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基坑工程支护结构如何选择?

356 2020-08-05 08:53:27


6-2-4-1 支护结构的类型和组成

支护结构(包括围护墙和支撑)按其工作机理和围护墙的形式分为下列几种类型:

水泥土挡墙式,依靠其本身自重和刚度保护坑壁,一般不设支撑,特殊情况下经采取措施后亦可局部加设支撑。

排桩与板墙式,通常由围护墙、支撑(或土层锚杆)及防渗帷幕等组成。

土钉墙由密集的土钉群、被加固的原位土体、喷射的混凝土面层等组成。

现将常用的几种支护结构介绍如下。

6-2-4-2 支护结构的选型

1.围护墙选型

(1)深层搅拌水泥土桩墙

深层搅拌水泥土桩墙围护墙是用深层搅拌机就地将土和输入的水泥浆强制搅拌,形成连续搭接的水泥土柱状加固体挡墙(图6-48)。

水泥土加固体的渗透系数不大于10-7cm/s,能止水防渗,因此这种围护墙属重力式挡墙,利用其本身重量和刚度进行挡土和防渗,具有双重作用。

水泥土围护墙截面呈格栅形,相邻桩搭接长宽不小于200mm,截面置换率对淤泥不宜小于0.8,淤泥质土不宜小于0.7,一般粘性土、粘土及砂土不宜小于0.6。格栅长度比不宜大于2。

墙体宽度b和插入深度hd,根据坑深、土层分布及其物理力学性能、周围环境情况、地面荷载等计算确定。在软土地区当基坑开挖深度h≤5m时,可按经验取b=(0.6~0.8)h,hd=(0.8~1.2)h。基坑深度一般不应超过7m,此种情况下较经济。墙体宽度以500mm进位,即b=2.7m、3.2m、3.7m、4.2m等。插入深度前后排可稍有不同。

水泥土加固体的强度取决于水泥掺入比(水泥重量与加固土体重量的比值),围护墙常用的水泥掺入比为12%~14%。常用的水泥品种是强度等级为32.5的普通硅酸盐水泥。

水泥土围护墙的强度以龄期1个月的无侧限抗压强度qu为标准,应不低于0.8MPa。水泥土围护墙未达到设计强度前不得开挖基坑。

如为改善水泥土的性能和提高早期强度,可掺加木钙、三乙醇胺、氯化钙、碳酸钠等。

水泥土的施工质量对围护墙性能有较大影响。要保护设计规定的水泥掺合量,要严格控制桩位和桩身垂直度;要控制水泥浆的水灰比≤0.45,否则桩身强度难以保证;要搅拌均匀,采用二次搅拌工艺,喷浆搅拌时控制好钻头的提升或下沉速度;要限制相邻桩的施工间歇时间,以保证搭接成整体。

水泥土围护墙的优点:由于坑内无支撑,便于机械化快速挖土;具有挡土、挡水的双重功能;一般比较经济。其缺点是不宜用于深基坑、一般不宜大于6m;位移相对较大,尤其在基坑长度大时。当基坑长度大时可采取中间加墩、起拱等措施以限制过大的位移;其次是厚度较大,红线位置和周围环境要作得出才行,而且水泥土搅拌桩施工时要注意防止影响周围环境。水泥土围护墙宜用于基坑侧壁安全等级为二、三级者;地基土承载力不宜大于150kPa。

高压旋喷桩所用的材料亦为水泥浆,只是施工机械和施工工艺不同。它是利用高压经过旋转的喷嘴将水泥浆喷入土层与土体混合形成水泥土加固体,相互搭接形成桩排,用来挡土和止水。高压旋喷桩的施工费用要高于深层搅拌水泥土桩,但它可用于空间较小处。施工时要控制好上提速度、喷射压力和水泥浆喷射量。

(2)钢板桩

1)槽钢钢板桩

是一种简易的钢板桩围护墙,由槽钢正反扣搭接或并排组成。槽钢长6~8m,型号由计算确定。打入地下后顶部接近地面处设一道拉锚或支撑。由于其截面抗弯能力弱,一般用于深度不超过4m的基坑。由于搭接处不严密,一般不能完全止水。如地下水位高,需要时可用轻型井点降低地下水位。一般只用于一些小型工程。其优点是材料来源广,施工简便,可以重复使用。

2)热轧锁口钢板桩(图6-49)

热轧锁口钢板桩的形式有U型、L型、一字型、H型和组合型。建筑工程中常用前两种,基坑深度较大时才用后两种,但我国较少用。我国生产的鞍IV型钢板桩为“拉森式”(U型),其截面宽400mm、高310mm,重77kg/m,每延米桩墙的截面模量为2042cm3。除国产者外,我国也使用一些从日本、卢森堡等国进口的钢板桩。

钢板桩由于一次性投资大,施工中多以租赁方式租用,用后拔出归还。

钢板桩的优点是材料质量可靠,在软土地区打设方便,施工速度快而且简便;有一定的挡水能力(小趾口者挡水能力更好);可多次重复使用;一般费用较低。其缺点是一般的钢板桩刚度不够大,用于较深的基坑时支撑(或拉锚)工作量大,否则变形较大;在透水性较好的土层中不能完全挡水;拔除时易带土,如处理不当会引起土层移动,可能危害周围的环境。

常用的U型钢板桩,多用于周围环境要求不甚高的深5~8m的基坑,视支撑(拉锚)加设情况而定。

(3)型钢横挡板(图6-50)

型钢横挡板围护墙亦称桩板式支护结构。这种围护墙由工字钢(或H型钢)桩和横挡板(亦称衬板)组成,再加上围檩、支撑等则一种支护体系。施工时先按一定间距打设工字钢或H型钢桩,然后在开挖土方时边挖边加设横挡板。施工结束拔出工字钢或H型钢桩,并在安全允许条件下尽可能回收横挡板。

横挡板直接承受土压力和水压力,由横挡板传给工字钢桩,再通过围檩传至支撑或拉锚。横挡板长度取决于工字钢桩的间距和厚度由计算确定,多用厚度60mm的木板或预制钢筋混凝土薄板。

型钢横挡板围护墙多用于土质较好、地下水位较低的地区,我国北京地下铁道工程和某些高层建筑的基坑工程曾使用过。

(4)钻孔灌筑桩(图6-51)

根据目前的施工工艺,钻孔灌筑桩为间隔排列,缝隙不小于l00mm,因此它不具备挡水功能,需另做挡水帷幕,目前我国应用较多的是厚1.2m的水泥土搅拌桩。用于地下水位较低地区则不需做挡水帷幕。

钻孔灌筑桩施工无噪声、无振动、无挤土,刚度大,抗弯能力强,变形较小,几乎在全国都有应用。多用于基坑侧壁安全等级为一、二、三级,坑深7~15m的基坑工程,在土质较好地区已有8~9m悬臂桩,在软土地区多加设内支搅(或拉锚),悬臂式结构不宜大于5m。桩径和配筋计算确定,常用直径600、700、800、900、1000mm。

有的工程为不用支撑简化施工,采用相隔一定距离的双排钻孔灌筑桩与桩顶横梁组成空间结构围护墙,使悬臂桩围护墙可用于-14.5m的基坑(图6-52)。

如基坑周围狭窄,不允许在钻孔灌筑桩后再施工1.2m厚的水泥土桩挡水帷幕时,可考虑在水泥土桩中套打钻孔灌筑桩。

(5)挖孔桩

挖孔桩围护墙也属桩排式围护墙,多在我国东南沿海地区使用。其成孔是人工挖土,多为大直径桩,宜用于土质较好地区。如土质松软、地下水位高时,需边挖土边施工衬圈,衬圈多为混凝土结构。在地下水位较高地区施工挖孔桩,还要注意挡水问题,否则地下水大量流入桩孔,大量的抽排水会引起邻近地区地下水位下降,因土体固结而出现较大的地面沉降。

挖孔桩由于人下孔开挖,便于检验土层,亦易扩孔;可多桩同时施工,施工速度可保证;大直径挖孔桩用作围护桩可不设或少设支撑。但挖孔桩劳动强度高;施工条件差;如遇有流砂还有一定危险。

(6)地下连续墙

地下连续墙是于基坑开挖之前,用特殊挖槽设备、在泥浆护壁之下开挖深槽,然后下钢筋笼浇筑混凝土形成的地下土中的混凝土墙。

我国于20世纪70年代后期开始出现壁板式地下连续墙,此后用于深基坑支护结构。目前常用的厚度为600、800、l000mm,多用于-12m以下的深基坑。

地下连续墙用作围护墙的优点是:施工时对周围环境影响小,能紧邻建(构)筑物等进行施工;刚度大、整体性好,变形小,能用于深基坑;处理好接头能较好地抗渗止水;如用逆作法施工,可实现两墙合一,能降低成本。

由于具备上述优点,我国一些重大、著名的高层建筑的深基坑,多采用地下连续墙作为支护结构围护墙。适用于基坑侧壁安全等级为一、二、三级者;在软土中悬臂式结构不宜大于5m。

地下连续墙如单纯用作围护墙,只为施工挖土服务则成本较高;泥浆需妥善处理,否则影响环境。

(7)加筋水泥土桩法(SMW工法)

即在水泥土搅拌桩内插入H型钢,使之成为同时具有受力和抗渗两种功能的支护结构围护墙(图6-53)。坑深大时亦可加设支撑。国外已用于坑深-20m的基坑,我国已开始应用,用于8~10m基坑。

加筋水泥土桩法施工机械应为三根搅拌轴的深层搅拌机,全断面搅拌,H型钢靠自重可顺利下插至设计标高。

加筋水泥土桩法围护墙的水泥掺入比达20%,因此水泥土的强度较高,与H型钢粘结好,能共同作用。

(8)土钉墙

土钉墙(图6-54)是一种边坡稳定式的支护,其作用与被动起挡土作用的上述围护墙不同,它是起主动嵌固作用,增加边坡的稳定性,使基坑开挖后坡面保持稳定。

施工时,每挖深1.5m左右,挂细钢筋网,喷射细石混凝土面层厚50~100mm,然后钻孔插入钢筋(长10~15m左右,纵、横间距1.5m×1.5m左右),加垫板并灌浆,依次进行直至坑底。基坑坡面有较陡的坡度。

土钉墙用于基坑侧壁安全等级宜为二、三级的非软土场地;基坑深度不宜大于12m;当地下水位高于基坑底面时,应采取降水或截水措施。目前在软土场地亦有应用。

(9)逆作拱墙

当基坑平面形状适合时,可采用拱墙作为围护墙。拱墙有圆形闭合拱墙、椭圆形闭合拱墙和组合拱墙。对于组合拱墙,可将局部拱墙视为两铰拱。

拱墙截面宜为Z字型(图6-55),拱壁的上、下端宜加肋梁(图6-55a);当基坑较深,一道Z字型拱墙不够时,可由数道拱墙叠合组成(图6-55b),或沿拱墙高度设置数道肋梁(图6-55c),肋梁竖向间距不宜小于2.5m。亦可不加设肋梁而用加厚肋壁(图6-55d)的办法解决。

圆形拱墙壁厚不宜小于400mm,其他拱墙壁厚不宜小于500mm。混凝土强度等级不宜低于C25。拱墙水平方向应通长双面配筋,钢筋总配筋率不小于0.7%。

拱墙在垂直方向应分道施工,每道施工高度视土层直立高度而定,不宜超过2.5m。待上道拱墙合拢且混凝土强度达到设计强度的70%后,才可进行下道拱墙施工。上下两道拱墙的竖向施工缝应错开,错开距离不宜小于2m。拱墙宜连续施工,每道拱墙施工时间不宜超过36h。

逆作拱墙宜用于基坑侧壁安全等级为三级者;淤泥和淤泥质土场地不宜应用;拱墙轴线的矢跨比不宜小于1/8;基坑深度不宜大于12m;地下水位高于基坑底面时,应采取降水或截水措施。

2.支撑体系选型

对于排桩、板墙式支护结构,当基坑深度较大时,为使围护墙受力合理和受力后变形控制在一定范围内,需沿围护墙竖向增设支承点,以减小跨度。如在坑内对围护墙加设支承称为内支撑;如在坑外对围护墙设拉支承,则称为拉锚(土锚)。

内支撑受力合理、安全可靠、易于控制围护墙的变形,但内支撑的设置给基坑内挖土和地下室结构的支模和浇筑带来一些不便,需通过换撑加以解决。用土锚拉结围护墙,坑内施工无任何阻挡,位于软土地区土锚的变形较难控制,且土锚有一定长度,在建筑物密集地区如超出红线尚需专门申请。一般情况下,在土质好的地区,如具备锚杆施工设备和技术,应发展土锚;在软土地区为便于控制围护墙的变形,应以内支撑为主。对撑式的内支撑见图6-56。

支护结构的内支撑体系包括腰梁或冠梁(围檩)、支撑和立柱。腰梁固定在围护墙上,将围护墙承受的侧压力传给支撑(纵、横两个方向)。支撑是受压构件,长度超过一定限度时稳定性不好,所以中间需加设立柱,立柱下端需稳固,立即插入工程桩内,实在对不准工程桩,只得另外专门设置桩(灌筑桩)。

(1)内支撑类型

内支撑按照材料分为钢支撑和混凝土支撑两类。

1)钢支撑:钢支撑常用者为钢管支撑和型钢支撑两种。钢管支撑多用φ609钢管,有多种壁厚(10、12、14mm)可供选择,壁厚大者承载能力高。亦有用较小直径钢管者,如φ580、φ406钢管等;型钢支撑(图6-57)多用H型钢,有多种规格(表6-67)以适应不同的承载力。不过作为一种工具式支撑,要考虑能适应多种情况。在纵、横向支撑的交叉部位,可用上下叠交固定(图6-57所示);亦可用专门加工的“十”形定型接头,以便连接纵、横向支撑构件。前者纵、横向支撑不在一个平面上,整体刚度差;后者则在一个平面上,刚度大,受力性能好。在端头的活络头子和琵琶斜撑的具体构造参见图6-58。

H型钢的规格表6-67

尺寸

(mm)

单位重量

(kg/m)

断面积

(cm2)

回转半径

(cm)

截面惯性矩

(cm4)

截面抵抗矩

(cm3)




A×B×t1×t2

W

A

ix

iy

Ix

Iy

Wx

Wy

200×200×8×12

49.9

63.53

8.62

5.02

4720

1600

472

160

250×250×9×14

72.4

92.18

10.8

6.29

10800

3650

867

292

300×300×10×15

94.0

119.8

13.1

7.51

20400

6750

1360

450

350×350×12×19

137

173.9

15.2

8.84

40300

13600

2300

776

400×400×13×21

172

218.7

17.5

10.10

66600

22400

3330

1120

594×302×14×23

175

222.4

24.9

6.90

137000

10600

4620

701

⊙700×300×13×24

185

235.5

29.3

6.78

201000

10800

5760

722

⊙800×300×14×23

210

267.4

33.0

6.62

292000

11700

7290

782

⊙900×300×16×28

243

309.8

36.4

6.39

411000

12600

9140

843

⊙600×200×12×24

131

166.4

24.5

4.39

99500

3210

3320

321

⊙600×200×15×34

173

220.0

24.4

4.55

131000

4550

4370

456

注:A—型钢断面高度;B—型钢断面宽度;t1—型钢腹板厚度;t2—上、下翼缘厚度。

钢支撑的优点是安装和拆除方便、速度快,能尽快发挥支撑的作用,减小时间效应,使围护墙因时间效应增加的变形减小;可以重复使用,多为租赁方式,便于专业化施工;可以施加预紧力,还可根据围护墙变形发展情况,多次调整预紧力值以限制围护墙变形发展。其缺点是整体刚度相对较弱,支撑的间距相对较小;由于两个方向施加预紧力,使纵、横向支撑的连接处处于铰接状态。

2)混凝土支撑:是随着挖土的加深,根据设计规定的位置现场支模浇筑而成。其优点是形状多样性,可浇筑成直线、曲线构件,可根据基坑平面形状,浇筑成最优化的布置型式;整体刚度大,安全可靠,可使围护墙变形小,有利于保护周围环境;可方便地变化构件的截面和配筋,以适应其内力的变化。其缺点是支撑成型和发挥作用时间长,时间效应大,使围护墙因时间效应而产生的变形增大;属一次性的,不能重复利用;拆除相对困难,如用控制爆破拆除,有时周围环境不允许,如用人工拆除,时间较长、劳动强度大。

混凝土支撑的混凝土强度等级多为C30,截面尺寸经计算确定。腰梁的截面尺寸常用600mm×800mm(高×宽)、800mm×1000mm和1000mm×1200mm;支撑的截面尺寸常用600mm×800mm(高×宽)、800mm×1000mm, 800mm×1200mm和l000mm×1200mm。支撑的截面尺寸在高度方向要与腰梁高度相匹配。配筋要经计算确定。

对平面尺寸大的基坑,在支撑交叉点处需设立柱,在垂直方向支承平面支撑。立柱可为四个角钢组成的格构式钢柱、圆钢管或型钢。考虑到承台施工时便于穿钢筋,格构式钢柱较好,应用较多。立柱的下端最好插入作为工程桩使用的灌筑桩内,插入深度不宜小于2m,如立柱不对准工程桩的灌筑桩,立柱就要作专用的灌筑桩基础。

在软土地区有时在同一个基坑中,上述两种支撑同时应用。为了控制地面变形、保护好周围环境,上层支撑用混凝土支撑;基坑下部为了加快支撑的装拆、加快施工速度,采用钢支撑。

从发展看,就该继续完善和推广钢支撑,使钢支撑实现标准化、工具化,建立钢支撑制作、装拆、使用、维修一体化的专业队伍。

(2)内支撑的布置和型式

内支撑的布置要综合考虑下列因素:

1)基坑平面形状、尺寸和开挖深度;

2)基坑周围的环境保护要求和邻近地下工程的施工情况;

3)主体工程地下结构的布置;

4)土方开挖和主体工程地下结构的施工顺序和施工方法。

支撑布置不应妨碍主体工程地下结构的施工,为此事先应详细了解地下结构的设计图纸。对于大的基坑,基坑工程的施工速度,在很大程度上取决于土方开挖的速度,为此,内支撑的布置应尽可能便利土方开挖,尤其是机械下坑开挖。相邻支撑之间的水平距离,在结构合理的前提下,尽可能扩大其间距,以便挖土机运作。

支撑体系在平面上的布置形式(图6-59),有角撑、对撑、桁架式、框架式、环形等。有时在同一基坑中混合使用,如角撑加对撑、环梁加边桁(框)架、环梁加角撑等。主要是因地制宜,根据基坑的平面形状和尺寸设置最适合的支撑。

一般情况下,对于平面形状接近方形且尺寸不大的基坑,宜采用角撑,使基坑中间有较大的空间,便于组织挖土。对于形状接近方形但尺寸较大的基坑,采用环形或桁架式、边框架式支撑,受力性能较好,亦能提供较大的空间便于挖土。对于长片形的基坑宜采用对撑或对撑加角撑,安全可靠,便于控制变形。

钢支撑多为角撑、对撑等直线杆件的支撑。混凝土支撑由于为现浇,任何型式的支撑皆便于施工。

支撑在竖向的布置(图6-60),主要取决于基坑深度、围护墙种类、挖土方式、地下结构各层楼盖和底板的位置等。基坑深度愈大,支撑层数愈多,使围护墙受力合理,不产生过大的弯矩和变形。支撑设置的标高要避开地下结构楼盖的位置,以便于支模浇筑地下结构时换撑,支撑多数布置在楼盖之下和底板之上,其间净距离B最好不小于600mm。支撑竖向间距还与挖土方式有关,如人工挖土,支撑竖向间距A不宜小于3m,如挖土机下坑挖土,A最好不小于4m,特殊情况例外。

在支模浇筑地下结构时,在拆除上面一道支撑前,先设换撑,换撑位置都在底板上表面和楼板标高处。如靠近地下室外墙附近楼板有缺失时,为便于传力,在楼板缺失处要增设临时钢支撑。换撑时需要在换撑(多为混凝土板带或间断的条块)达到设计规定的强度、起支撑作用后才能拆除上面一道支撑。换撑工况在计算支护结构时亦需加以计算。