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基坑支护优化设计方案(一)

374 2020-12-21 08:57:41
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关于基坑工程
现在随着高层建筑和人们对地下空间的重视,基坑开挖深度越来越深,开挖面积也越来越大,对基坑的技术要求也越来越高。因此基坑支护作为基坑工程的重要环节,它的质量就显得至关重要。大部分的基坑支护为临时性结构,投资太大容易造成浪费,但支护结构不安全又势必会造成工程事故。因此,如何安全、合理地选择合适的支护结构并根据基坑工程特点进行科学地设计优化也是目前工程建设中亟需解决的问题。
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基坑支护设计原则和优化方法
基坑支护设计原则:
1.基坑支护结构应采用以分项系数表示的极限状态设计 表达式进行设计。
2.基坑支护设计应根据承载能力极限状态和正常使用的极限状态进行计算和验算。
3.基坑支护结构设计应根据规范选用相应的侧壁安全等级及重要性系数。
4.支护结构设计应考虑其结构水平变形、地下水的变化对周边环境的水平与竖向变形的影响。
5.当场地内有地下水时,应根据场地及周边区域的工程地质条件、水文地质条件、周边环境情况和支护结构与基础型式等因素,确定地下水控制方法。当场地周围有地表水汇流、排水或地下水管渗漏时,应对基坑采取保护措施。
6.基坑支护设计内容应包括对支护结构质量检测及施工监控的要求。
7.当有条件时,基坑应采用局部或全部放坡开挖,放坡坡度应满足坡稳定性要求。
基坑支护优化设计方法
基坑支护设计方案的优化基本分为三种:
1.进行基坑支护类型的优选。
主要是采用定性及经验的评价,根据基坑的场地环境、工程与水文地质情况、各种围护结构的特点、本地经验及适用条件,综合分析围护结构的优化类型,同时也可用较为复杂的数学的手段进行支护类型的优选。
2.设计优化。
即通过极限平衡法、地基反力法、有限元数字模型,分析支护体系的水平竖向位移、设计弯矩、剪力等计算分析,通过选取合适的设计变量,制定目标函数,给定约束条件后便可模拟出较为优化的设计方案。
3.参考施工工程的实时监测数据进行信息化施工,并反馈设计人员进行实时优化。
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基坑支护类型方案优选原则
1.先进性、施工技术可靠性分析
2.对于周边环境的影响程度进行评价
3.施工工期长短分析
4.支护的综合经济对比
基坑支护类型的选择与场地地质条件、基坑周围环境情况、地下水条件,施工工序和工艺流程及监测措施都有关系。对于同一个工程而言,不同的基坑支护方案对工程造价、周边环境的影响程度等方面都会不同。而一般设计方案必须经过专家论证会的论证,因此内部方案的优化、优选应在论证会之前完成,避免重新组织专家论证会。
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基坑支护结构类型
基坑工程在实践中形成了多种成熟的支护构形式,每种支护形式都有其特定的适用范围,在其分析设计中,均需综合考虑了基坑的工程规模、周边环境、工程水文地质条件、工程经济性等因素的影响。
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放坡开挖及土钉墙
放坡开挖适用条件
•场地条件允许,满足边坡稳定性
•透水性较强的土,周边环境能承受降水的影响
•基坑深度较深,可与其他支护形式组合
•浜填土区域,采用土体加固等措施 

特点
•方便开挖,施工工期较快
•适用范围有限,软土地区的深基坑坑不适合
•位移较大,对周边环境的影响较大
•造价较低
放坡开挖设计要点
排水(坑边截流,坑内外排水)与降水
放坡坡面设置防护层 
粉土等渗透性较强的土层需设置泄水管
深度大于5米的土质边坡宜分级放坡且设置过渡平台
需满足稳定性要求
土钉墙适用条件
•安全等级为二、三级的非软土场地
•基坑深度不宜大于12米
•地下水位高于基坑底面时应采取降水或截水措施
•当基坑滑动面内有建筑物及重要管线时不适用

特点
•方便开挖,施工工期较快
•适用范围有限,软土地区的深基坑坑不适合
•位移较大,对周边环境的影响较大
•造价较低


土钉墙设计要点
排水(坑边截流,坑内外排水)与降水
放坡坡面设置防护层 
粉土等渗透性较强的土层需设置泄水管
需验算土钉抗拉承载力 需满足稳定性要求
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水泥土重力式挡墙
适用条件
•安全等级为二、三级的基坑
•基坑深度不宜大于7米
•适用于淤泥质土、淤泥基坑
•坑边(1~2倍开挖深度范围)有重要建筑物时应慎用

特点
•水泥搅拌桩施工方便;开挖方便施工进度快
•与有支撑支护相比,位移相对较大
•具有良好的止水性能和土层适用范围
•造价适中

放坡开挖设计要点
稳定性验算(抗滑移稳定、抗倾覆稳定、圆弧滑动稳定性、坑底抗隆起稳定性和抗渗流稳定) 
墙体应力计算
格栅面积验算 
墙体变形验算
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桩墙式支护结构
适用条件
•安全等级为一、二、三级的基坑
•悬臂式结构在软土场地不宜大于5米
•地下水位高于基坑底面时,宜采用降水、排桩加截水帷幕或地下连续墙
•坑边(1~2倍开挖深度范围)有重要建筑物时应慎用

特点
•适用范围广
•当采用拉锚式或内撑式支护结构时,可有效控制位移
•具有良好的止水性能和土层适用范围
•造价一般较高

常用类型:
钢板桩、SMW工法桩、钻孔灌注桩、地下室连续墙

设计要点:
稳定性验算(抗滑移稳定、抗隆起稳定性和抗渗流稳定、嵌固稳定性验算)
围护结构设计
锚杆或内支撑结构设计

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钢板桩
钢板桩是一种带锁口的热轧型钢,钢板桩打入后靠锁口相互咬合,形成连续的钢板式连续墙。
桩适用条件
钢板桩抗侧刚度相对较小,一般变形均较大,所以只适用于开挖深度不大于10m,周边环境保护要求不高的基坑工程,对于邻近有变形敏感建(构)筑物的基坑工程不宜采用。

特点
采用定型轧制的钢板桩构件连续布置,并通过构件边缘设置的通长锁口,相互咬合形成既能止水又能共同承力的连续壁。
具有施工简单,投资经济的特点。
钢板桩本身刚度相对较小,变形控制能力较弱
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SMW工法桩
SMW工法桩是一种在连续套接的水泥土搅拌桩内插入型钢形成的复合挡土隔水结构。

适用范围
在各种类型的土质地层中均可施工,但在软质土地层中,开挖深度应_<13m,但其考虑其刚度相对较小,变形较大,在对周边环境保护要求较高及地下水位变化较为敏感的工程中,应当谨慎选用。
 
特点
在水泥土搅拌桩中插入型钢或其他芯材形成的同时具有支护和防渗两种功能的围护形式。
插入型钢一般采用H型钢,内插型钢一般在施工结束后可回收。
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钻孔灌注桩
灌注排桩围护墙,是采用连续的柱列式排列的灌注桩形成围护结构,可分为分离式、咬合式、双排式、相切式、交错式、格栅式等多种形式。

适用条件
灌注桩在软粘土、砂性土、砾石及岩层中均可应用,但需注意如在软土地层中,一般只适用于开挖深度<20m的基坑工程。

特点
以队列式间隔布置钢筋混凝土钻孔灌注桩作为主要的挡土结构,围护体刚度较大。外侧需设置封闭的止水帷幕。
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地下室连续墙
地下连续墙,可分为现浇地下连续墙和预制地下连续墙两大类。现浇地下连续墙是采用原位连续成槽浇筑形成的钢筋混凝土维护墙,地下连续墙具有挡土和隔水双重作用。预制地下连续墙采用常规施工方法成槽后,在泥浆中先插入预制墙段等预制构件,然后以自凝泥浆或注浆置换成槽用的护臂泥浆插入预制构件,以自凝泥浆的凝固体填塞墙后空隙和防止构件间接缝渗水,形成地下连续墙。

适用条件
地连墙比较适用开挖深度较大的基坑工程(高度大于10m),特别是其他围护体无法满足要求时,常采用地下连续墙作为围护体,一般用于对邻近建(构)筑物保护要求较高、对基坑自身变形和防水要求较高的工程。常用墙厚0.6、0.8、1.0和1.2米。

特点
地下连续墙可兼作地下室外墙,一般集挡土、承重、止水和防渗功能于一身。
对多种地质条件和复杂的施工环境适应能力较强。
造价较高。
在实际工程中,结合每个工程的岩土、水文等地质条件,综合运用各种软件、技术对支护方案从不同角度进行可行性分析和比选,并结合工程造价经济目标,在满足支护结构安全适用的前提下,降低工程造价,寻找一个最优解决方案是基坑支护结构优化设计的主要目标。