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深基坑工程支护设计中若干问题应对方式

475 2020-10-22 09:49:52


正确阅读和研究地勘报告

基坑支护是沿地下室周边布置,是长线设防。而地层条件沿此长线可能变化多端,因此研读地勘报告是支护设计的必须功课,研读时建议注意以下方面问题:

1、注意在垂直坑边方向的土层变化

为基坑设计的勘察孔,往往布设于拟建地下室周边外侧一定距离(一般5m左右),因此在研读报告时,尚应结合主体结构的勘察资料,注意在垂直坑边方向的土层变化,若为顺坡时则应考虑土层界面滑移时对支护的不利影响,并采取必要的加强措施。

2、注意土质的横向变化

地勘报告所提供的土层参数为统计值,而为某一个勘察孔的资料则是该孔所在区的代表值,若该代表值低于统计值时,则该区(处)是基坑沿线设防中的薄弱环节,往往也是安全隐患所在之处。当基坑支护局部出现险情时,再复查地勘资料时,往往是该险情部位的地层参数低于统计值。因此设计时应对土层条件的薄弱处采取防患于未然的安全措施。


当基坑需要采取地下水控制设计时,应注意研读地勘报告:

1、注意基坑范围内含水层埋深的变化

地下水降水设计是基坑全面积设防,应查阅基坑范围内承压水层的顶板埋深的变化,并根据其埋深标高及相应部位的开挖深度进行抗突涌验算和确定降水深度,降水井根据含水层标高及基础埋深采取针对性布井,而不宜均匀布井。

2、注意交互层的处理

当基坑侧壁和坑底存在互层土时,用深井降水对互层土的层间水排降不仅滞后而且难以奏效,当基坑开挖深度较大,互层土又较厚时,为防止层间水产生搅渗及渗透性破坏。建议分布情况,加强和加深侧壁止水帷幕,最好能隔封互层土层,降水井则主要用于减少地下水竖向补给和防止突涌。对坑底互层土可采取较大口径的滤水浅井明排,结合盲沟,盲渠明排处理。


关于软土中的基坑支护设计

1、当环境及场地条件允许和开挖深度不大的情况下,采用放缓坡卸载是软土中基坑支护的有效方法,放坡宜采用分阶形式,上下坡向设置一定宽度的平台,在上坡前缘设置2~3排密集木桩等韧性较好的竖向构件,进行构造加固,其下端宜进入相对较好的土层,确保上坡稳定,下坡前缘设置高度不大于2m的水泥土挡墙,并进行上下坡联合的整体稳定性验算和下坡挡墙的设计。具体构造如下图:



2、若坑底以下软土层厚度较大,水泥土挡墙计算中的墙底土体承载力不足时,一般处理是将墙体加深至相对较好土,以满足承载力要求,此时则因挡墙体量大造价高。建议在挡墙计算中如抗滑移、抗倾覆、墙身抗压抗拉及挡墙底整体稳定性已满足规程规定,而仅仅是墙底承载力不足的情况下,可将部分搅拌桩加深至相对较好土层,形成墙底以下的复合地基,以满足承载力要求,如下图示: 



3、排桩+挡墙及被动区加固,如图示:

 a、当条件允许时,将支护桩边被动区加固上翻,b=2h,此情况下,上翻加固体在满足水泥土刚性角1:2的前提下,可减短支护桩的悬臂高度,桩径可适当减小。

  b、排桩可插入较大深度解决深层滑移整体稳定性问题。

  c、被动区加固可改善坑底土体,有利于控制位移。



4、关于水泥土搅拌桩增强加固

基坑侧壁和坑底为淤泥,淤泥质土或承载力底的饱和软弱土层,采用放坡坡肩设置水泥土搅拌桩增强抗滑体,或采用水泥土搅拌复合土钉支护方式,往往因安全性不足导致支护失效的事故时有发生。其原因在软土中搅拌桩水泥土强度较低。

由于搅拌桩或桩工艺原因,抗滑体水泥土成千层饼结构,抗拉及抗剪强度变低,当受侧向土压力时抗弯先于抗剪破坏,其二土钉在软土中的锚固抗力不可靠,故选用此类支护设计时应慎重,当必须使用时,仅可作为不参与计算的增强措施,弥补抗滑计算中的稍有不足。


5、排桩长短结合。

a、单排桩一长一短间隔布置,计算时全部排桩按短桩计算,基本位移、抗弯承载力、抗倾覆满足设计要求,长桩计算则应满足深层滑移稳定性要求,长桩的净间距不宜大于“桩径+400mm”,净间距过大对软土的隔栅作用降低,不利于抗深层滑移稳定要求。

b、双排桩可按前后1长1短布置,先对双排桩的协同性进行基本计算,而后宜将后排桩加长满足深层抗滑移稳定要求。长桩的净向间距以不宜过大。



关于内支撑设计布置

修编规程中提供了内支撑布置的若干模式,但由于基坑的平面形状、规模、深度、周边环境、土层条件等实际情况复杂多变,因此支撑布置应进行多方案计算比较,进一步优化和深化。其过程建议注意如下问题:


(一)支撑平面布置除规程提供的原则和要求外,尚应考虑土方开挖和出土方便,对超高层建筑应考虑主体结构中重型钢构件的吊装和安装空间


(二)对于复杂的支撑体系,应考虑地层荷载和土方开挖的不对称和不均匀性,支撑可能作为施工栈桥以及拆撑先后实施的可行性,均应对不利工况进行不利组合和磨合计算,避免存在薄弱环节和安全隐患。


1、支撑平面布置应有明确的传力路线,角撑、对顶撑的主要受力杆件应直线拉通,不应过多和过大的弯折、计算中不应出现拉力过大的杆件。

2、圆环支撑主要传力杆件宜指向圆心,边角应设置隐性角撑,薄弱边桁架宜设置现浇板带,以利于控制圆环受力不对称或拆撑时产生失控性漂移变形。

3、角撑、对顶撑与相邻的悬臂桩(含双排桩)连接时,应考虑不同的变形型态的不利影响,予以加强并处理好衔接过渡

4、对相对窄长的基坑(如地铁站或大型沟槽基坑)采用多层单肢钢管支撑,且随坑内土方呈纵向台阶式开挖,以使支撑随挖随支的工况条件者,其第一道支撑应采用钢筋混凝土支撑并施工到位后方可开挖土方。对于下部的钢管支撑,除了应规定支撑到位的时限要求外,尚应每隔20m左右将相邻的二榀单肢支撑组合成几何不变的平面桁架,桁架与其他单支撑间设置水平连系杆,以增加支撑平面刚度和稳定性


(三)支撑立柱布置,应尽可能利用工程桩位,此类立柱与支撑轴线稍有偏心时,可在支撑杆件上设置牛腿或悬挑梁,对牛腿以及偏心而使杆件产生的扭矩,和悬臂梁均应进行承载力计算和详图设计。上述措施是为了尽量避免支撑杆件轴线过度强调与立柱对齐而产生弯折的本末倒置现象出现。


(四)支撑的竖向布置,对于两层及以上的支撑体系,竖向支撑点的设置高度很有讲究,布置十分重要。一方面要满足土方开挖运输出土方便及方便结构施工,更重要的是应使单元计算中正逆工况的内力和位移计算结果基本一致。如果正逆工况的计算结果存在较大差异时,应调整支撑点的标高,进一步计算和优化。


(五)对利用计算机程序进行计算的结果,应进行分析,对不合理的结果,应进一步检查输入的数据是否正确和符合实际。


桩撑支护计算中的变形协调

桩、撑先后分步计算,由于计算条件不同,得出的位移值不可能完全吻合。桩单元计算中的支撑刚度系数一般是假定的,而平面有限元的计算结果针对于一定的围压和支撑系统是精确的。如右图所示,AB段跨中位移显然大于桩单元计算得出的对应位移值。需要注意以下几点:

1、平面有限元的计算的位移值Δ2对应的是支撑施加后的位移增量Δ1,而不是累计位移。

2、应根据平面有限元的计算得出的围压与位移的关系检验桩单元计算设定的刚度系数是否得当。

3、如果Δ2大于Δ1很多,说明桩单元计算输入的刚度系数过大,应降低刚度系数重新计算。或者,加大支撑系统刚度(如加大支撑杆件截面、缩小支撑间距、加设边桁架等),实现变形的大致协调。



构件设计

(一)构件设计

1、PHC或PHS管桩为预应力高强度混凝土构件,均有相应的标准图集,并有省标规范,其抗弯承载力取值,根据GB50204-2002《混凝土结构工程施工质量验收规范》相关规定,按管桩图集提供的极限抗弯承载力检测值除以1.35~1.4取用。抗剪承载力可按剪切承载力检测值除以1.5取用。

2、支护桩计算中应重视抗剪承载力验算

3、对非预制桩的纵向钢筋根数问题,规程提出不宜少于8根,而未规定钢筋最大间距限值。支护桩直径变化从500mm~1500mm,变化幅度较大,在纵筋根数不少于8根的前提下,建议纵向钢筋的最大间距不宜大于150mm,不应大于200mm,以保证在受拉区有多根钢筋可有效发挥受力作用。

注:桩径为500mm,配筋8根钢筋是其间距约为150mm。

4、桩的纵向钢筋可按桩身弯矩包络图竖向分段配置。但桩顶部分不宜减少,下部可按钢筋根数减半处理,但减短的钢筋应向下延伸一个锚固长度。


(二)混凝土支撑的截面控制

支撑体系是基坑安全的重要保证,而岩土工程的计算具有相对的不确定因素,因此支撑杆件设计应留有适当的富余度和延性。

建议支撑的截面尺寸按轴压比控制。轴压比为:

    N/fcA

    N  ——为轴力设计值;

    fc  ——为混凝土抗压强度设计值;

    A  ——为支撑截面积。     

轴压比控制值建议如下:

对主要受力支撑杆件,重要性等级为一级时基坑轴压比不大于0.5,二级基坑取不大于0.6

对次要连系杆件轴压比取0.8-1.0

(三)带支撑的混凝土围檩或冠梁

1、承载力(弯、剪、偏压)应按GB50010相关规定计算,并满足构造规定。

2、围檩围檩(带撑冠梁)的内力现在一般是通过平面有限元计算确定。


问题:

⊙但目前计算中,对带撑冠梁未考虑支护桩排的纵向约束作用,围檩未考虑其与支护桩(墙)的摩擦阻力的约束作用。当支撑体系有角撑时,其轴力呈直方图模式递增,这种轴力计算是否符合实际尚待进一步通过实测应力来判断、探讨。

⊙但受弯构件若按偏压构件设计是否有利也待探讨。若论围檩(带撑冠梁)按受弯构件设计可能更偏于安全。目前的平面有限元分析计算,如梁约束方式和设置部位失当,则会出现异常计算结果,对杆件设计带来一定得困难。


弯矩峰值处的围檩截面包括支撑在内,其有效高度甚大,不应作为构件控制性计算。需要对围檩截面计算的,是在支撑与围檩交汇处和支撑加腋与围檩相交处的两个截面a-a  b-b 。 


(四)支护桩与冠梁的连接

1、管桩与冠梁的连接不宜采用填芯锚筋式连接,填芯混凝土容易被拔出。建议采用管桩与冠梁直接嵌固连接,即桩顶平冠梁顶标高,配筋构造可参照型钢搅拌墙的冠梁连接大样。

2、双排桩桩顶冠梁与横梁的连接,冠梁其高度h应满足桩的钢筋插入锚固长度,宽度B应满足横梁钢筋插入锚固长度,以使三者(冠梁、桩、横梁)形成刚性连接。



(五)竖向斜撑上下连接节点处理

1、竖向斜撑必须用短柱式连接,三心相交,避免节点产生附加偏弯矩。对支护桩应进行抗拔验算;

2、对冠梁应进行抗弯剪验算;

3、支护桩伸入冠梁长度应满足锚固长度La要求。


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