平面内受力以及基本上是轴向受力、均匀受力等特点,所以在现场施工管理上首先必须树立整体意识的观念,为了满足环梁平面内受力的要求,圆环施工时标高必须严加控制;为了满足环梁均匀受力的要求,在土方开挖时,必须注意开挖程序和挖土路线,使挖土工况能够满足圆形环梁对称均匀受力的基本要求。

4.组合桁架

对于平面形状比较复杂的基坑,可以采用钢筋混凝土组合桁架作为平面内支撑系统。根据组合桁架的布置位置及布置形式,可分为对撑桁架、斜撑桁架及边桁架等,如图 6.2-6〔c)、(d)所示。

在支撑平面内需要留设较大作业空间时,宜采用组合桁架支撑形式组成平面支撑体系,充分利用钢筋混凝土支撑平面布置灵活,各构件间节点可靠,整体性强等特点,从而使各构件共同作用,协调受力,组成强度高、刚度大的支撑系统。

由于组合桁架在其受力平面内共同受力,因而在施工时需严格控制其平面标高,避免系统平面外受力,从而影响其支护能力。

二、立柱

当基坑的平面尺寸较大时,需布置支撑立柱来支持水平支撑系统的自重,同时还可以防止支撑弯曲,在一定程度上起到缩短支撑的计算长度,防止支撑失稳破坏的作用。

支撑立柱通常采用钢立柱。由于在基坑开挖结束浇筑底板的时候支撑立柱一般不能拆除,所以立柱最好做成格构式,以利于底板钢筋的通过,否则必须截断底板钢筋或在立柱侧壁上穿洞,而造成不必要的麻烦。

在软土质地区,钢支撑立柱不能直接支承于地基上,而需要支承于立柱桩上。目前常用的方法是采用灌注桩作为立柱支承桩,灌注桩混凝土浇至基坑底面为止,钢立柱穿入灌注桩立柱支承桩可与工程桩一同施工,或在允许的情况下直接利用工程桩作为立柱支承桩,如图 6.2-7 所示。支撑立柱通常设于支撑交叉部位,因此应根据支撑系统的平面布置来确定其位置设置,在施工时立柱桩应准确定位,以防偏离支撑交叉部位。另外,支撑立柱由于须穿过结构底板,因而需在其穿过底板承台的位置进行仔细的防水处理,比如在立柱根部设置止水板。

三、围檩

围檩的作用为将支护墙体上所承受的土压力、水压力等外荷载传递到支撑上,从受力上来看是一种受弯剪的构件,围檩的另一个重要作用是加强支护墙体的整体性,将支护墙体的各施工单元组成一个整体而共同受力。因而,增强围檩的刚度、强度对加强整个支护体系的刚度和强度及稳定性具有重要意 义。特别是采用钢板桩、混凝十板桩及钻孔,灌注桩

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等排桩式支护墙体时。 由于桩间未形成咬合搭接的整体。因而通过大截面的围摘将各单桩连成整体可有效提高支护墙体的整体性。即使对于整体性较好的地下连续墙,在支撑部位一般也要求设置围檩,以防止支撑直接撑在地下连续墙上面可能产生的局部剪坏。

根据支撑和支护墙体所用材料,围檩常用钢围檩和钢筋混凝土围檩。一般当支撑采用钢支撑时,围檩多采用钢围檩;当支撑和支护墙体采用钢筋混凝土时,围模常采用钢筋混凝土,视工程具体情况而定。

钢围檩多用H 型钢或双拼槽钢等,通过设置于围护墙土的钢牛腿与墙体连接,或通过墙体内伸出的吊筋予以固定,如图 6.2-8 所示,围檩与墙体间的空隙用细石混凝土填塞。

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钢筋混凝土围檩与钢筋混凝土支撑在平面内形成整体。位于围护桩墙顶部的围檩常利用桩顶冠梁,并和围护墙体整浇,桩身处的围檩亦可通过桩身预埋筋或吊筋固定,如图6.2-9所示

拉锚系统

当施工场地周围条件许可,而且工程地质条件较好时,可以采用坑外拉锚形式形成对支护墙体的支撑作用。相对于坑内支撑系统而言,坑外拉锚不占坑内施工场地,从而大大方便了挖土的施工作业,这对于加快施工速度。提高施工效率都是十分有利的。

拉锚的形式包括土层锚杆和锚碇拉锚及锚桩拉锚

一、土层锚杆(一)土层锚杆的构造

土层锚杆是一种新型的受拉杆件型式,它的一端与支护墙体相联结,另一端锚固在土体之中,将支护墙体通过围檩或直接传来的荷载通过拉杆传递到处于稳定土层中的锚固体上,再由锚固体将传来的荷载分散到周围稳定的土层中去。

锚固支护结构的土层锚杆,通常由锚头、锚头垫座、支护结构、钻孔、防护套管、拉杆、锚固体、锚底板等组成,如图 6.2-10 所示。

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1.普通锚杆

如图 6.2-11(a)所示,由钻孔机钻孔,埋入拉杆后以低压(0.3~0.5MPa)向孔内注入水泥浆、水泥砂浆等形成圆柱体,适用于拉力不高的临时性土层锚杆;

2.扩大头锚杆

如图 6.2-11(6)所示,由旋转式钻机或回转式冲孔机成孔,成孔后高压〈2~5MPa)注人浆液,在土层中形成扩大区,适用于抗拔力要求较大工程;

3.齿形锚杆

如图 6.2-11 (c)所示,采用特制扩孔机械,通过中心杆压力将扩张式刀具缓缓张开,在孔眼内沿长度方向扩一个或几个扩大头的圆柱体,然后注浆形成,适用于砂土和粘性土,可以达到较高的抗拔力。

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(三)土层锚杆抗拔原理

锚杆所以能锚固在土层中作为一种受拉杆件,主要是由于锚杆在土层中具有定的抗拔力。如图 6.2-12 所示,当锚固段锚杆受力,首先通过拉杆与周边水泥砂浆握寡力传到砂浆中。然后通过砂浆传到周围土体。传递过程随着荷载增加,拉杆与水泥砂浆粘结力(握塞力)逐渐发展到锚杆下端,待锚固段内发挥最大粘结力时,就发生与土体的相对位移,随即发生土与锚杆的摩阻力,直到极限摩阻力。

抗拔试验证明,拉力小时锚杆位移量极小;拉力增大,位移增大;拉拔力继续增加达

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对于锚碇或锚桩之间的最小间距及锚碇或锚桩的尺寸、长度等应计算确定,为增加系统的整体性,锚桩间最好通过锚梁连通,此锚梁可起到类似围檩的作用。

(二)特点

1,拉锚系统位于坑外,方便基坑土方开挖施工;

2.地下室结构施工方便,无换撑、拆撑等施工工序;

3.基坑周边需有足够场地以保证锚碇或锚桩处于稳定地层范围内; 

4.可以施加预应力以控制变形; 

5.施工方便,造价亦较便宜;

6.在软粘土质地区需注意土体流变造成的挡墙位移,必要时可多次拉紧拉杆以控制位移的发展;

7.拉杆只能位于较浅土层,不能用于多层锚拉结构的下层拉杆。