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面向问题的基坑降水与支护设计

336 2021-08-16 14:22:09

在深基坑事故中,因设计方案不当造成的事故占有相当大的比重。我国不同地区的地质条件相差甚大,深基坑事故往往体现出地区性特征,如何针对具体地区、具体基坑制订行之有效的具体方案,如何面向问题解决问题是急待解决的重大问题。

一、控制深基坑开挖地质环境效应的流程图

深基坑开挖是一个复杂的地质工程问题,它既涉及到基坑自身强度与稳定的问题,又句含了地质环境问题,同时还涉及到对社会的影响问题,加上我国深基坑开挖的地质条体复杂多变,这样就更加剧了深基坑开挖环境控制的难度。我们根据工程实际情况,及本研究的一些成果,提出了如下深基坑开挖的地质环境效应预测及对策的流程图(图 11-9)。

图 1-9 中,前期的工程地质勘察是进行合理设计的前提,如果对开挖区地质条件认识不清,将导致设计的失败,且会对地质环境造成大的影响;正,确设计是环境控制的关键所在,是决定工程成功与否,工程经济与否的关键所在,监测手段的运用是控制环境变化的有 力手段。以下将对深基坑工程中的降水及支护设计重点加于讨论。

二、深基坑工程中的降水及支护设计

在深基坑工程中,由于在支护工程,降水工程及环境保护工程中都有比较突出的关键问题,并目这些问题决定或控制着其他问题,为了使深基坑开挖顺利进行,就得首先解决这些问题。因此,我们提出了针对问题的设计思想。

在针对问题设计中我们把深基坑工程视为一个对象。它包括了三个子对象—— 基坑降水工程,基坑边坡加固工程,环境保护工程(图 11-10),分别找出这三个子对象的特殊问题

(如果没有,则该子对象就按常规方法进行设计),同时对找出的几个特殊问题进行比较,确定最能控制和影响深基坑工程的问题。以该问题为中心进行,同时围绕这个中心,在各个子对象设计时,又以解决各 子对象的特殊问题为出发点进行设计,这就是面向问题的设计思想。

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1.面向问题的降水设计

如何苯制开挖场地的地下水是深基坑工程中的一个难题。忽视深基坑中的地下水的影响,或者对开挖地段地下水的作用认识不足,都可能造成工程的失败。在深基坑工程中,处理地下水的方式有多种,主要有两大类,一类是降水措施,一类是防水措施。降水的方式又有多种,按降水所处的位置来分,可分为坑外排水,坑内排水和坑外坑内联合排水;按疏干地下水的方式来分,可分为抽水型和自渗型。防水措施主要为打防渗围幕,当然土层冻结技术也,可作为 一种防护措施。具体采用哪种措施,哪种方法,就要根据深基坑中的主要问题及降水工程的特殊问题来确定。图11-11 为面向问题的降水设计框图。

例如,基坑附近有重要建筑物,基坑底部承压水的水位理深很浅,在这种情况下进行降水设计,就面临着两个问题;一是如何保护基坑附近建筑物的安全,这一点可作为整个基坑工程的主要问题;二是要防治或者降低承压水的问题,这一点可作为降水工程的特殊问题。面对这二个问题,就要寻求解决办法。为了使基坑周围的建筑物不受基坑降水的重大影响,可以采用打防渗围幕的办法或者采用在基坑周围抽水在建筑物附近注水的办法来达到目的。但前者太昂贵,因此选用后者比较合适。

2.面向问题的支护设计

深基坑开挖是-一个复杂的过程,影响环境的因素也是多方面的,特别是支护结构的选择,将关系到整个开挖过程中环境的变化。不合理的支护形式将会导致环境发生大的变化,严重的还会引起事故。为有效地控制基坑开挖对环境的影响,维护基坑的稳定,合理的选择支护形式就尤为重要。下面将讨论各种支护形式的特点及适用范围。

(1)基坑支护结构类型∶

①钢板桩。钢板桩是一种应用广泛的基坑支护形式,通常采用槽钢和拉森钢板桩,常用断面形式有 U 型,Z 型、直线型、H 型、冷轧薄型钢。在基坑施工中常将钢板桩与内支撑钢或外拉锚锭板结合作为支护结构。上海花园饭店、静安-希尔顿,华亭宾馆,新锦江宾馆等基坑就采用了钢板桩作支护结构。但钢板桩施工时对周围影响较大,对土的拢动大,在拔桩时如不进行注浆处理,则基坑周围的土体会产生较大的沉降和位移。此外,钢板桩的长期周转使用,其锁 口变形,会影响板桩的止水性能。

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②)钢筋混凝土预制板桩。钢筋混凝土预制板柱也是一种较为经济的基坑支护结构。在上海软土地层的一些市政、建筑工程中,较多的采用了这种结构,如太平洋大酒店,陆家字沪办公大楼,马当路 1 号住宅楼的基坑支护就采用了这种支护结构。同时,钢筋混凝土预制板桩可与内衬混凝土结构结合,作为主体结构,使得造价减小,但其横截面抗弯刚度差,防渗性能及整体性能均较差,深度仅限于 9 m 以内,仅适用于土质软弱的地层,常配合并点降水使用。

③钢筋砼灌注桩。钢筋砼灌注桩在北京、广州、深圳应用得较多,如北京的新世纪饭店基坑,武汉的国贸大厦基坑,广州的白天鹅宾馆基坑,深圳的航都大厦基坑就采用了钢筋砼灌注桩。近几年在上海地区的应用也得到了发展,如上海的航天局大楼、黄河大楼、江苏路邮电楼的基坑均采用钢筋砼灌注桩作为支护结构。由于钢筋砼灌注桩截面抗弯能力强(通过配筋来控制),整体性较好,可适应各种不同的地层,加上其可与锚杆、支撑形成复合支护结构,使它的适用性大大增强。在地层性质较好,且基坑深度不大时,可采用悬臂桩支护,并可保持一定的桩间距。如果开挖深度较大,则可采用复合支护,即用护坡桩十锚杆的形式,根据开控深度的不同可采用一道锚杆或者多道锚杆,如果土层的土质较差,可选用排桩或连续墙支护,即钢筋砼桩一根连着一根,桩间不留任何空隙,这种排桩式支护也具有某种防渗作用。如果基坑开挖得较深也可以采用排桩+锚杆的结构。但是采用钢筋砼支护的基坑,由于各种原因,也出现了各种问题,如对地层的性质认识不足,没有料到某层十压力会剧增;由于护坡桩配筋不足而引起断桩,或者使桩产生大的变形;或者由于对软土性质认识不足,护坡桩入土深度不够,造成边坡滑动;而更为常见的是桩间土体的坍落,当然开挖中的间题远不只这些。因此,钢筋砼灌注桩虽然是一种普遍采用的方法,但在实际设计中,应考虑各种因素的影响,慎之又慎。

④水泥加固土深层搅拌桩。水泥土深层搅拌桩作为基坑的挡土结构,由于其具有无噪音、无振动、无污染,对周围环境影响小,而且造价经济,其挡土墙是自立式结构,不需内支撑等特点,因此,近几年来,搅拌桩挡土技术在上海地区的应用得到了较快的发展。四平路地下车库、平凉路高层、控江大楼、太阳广厦、展览中心西二馆等基坑都采用了水泥加固土深层搅拌桩挡土墙(有的工程搅拌桩桩体内,还内插竹筋以提高桩体的抗弯、抗剪强度)。该方法适用于软粘土、淤泥质土层。按计算确定墙厚,墙内可加竹筋、钢筋、型钢。但其适用深度仅限于7m 以内。

⑤地下连续墙。地下连续墙作为…种支护结构,由于其具有对周围影响小,对各种土质适应性强,墙体长度任意,可适用不同深度基坑的特点,已广泛用于建筑、市政工程的基坑工程中,特别是深大基坑。在北京,超过 20rn 的基坑主要选用地下连续墙。此外,在地铁施工中,多数也,采用地下连续墙。目前,在上海市深度超过 10 m 的基坑,其支护结构也主要采用连续墙作为支护结构。上海的海仓宾馆,国贸大厦、人民广场地下车库、同济大学图书馆这些建筑物的基坑支护结构也都采用了连续墙。此外,上海各个地铁车站基坑围护结构全部采用连续墙。地下连续墙在实际运用中常和锚杆、支撑一起构成复合支护形式,以适应较深基坑开挖的要求,如在北京新欣饭店基坑工程中,基坑的一侧就采用地下连续墙加 3 道锚杆的方法,而在靠近王府饭店的 -侧,则采用了地下连续墙加多道支撑的方法。在设计中,如将地下连续墙作结构外墙则可大大降低工程造价,北京新欣饭店的基坑工程正是采用了这种方法。也外,当 用地下连续墙进条支护时,如在施丁中采用逆作头。不仅可以缩短工期。而日在密集

的市区内施工时,可减少对交通的影响,其社会效益是巨大的。如上海的黄坡路、常熟路、陕西南路地铁车站,就采用了逆作法施工。

内撑结构。内撑的常见形式有各种钢撑、钢管撑、钢筋砼撑,内撑常和地下连续墙、护坡桩等一起构成复合支护形式。内撑方法广泛用于上海市基坑工程中。在北京的很多基坑工程中采用了角撑(在基坑角加支撑)。

⑦锚杆。目前在基坑工程中运用的较多的两种锚杆形式为预应力锚杆和拉杆式锚杆。锚杆可以独立作为土体的加固措施,也可以和其他支护形式一起构成复合支护结构,锚杆可用于各种土层,在土质较好时,常用圆柱形锚杆,当要用在软弱土层中时,可采用端部扩大头型锚杆和连续球体型锚杆。近 10 年来,锚杆在我国深基坑工程中有 看厂泛的运用,如北京的王府饭店基坑、京城大厦基坑,上海的太平洋大厦基坑,天津的新闻中心大厦基坑,广州的华侨大厦基坑都采用了锚杆加固技术。随着基坑开挖深度的加大,锚杆几平成了必不可少的加固_工具,预计在几十年内,锚杆依然有着广阔的前景。

⑧土钉。土钉作为-一门加固技术,已发展了许多年 了,但在深基坑工程中的运用,还刚开始,由于土钉加固的原理不同于以前绝大多数加固技术的被动制约机制,而是通过在土体里放置一定长度和分布范围的土钉,与土一道组成一道土挡土墙,通过这道土挡土墙,实现加固效果。这样用土钉加固基坑边坡就充分考虑了土体的强度,从而通过提高土体强度来实现加固。用土钉加固最突出的优点就是显著的降低了加固的费用,缩短了周期。但运用土钉进行加固也有着自身的不足,如不能用于太软弱的地层,此外,其运用的深度也有限制,一般不宜超过10m。

③)土层冻结技术。土层冻结技术在我国的深基坑工程中使用得虽然很少,但其优点是显而易见的,特别是在软土和饱和砂土中进行基坑开挖时,更会取到理想的效果。

(2)支护设计∶

在支护设计中我们仍旧建议采用面向问题的设计思想。以上对我国常用的-些支护形式及支护方式进行了讨论,但在实际工程中具体采用哪一种,如何设计,就要根据深基坑的主要问题及边坡支护工程的特殊问题进行选择。图 11-12 为面向问题的支护设计的框图、image.png

当基坑工程中有较严格的环境保护要求,基坑开挖区有软弱层等问题时,采用面向问题的设计将取到良好的效果。如果基坑工程中无环境保护要求,基坑开挖区也无明显软弱存在,则基坑的支护设计与常规的设计完全相同。

软土深基坑支护中,最主要的问题是如何处理软土层的变形问题,因此设计中也主要是面向软土层进行支护设计。目前控制软土变形破坏的方法主要有两种∶一是用支挡物,挡住软土层使其不产生大的变形,排桩式连续墙,地下连续墙,及水泥加固土深层搅拌桩均属于这类支挡物;二是采用化学或者物理方法改良软土的性质以取到加固的效果。不过水泥加固土深层搅拌桩仅限于基坑深度小于 7 m 的情况。当基坑开挖深度较大时,就要采用复合支护形式,如采用地下连续墙(或者是密集排桩)加上锚杆便能满足要求。我们知道,如果能够改变软土的性质,使软土不再具有流动性质,那么基坑的变形也将得于控制。 用化学方法处理软上(如采用生石灰加粉煤灰的深基坑搅拌法),改变软土的性质,从而取到加固效果,这从理论上来说虽然是可行的,但在实践中缺乏这方面的经验,因此这个间题仍需通过现场实践进一步研究。针对软土含水量高的特点,建议采用土层冻结技术。土层冻结技术对干含水量越大的土层越有利(当然地下水的流速不能太大,否则就不经济了)。软土层正好属于含水量大,地下水流速叉小的一类,因此在软土层进行深基坑开挖采用土层冻结技术是可行的,当软土中的水都被冻结后,软土不再具有流动性质。同时冻结形或的冰将土颗粒胶结成整体,大"大提高了土体的强度,并且可防止地下水的流动,这样开按工作就可在冻十墙的保护下进行了。目前二州冰川冻土国家重点实验室已经应用冻结技术成功地参与了软七深基坑的加固实践。在我国,由于各大施工单位都很缺乏土层冻结所需的设备及施工经验,因此在软土深基坑工程中采用此法的单位不多,但鉴于此法对软土加固的独有的优越性,可以预计在不久的将来它将为越来越多的单位所接受。