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深基坑支护结构的优化设计及可靠性设计理论

321 2021-08-05 15:06:01

第一节 概述

基坑开挖反映了土、桩、支撑之间相互作用的过程。深基坑开控与支护属于地下结构施工力学范畴,方案设计者必须熟悉工程结构、土力学和施工方面的知识,且依靠经验、技术和理论之间的密切结合。具体设计时除了应掌握拟建场地土质特征外,还需要了解环境荷载因素和相邻建筑物、地下管线的特性及其承受变形的能力,仔细考虑施工方法和计算地下室施工全过程的各种施工应力,估算支护结构本身可能产生的变形,从而因地制宜优选合理可靠的结构体系,并对结构构件的强度、刚度和封闭刚架的整体刚度进行分析和计算。设计中采用方案对比方法;是行之有效的,经验和综合判断常起重要作用。

近年来,大量深基坑工程的失事除与施工质量不佳、施工工艺与程序未按设计要求进行外,还与设计中对支护结构受力状态不甚明了,计算简化与实际情况相差过大,过低地估计了某种作用力等有关,这是一个值得充分重视的问题。

一个基坑支护设计方案是否是成功的,必须满足两点要求∶

①支护结构及周围建筑物稳定,变形控制在要求范围内;

②方案最经济。如果某一工程满足了第一个要求而不满足第二个要求,则不能认为完全成功,因为它不是最优方案。这好比一个采用土钉墙或悬臂桩支护都可行的支护方案,显然采用土钉墙支护方案比用悬臂桩支护方案要好,因为土钉墙支护更省钱。即使对同一个工程,不同的设计人员也往往会拿出不同的支护方案,即使方案相同,设计结果也可能大相径庭,因此采用优化设计是十分必要的。

由于设计中所用岩土力学参数的不确定性,支护设计也具有某种不确定性,因此引入可靠性设计理论也势在必行。

一、深基坑开挖支护方法

根据场地、土质、周围建筑物、地下水位及施工条件等,可划分为如表 5-1 所示的类型.

二、支护结构设计的基本依据

(1)基坑的几何尺寸∶

基坑场地的形状、深度和宽度等。

(2)支护结构承受的荷载∶

包括侧向荷载、垂向荷载、地震荷载、地面超载等。

(3)基坑范围的工程地质及水文地质情况;

包括勘探资料、勘探数据测试方法、力学参数及试验方法、地下水情况及其分布等。

(4)环境条件∶

①基坑施工所在地及周围的地区性质;②基坑周围建筑物状况;

③基坑周围公用设施分布及地下构筑物管线状况;

④基坑周围交通状况及道路状况;

⑤基坑周围水域(河流)状况;

⑥基坑所处地区环境特殊状况及对基坑施工的特殊要求。

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(5)修建建筑物的基础结构及上部结构情况要求。

(6)基坑开挖及排水等方法。

(7)对基坑支护结构施工(噪音、振动、地面污染)的要求。

(8)基坑场地周围已有基坑支护结构型式,在施工中的成功、失败原因 、教训。

(9)各种支护技术的特点及适用范围(表 5-2)。

三、设计基本原则

(1)支护结构必须保证安全正常使用,则应满足以下要求;

①支护结构不能滑动;

②支护结构不能倾覆;

③支护结构不能有过大的水平位移;

④支护结构不能有过大的沉陷;

⑤保证支护结构本身的强度足够;

⑥保证地基的强度足够;

⑦保证周围建筑物安全,位移及沉降控制在允许范围内;

⑧保证基坑底部的隆起,回弹在允许范围内,不发生渗流及管涌等;

⑨支护方案安全可靠,而且是经济的优化方案。

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(2)应根据工程用途的要求、地形及地质等条件,综合考虑以确定支护结构的平面布置及其高度。

(3)应认真分析地形、地质、土的性质、周围构筑物、荷载条件及现场技术经济条件,确定支护结构类型。

(4)保证支护结构设计符合相应规范、条例的要求。

(5)应对施工给出指导性意见。四、设计内容

桩墙式挡土结构的设计应包括以下内容;

(1)围护墙结构的抗倾覆稳定性验算及墙体入土深度的确定。

(2)围护墙结构和地基的抗滑动稳定性验算及墙体入土深度的校核。

(3)基坑底部的隆起、回弹及抗渗流或管涌稳定性验算及墙体入土深度的校核。

(4)围护墙结构的内力及变形计算。

(5)确定支撑系统的布置及架、拆撑顺序,进行支撑构件的内力、变形及稳定性计算。

(6)柱墙式挡土结构构件和节点构造设计。

(7)当必须严格控制施工引起的地面沉降时,分析和预估基坑开挖产生的墙体水平位移、墙脚下沉、坑底土体隆起及降水等对墙背地层位移的影响,提出相应工程技术措施。

(8)围护墙作为主体结构一部分时,尚应计算在使用荷载作用下的内力及变形。五、基坑开挖支护工程程序基坑开挖与支护工程程序见图 5-1示。六、现有设计计算方法

在基坑支护设计中,确定了支护结构型式之后,选择正确的计算模型进行详细设计计算是至关重要的。

基坑支护设计计算方法大致可分为三类。第一类是常规设计方法(静力平衡法);第二类称为弹性抗力法;第三类是有限元方法。

常规设计方法是最常用的方法,其要点是在选择一定的入土深度以满足整体稳定、抗降隆起和抗渗要求的前提下用经典土力学理论计算主动土压力和被动土压力(或对计算的土,压力作某些经验修正),然后对重力式刚性挡墙验算其抗倾覆、抗滑移稳定性,安全系数沿用设计规范中对普通挡土墙的规定;或者计算柔性挡墙(悬臂式或有支锚结构)的内 力,对墙身和支锚结构进行设计。这种方法对干普通挡士墙或开按深度不深的钢板桩是比较 成熟的。但对深基坑,特别是软土中的深基坑支护结构设计,就难以考虑更为复杂的条件和难以分析支护结构的整体性状。例如支护结构与周围环境的相互影响,墙体变形对侧压力的影响,支锚结构设置过程中墙体结构内力和位移的变化,内侧坑底土加固或坑内、外降水对支护内力和位移的影响,压顶圈梁的作用与设计,复合式结构的受力分析等等。这些问题有时却成为控制支护结构性状的主要因素。

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弹性抗力法针对常规方法中挡墙内侧被动土压力计算中的问题提出了改进。其概念是由于挡墙位移有控制要求,内侧不可能达到完全的被动状态,实际上仍处在弹性抗力阶段,因此,引用承受水平荷载桩的横向抗力的概念,将外侧主动土压力作为施加在墙体上的水平荷载,用弹性地基梁的方法计算挡墙的变位与内力。土对墙体的水平向支撑用弹性抗力系数来模拟,支锚结构也用弹簧模拟。这种方法可以看作对常规方法的改进,它仍没有解决前-种'方法的其余问题。计算与实际符合与否取决于基床系数的选取,通常用 m 法计算,即基床系数k随深度比例增长,比例系数为m。

有限元方法提供了一种更为合理的设计计算方法,它可以从整体上分析支护结构及周围土体的应力与位移性状,而且可适用于动态模拟计算,不仅为事前设计与方案比较而且亦为信 持反施工筒理提任今日处理的手段。从原理 上说,常规方法存在的向题存有限元方法

中都可不同程度地得到解决。除了数值分析方法本身的向题以外,用有限元方法的关键是正确选用计算模型和设计参数;另一个需要研究的问题是安全系数的定义及如何与常规设计的安全系数相匹配。如果后一个问题不解决,有限元方法仍然只停留在辅助手段的水平上而不能成为一种可供实用的工程设计方法。

可以看出,常规设计方法仍然是目前支护结构设计的主要方法,但需对它存在的问题加以研究改进;同时发展有限元方法使之实用化、系统化,成为支护结构计算机辅助设计软件,供设计与施工管理采用。

七、支护工程安全等级和允许位移量 1.建筑基坑工程技术规范(征求意见稿)

根据土质条件、基坑深度、环境要求将基坑分作三个等级,见表 5-3。

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(1)当存在流砂、管涌的工程地质条件和在淤泥质软土中,提高一级;

(2)当环境保护有严格要求,包括邻近有重要建筑物、地下管线、地铁时,提高一级至二级;

(3)对不同等级的基坑,在支护结构选型、设计安全系数选用等方面要采用相应的措施和要求。

2.深圳地区建筑深基坑支护技术规范

(1)支护工程安全等级的划分(表 5-4)∶

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