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拱圈挡土结构设计与施工基本原理

318 2022-07-13 15:24:35

我们知道,土压力只是随基坑深度变化的锯齿三角形线性分布荷载,没有集中力。因此,在基坑周边有条件起拱的场地条件下,可以采用闭合的水平挡土拱圈来支护深基坑;在基坑周边仅有一边、两边乃至多边有条件起拱时,可以采用非闭合的水平挡土拱圈和其他挡土结构组合形成混合式挡土结构支护深基坑。


拱结构是以受压为主的结构,拱上的弯矩很小,因此拱结构本身强度破坏或失稳的可能性甚微。


水平挡土拱圈支护深基坑的基本原理是将拱结构是以受压为主、拱上弯矩很小的这一力学特性应用于抵抗深基坑的开挖与支护中水平方向土压力和水压力。一方面,作用在闭合拱圈上的土压力和水压力的大部分在拱圈内自身平衡,互相抵消,少部分不平衡力可以由拱脚支座处的被动土压力承担,并能够充分地利用抗压强度高的混凝土材料特性来承担拱内压应力,只需配少量环向主筋承担拱圈内较小的弯矩,而挡土桩是靠埋入基坑底以下桩的嵌固深度和在桩上增加锚杆或支撑及桩内配大量的钢筋来抵抗土压力和水压力的,因而挡土桩是一种非常不利的悬臂式受力结构;另一方面,拱圈是沿支护高度分多道施工的,第一道拱圈合拢后和随着拱圈混凝土强度的增长,从而承担着该道拱圈支护高度上的土、水压力以及限制了土体位移。这时,基坑处于安全工作状态。每道拱圈分别承受该道拱圈高度内的土、水压力;不互相影响。因而再挖土施工下面各道拱圈也是安全的。不会像挡土桩那样越往下挖,桩上弯矩越大,挡土结构越来越危险。自第二道拱圈始,拱圈是严格分段施工的,上面各道拱圈自重由绝大部分没有开挖槽段的土支撑着,只要严格施工,拱圈不会在自重作用下下滑。


另外,拱圈挡土结构对土压力具有较强的自身平衡和调整的作用。例如靠近椭圆拱圈长轴处和靠近非闭合拱圈的支座处,由干拱圈排向土体。十压力位移方向的改变、这两处


的土压力不再是主动土压力,而变为被动土压力,从而使拱结构的内力发生变化,重新调整,自身平衡;另一方面,由于闭合混凝土拱圈具有较大刚度,当基坑周边的地质条件出现较大差异时,挡土拱圈将向软弱土方向位移,这时软弱土处将出现与主动土压力完全相反的位移,从而土压力将从主动土压力状态改变为被动土压力状态,由于位移方向的改变,被动土压力的迅速增加,拱圈内力自身调节平衡,从而使拱圈的位移停止,而保持稳定状态。


拱圈挡土结构只是解决挡土、水压力的问题。不是解决防水问题,防水可另外单独处理。

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