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支护结构设计内容详细介绍

398 2021-08-27 14:45:53

一、基坑支护设计的基本依据

(1)甲方委托任务书。

(2)国家及地方现行有关基坑支护的行业规范、规程和标准。

(3)地质勘察报告∶场地的工程地质和水文地质特征;地下水分布;C、φ等指标。(4)环境条件;场地及周围的建筑物、地下构筑物、管线、交通状况及水域状况。(5)建筑物的基础结构及上部结构对基坑的要求。地区环境的特殊要求。(6)基坑场地条件、地貌、红线位置、基坑的几何尺寸、深度、宽度范围等。(7)周围地区已有基坑支护的特点、适用范围及开挖施工中的成功经验与失购教训。二、基坑支护结构类型与破坏形式(一)非重力式支护结构

各类支撑、拉锚支护桩及连续墙等,这类支护系统的计算主要为结构强度破坏计算和整体稳定性计算。这类支护结构的破坏主要为结构件的破坏,其模式主要有以下 6 种,如图 5-2 所示。

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三、基坑工程设计

(一)支护结构类型确定

基坑支护的类型选择是总体设计中最重要的内容,是根据设计依据、设计标准、既有技术、安全的考虑,又要在经济上衡量的综合决策过程,即基坑支护的类型确定主要取决于安全性和经济性。

首先从安全的角度出发,依据实际情况,选择支护类型,目前常用的支护形式如下;

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软土地区,当基坑浅于7m 时,在确定土体的可搅拌性后,用水泥搅拌桩重力式挡墙是一种比较经济的支挡方案。水泥搅拌桩可按格栅状排列,置换率控制在 0.6~0.8,墙厚d为基坑深度H的0.6~0.8,嵌固深度z为0.8~1.2H。

当基坑深度在 7~10m 时,可考虑悬臂桩形式,悬臂支挡结构完全依靠桩体插入基坑一定深度来提供支承,优点是提供较大的施工空间,比较经济、合理。但土层性质较差时,悬臂式支挡的侧向位移就会增大,要求桩的嵌入深度加长,桩的配筋量也相应加大,因此这种方案也就既不安全也不经济了。

在不能拉锚和支撑的情况下,采用双排桩支挡也是常用的方法,它是由两排平行灌注桩并用顶梁连结一体的框架结构,相对悬臂桩,抗弯强度及稳定性增加,侧向位移减少,桩的嵌入深度也并不像悬臂桩那么深。

双桩形式工程量较大,随着排距的加大,顶梁强度也需提高,工程中常看到顶梁的变形,失去框架结构作用,相对锚拉就不经济了。

板桩、柱列式排桩采用一道或多道水平拉锚,是目前最为安全、经济、成熟的支护方式,许多深大基坑都采用这种形式,它最大的优点在于能提供较大的作业面。在设计计算上,结构受力明确,可控性大,各种材料用量可根据安全系数取用。锚拉排桩的支护形式在场地条件允许时应优先考虑。

在场地受限、不能施工锚索的情况下,在锚拉平面上可用坑内支撑替代。

内支撑按平面布置形式有单向、斜撑、井字、桁架、圆环以及混合式等多种式样,一般来说,双向对撑布置对矩形基坑比较适合;角撑式布置传力路线短,只能用于面积较小,且平面形状接近于正方形的基坑;圆环式布置受力比较合理,材料用量省,土方自由作业面较大,一般只适合于圆形或正多边形的基坑平面,结构计算也比较复杂一些,选择的原则是∶充分发挥圆形、椭圆形、抛物线和拱形杆件的力学功能,根据基坑的具体情形选用;混合式是上述形式的各种组合,具有更大的适应性。内支撑形式对土方作业及后续结构施工的限制是不言而喻的,但在城市建筑物密集的场地,是确保安全、行之有效的支护措施。

内支撑材料主要有现浇混凝土与钢管支撑。现浇混凝土支撑取材容易,结构整体刚度好,变形小,施工简单,但不便拆除。钢管支撑则装卸方便,强度可靠,易于控制位移,反复利用往往更为经济。在支撑设计时,第一道支撑宜用钢筋混凝土结构与支护桩的顶梁相连,可确保整体稳定性。如采用钢支撑,要充分考惠墙体可能产生较大的变形对邻近建筑物的影响,应在钢管间设置千斤顶,给杆件施加预应力调整位移。

实测表明∶由于温度的变化,支撑往往产生很大的附加轴力,对钢筋混凝土支撑,温度的影响约为15%,收缩应力可高达 8000kN/m² 以上【2】。因此,设计时要考虑温度的影响。对支撑结构,可加 20%~30% 的轴力作为安全储备。

目前大多数城市地区不允许管井降水、大面积降低水位,以免浪费水资源。基坑止水的方法最好采用防渗帷幕。采用水泥搅拌桩、旋喷桩或高压注浆等方法处理坑周及其下部土层,使之成为渗透系数极小的止水屏障,并有减小侧压的明显效果。由于水泥搅拌桩造价相对低廉,在软土地区应用较多。当水泥搅拌桩成桩困难或场地条件受限时,则可考虑旋喷或高压注浆。

(二)支挡结构设计 1. 桩径

支护形式确定后,下一步就是决定支护结构的几何尺寸∶如计算桩长、桩径、桩间距。桩径的选择与成孔设备、基坑深度、弯矩大小有关,表5-1为桩径适合基坑深度的经验关系。

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在没有卵砾石等坚硬地层条件下,桩长在 16m 以内,采用φ600~φ800 螺旋钻机最有效率。在有地下水条件下,并可采用水下边提钻边注混凝土,后插钢筋笼的技术;无水条件下。桩径1m 以上,采用人工挖孔桩也非常有效。当存在坚硬地层同时富含地下水情况下,冲击型钻机较为合适,孔径φ800~φ1200,孔深可满足最深基坑要求,不足之处是产生大量泥浆,水下浇注混凝土工序相对繁杂,易出事故。

2. 桩长

桩长的计算主要是确定嵌固深度,支护桩的嵌入深度也是决定支护系统整体稳定的关键,所以桩长的计算至关重要。嵌固深度h。必须满足静力平衡条件,即工F=0,CM=0。安全系数 1.2~1.5,按条分法整体稳定安全系数大于 1.3。

嵌固深度与地层的抗剪强度c,φ 值密切相关,抗剪强度指标采用三种试验方法取得;固结排水剪(慢剪),抗剪强度值最大;不固结不排水剪(快剪),抗剪强度值最小;固结不排水剪(固结快剪),抗剪强度值居中。在计算土压力时,规范采用固结不排水(快)剪强度值。

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在有成排锚桩与支护排桩平行时,在锚桩顶部也应设置顶梁,使锚桩连为一体,减小因个别锚桩失效带来的危险。顶梁按构造配筋,混凝土强度不低于 C20。

螺纹钢锚杆锚固在支护柱顶梁和锚桩顶梁内,锚固长度为锚杆的 40d,并呈 90°拐弯,与顶梁主筋平行连结,如图5-6。临时性支护体系的拉杆外露部分不必用砂浆包裹,用素土掩埋即可。

3. 腰梁

腰梁(围檩)是围护结构与支撑结构的联系构件,其应满足抗弯抗压强度要求。腰梁分钢筋混凝土和钢结构两种类型,根据工期、材料、施工技术等不同要求选用。

钢筋混凝土腰梁整体刚度好、稳定不易变形,但施工耗时,浇注后保养周期较长;钢结构腰梁施工方便,省时,适合流水作业,周期较短,材料还可回收。图5-7 为两种材料的腰梁结构。

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四、位移变形分析

深基坑开挖不仅要求保证基坑本身的安全与稳定,还要有效地控制基坑周围地层的位移变形。在软土地区进行基坑开挖,往往会产生较大的变形,将严重影响基坑周围的环境。

在基坑工程设计中,原以结构强度控制设计,现在不仅要满足强度要求,还要以变形控制设计为主,因此基坑的变形分析就成为基坑工程设计中的一个重要组成部分。

(一)基坑变形的分类 1.支护桩体的水平变形

当基坑初次开挖到第一层锚索(支撑围檩)下部,还未进行拉锚时,桩体处于悬壁状态,此时桩顶位移最大。锚索张拉后,随着基坑开挖深度的增加,下层锚索支护之前,桩顶位移缓慢增加,桩体暴露出的部分逐渐向基坑内突出。

在黏性土的深基坑施工中,由于黏性土的流变性,土体随暴露时间的延长而产生移动,在坑底被动区,会因坑底暴露时间过长而产生位移,特别在开挖到最后支撑前设计坑底标高后,如不及时支撑或浇筑底板,使基坑长时间暴露,这是基坑受力最极端的情况,被动压力区的土体受压强度达到最大,从而产生位移,引起支护桩外的土体向坑内位移,这便是桩体产生水平位移的原因。桩体的水平位移在桩顶与桩底是不一样的,表现在主动土压力与被动土压力的区别,同时也与荷载、支护体强度相关。

2.基坑底部的隆起

在开挖深度不大时,坑底为弹性隆起,当开挖达到一定深度且基坑较宽时,出现塑性降起。由于垂直应力释放而引起的压缩土体回弹现象是普遍的,有时并未引起人们的注意,随着开挖、基底修整被忽略,这种正常的土体回弹一般不产生危害。而当基底隆起与支挡体系后面的土体有关,如压力传递形成不均衡状态,则是很危险的。基坑底部的隆起必然有支护体系的变形,尤其是桩体下部土体的绕动,因此基坑底部的隆起也是桩体变形的一种表现,根源在于支护体系没有起到承接主动土压力区的变形。

3.地表沉降

地表沉降与基坑开挖有直接关系,分两种情况∶

(1)发生在地层较软弱而且支护体的入土深度又不大时,桩底处产生较大的水平位移,桩后较远区域便出现地表的沉降。

(2)当支护桩有一定的入土深度,桩底处虽没有明显的水平位移,但由于锚索、支撑发生变位,引起桩体上部位移,也可引起附近的地表开裂或沉降。

由于基坑内外发生水力连通,造成基坑内通水冒砂,桩墙外出现水土流失,形成空穴、地层结构松散。也会引起地表沉隆,甚至突然的埚陷。地表沉隆取决干地层的性质。基坑开挖深度、桩体嵌固深度以及地下水封闭条件等。

(二)基坑变形的预测

目前对于基坑变形的重点分析还是放在围护结构的水平位移上,因为围护结构的水平位移是其他变形的根源。除理论计算、有限元模拟围护结构的水平位移外,工程上多以类比、反分析的方法进行预测。 1.工程类比法

工程类比法是将地质、围护结构、水文及其他条件相近似的基坑进行归纳总结,分析产生位移的主要因素,找出它们的因果关系,作为一种模式,用以比较拟建工程的条件,推测可能产生的变形。

首先是将位移与各种条件作相关分析,将位移表示为下列元素的函数,可单因素分析,或是多因素分析,在单因素分析中,应注意主要因素以及关系的因次。

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