基坑支护方法对比研究（精选7篇）
基坑支护方法对比研究 篇1
摘要：从土钉墙支护、水泥土墙、板桩支护、排桩、地下连续墙等方面, 介绍了基坑支护的方法类型, 分析了各种支护结构的安全等级与适用条件, 有助于基坑工程选择出安全、经济、实用的支护结构类型。
关键词：基坑,支护结构,土钉墙,排桩
0 引言
自20世纪初, 标志着超高层建筑物正式诞生的美国帝国大厦的建成至20世纪末, 亚洲迎来了高层、超高层建筑的狂潮, 全球高层建筑如雨后春笋般拔地而起。鳞次栉比的高楼大厦已经成为城市建设发展的一大标志。根据相关规范的要求, 高层建筑必须要有一定的埋置深度, 埋置深度不小于建筑总高度的1/15, 因此, 高层、超高层建筑与基坑、深基坑有着密不可分的关系。同时, 由于经济规模和城市化进程的不断扩大, 地面空间越来越不能满足人们的日常需要, 从开始尝试利用地下空间, 到现在大规模的修建地下商场、地下车库、地下停车场、地下铁道等, 与之相对应的基坑开挖、支护等问题亦不可避免。
1 基坑开挖及支护的类型
1.1 放坡开挖
在基坑开挖的诸多方法中, 最经济最方便的方法就是放坡开挖。但是若想采用这种方法, 施工场地要宽敞, 既要满足放坡的要求, 还要满足堆放机具和土料的要求, 并能确保基坑周边无已有建筑物或与已有建筑之间的距离足够大。同时, 对于使用放坡开挖的地层要求其性质比较好、地下水位要求较低或者采用降水措施。
天然放坡需要满足的安全条件是:
其中, k为边坡的稳定安全系数。
1.2 土钉墙及复合土钉墙支护
土钉墙支护是一个类似于重力式挡墙的支护结构, 它由原位土体、排列密集的插筋和附着于坡面的喷射混凝土面层组成 (见图1) 。由于土钉与土体之间存在粘结力或摩擦力, 形成了复合土体, 土钉在土体发生变形时被动受拉以实现加固土体的目的。土钉支护结构在施工过程中可以与土方开挖平行作业, 即边开挖边支护, 使得工期得以缩短;此外, 土钉支护结构使得土体的自承载能力得以充分发挥, 四周的原位土体也成为了一部分支护结构, 使得成本得以降低。土钉墙施工设备简单, 噪声小, 一般适用于杂填土、素填土、粉土、粘性土、非松散的砂土、碎石土等, 不适用于饱和的软粘土地层, 由于考虑到施工的难易程度, 土钉支护也不适用于有较大粒径的卵石、碎石层。
复合土钉墙即为过去所谓的“联合支护”, 也可以称为是一种改进型的土钉墙或者加强型的土钉墙, 它是把土钉墙和其他的某种或某几种支护方案联合起来, 形成一种复合的支护体系。复合土钉墙在很多时候, 可以达到排桩或地下连续墙的支护效果, 但施工工期较排桩或地下连续墙短的多、工程造价较排桩或地下连续墙低的多。所以, 复合土钉墙方法在现代基坑工程中应用范围愈来愈广泛。
常见的支护形式有以下几种:
1) 土钉墙+预应力锚杆;
2) 土钉墙+止水帷幕;
3) 土钉墙+微型桩;
4) 土钉墙+止水帷幕+预应力锚杆;
5) 土钉墙+微型桩+预应力锚杆;
6) 土钉墙+搅拌桩+微型桩;
7) 土钉墙+止水帷幕+微型桩+预应力锚杆。
1.3 水泥土墙
水泥土墙是在基坑的外侧通过强制机械搅拌———通常采用深层搅拌法或者高压旋喷注浆的方法, 将地基土与固化剂进行强制搅拌的数排相互搭接的桩体, 形成水泥土壁墙或者水泥土格栅状墙, 其具有一定的刚度、强度、整体性和稳定性 (如图2所示) 。
水泥土墙施工设备简单, 施工材料单一, 效果明显, 施工时水泥土墙无振动、噪声极低、污染少且无侧向挤土, 即使在城市闹市区也可以使用这种方法。水泥土墙同时具备挡土和止水的双重功能。水泥土墙支护结构一般坑内无支撑, 便于机械化快速挖土和地下室施工, 缩短工期。由于土层的物理力学性质指标、墙身的强度和均匀性以及墙体的深度和宽度决定了水泥土墙的侧向位移控制能力, 并且水泥土桩适用于素填土、淤泥、淤泥质土和软塑~流塑状态的粘性土、粉土等软土地区, 因此其位移一般较大。水泥土墙使用的基坑深度通常不大于7 m, 目前, 已有工程使用水泥土墙成功的支护了深度达10 m的基坑, 但是在开挖4 m~6 m深的基坑时使用该方法更为经济合理。
1.4 板桩支护
板桩支护最早使用的是木板桩, 现在被广泛使用的是形形色色的钢板桩, 偶尔也有使用钢筋混凝土板桩的。钢板桩可以使用钢板, 也可以使用钢管, 还可以是各种型钢以及在工厂里特别制作的专门的产品。板桩支护适用于素填土、粉土、除坚硬状态外的粉质粘土和粘土、砂土, 对于厚度较小的淤泥和淤泥质土也可以使用, 但不适用于坚硬土层和含有大颗粒的土层。板桩支护适用的基坑深度通常不大于7 m, 而且要求附近不能有重要的建筑, 也不能有市政设施。
1.5 排桩
目前, 基坑支护结构中应用最为广泛的支护形式之一就是排桩支护。排桩是以钻孔灌注桩、沉管灌注桩、人工挖孔桩、工字钢桩或H型钢桩等桩型按队列式间隔布置组成的挡土结构。具体工程中, 应根据工程地质条件、水文地质条件和施工条件合理选择排桩的桩型。采用钻孔灌注桩时, 桩径不宜小于600 mm;采用人工挖孔桩时, 桩径不宜小于800 mm, 并应在地下水位以上或采用人工降水。依据排桩受力情况和桩间土的稳定条件合理确定桩间距, 通常取1.2倍~2.0倍的桩径, 排桩桩顶应设置钢筋混凝土冠梁连接, 冠梁宽度水平方向不宜与排桩桩径相同, 冠梁高度竖直方向宜在0.5倍~0.8倍的排桩桩径之间, 冠梁可按构造配筋。排桩与桩顶冠梁的混凝土强度等级不宜低于C20。
排桩支护施工简单、容易操作, 施工设备投入小, 具有施工时无振动、噪声小, 对环境影响较小且无侧向挤土等优点, 又由于排桩对各种地质条件具有较强的适应性, 因此该支护方案在大中城市得以广泛应用, 其开挖深度一般为7 m~15 m。若工程桩也为灌注桩, 可进行同步施工, 有利于缩短工期。根据结构形式的不同, 排桩支护可分为悬臂式支护结构、锚杆式支护结构、内撑式支护结构和拉锚式支护结构。
1.6 地下连续墙
地下连续墙是利用各种专门的挖槽机械, 沿着基坑工程的周边轴线, 借助于泥浆的护壁作用, 按要求开挖出一个又窄又深的沟槽, 清槽后, 在槽孔内安放预先制作好的钢筋笼, 再用导管法灌注水下混凝土, 形成一个单元墙段, 如此依次进行, 形成一道连续的、具有挡水、截水、防渗、挡土、承重抗滑和防爆等功能的钢筋混凝土墙壁。地下连续墙支护结构刚度大, 整体性好、抗渗性和耐久性强, 用于深基坑支护时, 变形较小, 基坑周围地面沉降小, 比其他的支护形式更容易保证周边建筑物的安全。在施工过程中振动小, 无噪声, 对相邻建筑物和地下设施影响小, 土方量小, 无需降水, 施工速度快, 对于各种复杂的工程地质条件、水文地质条件和施工环境条件均适用, 可在建筑物密集区施工, 建造不同深度 (45 cm~120 cm) 和形状的墙体。因此, 在深基础工程和地铁工程中, 地下连续墙支护结构应用得越来越广泛。
这种支护方式存在弃土及废弃泥浆的处理问题, 与板桩、水泥土桩等相比, 其造价较高, 且施工机械设备价格昂贵, 施工专业化程度也比较高。
2 支护结构的选型
综合上述分析, 应综合考虑工程地质和水文地质条件、施工环境条件、各种基坑支护类型的特点及适用范围、基坑开挖深度、基坑的安全等级、施工设备及工程造价等因素, 来确定基坑支护方案。常用的深基坑支护结构型式选择见表1。基坑支护既要确保坑壁稳定, 施工安全;还要确保相邻建筑物、构筑物和地下设施的安全;便于施工;同时在满足这些要求的前提下, 选择最经济合理的支护体系。
3 结语
根据对基坑支护方法的分析, 可以得出以下结论:
1) 目前, 常用的基坑支护方案有:不同的基坑支护方案有不同的适用条件。基坑支护方案的选择, 应结合场地的工程地质、水文地质、施工环境条件等因素综合考虑。
2) 基坑支护方案的选择应在满足技术要求的条件下, 优先考虑经济因素并结合当地经验确定。
3) 基坑放坡开挖、地下连续墙、板桩支护等支护方式由于受到施工环境条件、造价等方面的限制, 应用正逐渐变少, 土钉墙、排桩等支护方式由于经济合理, 适用范围广而越来越受到大家的青睐。
参考文献
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基坑支护方法对比研究 篇2
当基坑进行施工时, 如果基坑需要开挖的深度很深, 基坑周边的土在主动土压力的影响下, 土体会向坑内进行滑移或坍塌。为了保证基坑的稳定性和施工人员的安全性, 就必须对基坑进行支护。现如今, 基坑支护形式主要采用土钉墙 (适用于基坑侧壁安全等级宜为二、三级的非软土场地) 、排桩 (适用于基坑侧壁安全等级一、二、三级) 、地下连续墙 (适用于基坑侧壁安全等级一、二、三级) 、放坡 (基坑侧壁安全等级宜为三级) 、双排桩、smw工法等。对深基坑影响因素较多, 与场地条件、地层情况、水文地质条件、施工管理、现场检测及相邻建筑的相互影响相关, 在进行深基坑支护工程时会出现较多问题, 不但要研究土的强度、变形、稳定性问题, 还要研究土与结构的相互作用, 变形反馈对结构设计的控制等重要问题。基坑支护设计的结果也同样受到很多因素的影响, 例如场地条件、地层情况、水文地质条件、计算方法等。本文主要分析研究不同计算方法对桩锚支护设计中桩锚杆的长度的影响, 选择最佳计算方法。
1. 工程概况
该工程用地面积17522m2, 总建筑面积为142929.5m2, 其中地上总建筑面积为94618.8m2, 地下总建筑面积为48308.7m2。拟建建筑物主要5幢14~24层建筑物, 内设一个整体地下车库, 为3层, 该地下基坑等级为一级, 场地拟建建筑物为框架核心筒结构。基坑开挖深度13.5m, 采用桩锚支护形式, 锚杆设在地面下4.6m处, 间距1.5m, 地面均布荷载为q=11k N/m3, 土的内摩擦角φ=40°, 锚杆孔直径为140mm, 倾角13°。为了判断不同的计算方法对深基坑工程的影响与不同的计算方法对工程的经济效益, 我们对此工程实例用了3种不同的计算方法, 分别为等值梁法、逐层开挖支撑力不变法与二分之一分担法。
2. 桩锚支护
桩锚支护体系主要采用锚杆取代基坑支护内支撑, 给支护排桩提供锚拉力, 以减小支护排桩的位移与内力, 并将基坑的变形控制在允许的范围内。桩锚支护体系主要由护坡桩, 土层锚杆, 围檩和锁口梁4部分组成, 在基坑地下水位较高的地方, 支护桩后还有防渗堵漏的水泥土墙等, 他们彼此之间相互影响、相互联系、相互作用, 形成一个有机整体。
3.3种计算方法原理
等值梁法又称假想绞法, 可以求解多支撑的挡土结构内力, 首先假定挡土结构弹性曲线反弯点即假象绞的位置。假象绞的弯矩为零, 于是可把挡土结构分为上下两端。上部为简支梁, 下部为一次超静定结构, 求得挡土墙内力。当基坑比较深, 土质较差时, 单支点支护结构不能满足基坑支挡的强度和稳定性要求时, 可采用多层支撑的多支点支护结构, 支撑层数及位置应根据土质、基坑深度、支护结构、支撑结构、施工要求等因素确定。逐层开挖支撑力不变法是等值梁法的一种简化计算方法, 其计算方法是根据实际施工情况, 先开挖第一层土, 挖到第一层支撑或锚杆点以下若干距离, 进行第一次支撑或锚杆施工。然后再挖第二层土, 挖到第二层支撑支点下若干距离, 进行第二层支撑或锚杆施工。如此循环作业, 直至挖到坑底为止。该计算方法假设每层支撑或锚杆安装后, 其受力和变形均不因下阶段开挖及支撑设置而改变。1/2分担法是多支撑支护结构的一种简化计算方法, 计算较为简便。Terzaghi和Peck根据柏林等地铁工程基坑挡土结构支撑受力测定, 以包络图为基础, 以1/2分担法将支撑轴力转化为土压力, 提出土压力分布图。当土压力强度为q, 对于连续梁, 最大支座弯矩为M=ql2/10, 最大跨中支座弯矩为M=ql2/20。且采用三角形土压力分布和采用梯形土压力分布计算的支撑反力会有很大差别。
4. 计算结果分析
计算3点支反力时必须严格按照工况顺序进行, 不考虑地下水对施工情况的影响, 且在计算过程中严格要求默认3种计算方法所对应的土层情况、支反力的位置相同。在支反力计算中, 等值梁法Ra相对于逐层开挖支撑力不变法较小, 而同一情况下等值梁法中的Rb相较于逐层开挖支撑力不变法大9.6%, 等值梁法Rc与逐层开挖支撑力不变法比较大15.8%, 等值梁法桩长为16m, 逐层开挖支撑力不变法桩长17m, 所以可以发现, 等值梁法在实际工程中的经济效益更高, 安全性更好, 支护因此, 在深基坑工程中, 等值梁法更为合适。
结论
通过结果的对比, 二分之一分担法的误差较大, 在工程中只适合做初略的计算。在逐层开挖支撑不变法和等值梁法对比中, 等值梁法的支撑力较大。在此深基坑工程中, 无论从经济性和安全性考虑, 等值梁法的计算结果更为合适。
参考文献
[1]郭院成.基坑支护[M].黄河水利出版社, 2012.
[2]欧吉青.某深基坑桩锚支护体系计算方法与结果分析[J].南华大学学报, 21 (3) :73-80.
某基坑工程支护方案的对比和探讨 篇3
1 地理位置
太原市某住宅小区位于长治路东, 王村南街南。基坑的面积为15 585.5 m2, 周长为605.5 m。场区的±0.000为783.9 m, 自然地面相对标高为-2.660 (781.24) , 基坑的开挖深度有三种, 分别为14.5 m, 15.66 m, 16.0 m。一期工程为C座楼, 二期工程为A, B座楼。
2 工程地质条件
2.1 地形地貌
场地地形基本平坦。拟建场地地貌单元属汾东岸Ⅰ级阶地。
2.2 地层时代及成因类型
根据本次勘察揭露地层资料, 结合区域地质资料综合分析, 本次勘察深度范围内地基土沉积时代成因类型自上而下依次为:第四系全新统人工堆积层 () , 第四系全新统冲洪积层 () , 第四系上更新统冲洪积层 () , 第四系晚更新统冲洪积层 () , 本次勘察未揭穿该层。组成岩性主要为人工填土、粉土、粉质粘土、砂类土。
2.3 地基土构成及岩性特征
根据野外钻探, 原位测试、室内土工试验结果, 本次勘探深度范围内, 场地地基土自上而下依岩性将其划分为12层, 如表1所示。
2.4 场地地下水
勘察期间水位埋深在现地面下6.60 m~7.50 m之间, 勘察期间为丰水期。地下水位年变幅为1.0 m左右。
3 两种方案的计算和对比
本论文采用理正深基坑支护结构设计软件进行计算和分析。由于本工程各地层情况变化不大, 土层较均匀, 故选取二期工程中A座楼的基坑支护的北面进行模拟比较说明。基坑北面的周边情况为:距离A座楼地下室外边线14 m处有一栋4层的住宅楼, 砖混结构。基坑的开挖深度为14.5 m, 安全等级为一级。
3.1 工程材料
混凝土:冠梁混凝土强度等级C30, 灌注桩混凝土强度等级C35, 连续墙混凝土强度等级C35。灌浆材料:水泥使用42.5级普通硅酸盐水泥净浆;水中不应含有影响水泥正常凝结和硬化的有害物质, 不得使用污水;水灰比为0.4~0.5[3]。钢筋:采用HPB300级, HRB335级, HRB400级钢筋。
3.2 地下连续墙加锚索支护形式
基坑的开挖深度为14.5 m, 连续墙的嵌固深度为12.0 m, 墙顶的相对标高为-0.8 m, 墙厚为0.8 m, 采用C30混凝土。墙顶留有一个高0.8 m、宽度为1.0 m的平台。基坑支护加两道锚索, 第一道离自然地面5.0 m, 第二道离自然地面10.0 m。锚索的详细信息见表2。
计算采用瑞典条分法, 应力状态为总应力法。条分法中土条宽度为0.40 m。
根据理正软件的计算得出滑裂面数据如下:
整体稳定安全系数Ks=2.136;圆弧半径R=25.433 m;
圆心坐标X=-3.591 m;圆心坐标Y=13.051 m。
抗倾覆安全系数[4]:
其中, Mp为被动土压力及支点力对桩底的抗倾覆弯矩, 对于内支撑支点力由内支撑抗压力决定, 对于锚杆或锚索, 支点力为锚杆或锚索的锚固力和抗拉力的较小值;Ma为主动土压力对桩底的倾覆弯矩。
最小安全Ks=1.615≥1.200, 满足规范要求。
工程开挖到基坑底部时, 地下连续墙所受的土压力, 位移, 弯矩, 剪力如图1所示。
3.3 灌注桩加锚索支护
基坑的开挖深度为14.5 m, 灌注桩的嵌固深度为13.0 m, 桩顶标高为-1.5 m, 采用C30混凝土, 灌注桩的截面为圆形, 直径为0.9 m, 桩间距为1.2 m。有冠梁, 冠梁的宽度为1.0 m, 高度为0.8 m。基坑开挖的顶端有一宽为0.85 m、坡高为1.5 m的平台。基坑内侧的降水的最终深度为17.0 m, 外侧的水位深度为3.0 m。基坑支护加两道锚索, 第一道离自然地面5.5 m, 第二道离自然地面11.5 m。锚索的详细信息见表3。
计算方法为瑞典条分法, 应力状态为总应力法, 条分法中的土条宽度为0.40 m。
滑裂面数据:
整体稳定安全系数Ks=1.984;圆弧半径R=33.236 m;
圆心坐标X=-9.220 m;圆心坐标Y=11.725 m。
抗倾覆安全系数:
最小安全Ks=1.489≥1.200, 满足规范要求。
工程开挖到基坑底部时, 灌注桩所受的土压力, 位移, 弯矩, 剪力如图2所示。
4 结语
1) 经过分析可知这两种方案都能很好的控制基坑变形, 都是合理的。
2) 工程中采用的混凝土、钢筋工程材料, 这两种配筋形式表现出很好的整体性、强度高, 在实际工程中有借鉴性。
3) 方案一的支护结构, 可在狭窄场地条件下施工, 对周围建筑地基无扰动, 振动小, 噪声低, 施工安全, 最适于开挖较大、较深地下水位较高的大型基坑, 但其施工机具较为复杂, 一次性投资较高;方案二的支护结构, 具有刚度较大, 抗弯强度高, 变形相对较小, 安全性好, 设备简单, 施工方便, 需要工作场地不大, 噪声低, 振动小, 费用较低的优点。在实际工程中可权衡考虑, 控制造价, 采用合适的方案。
4) 从土压力方面来看, 方案二所受的土压力较大;从位移、弯矩、剪力方面来看, 方案二的位移变化范围较小, 地下连续墙加锚索的方案表现出优越性。
5) 通过两种支护方案在基坑工程中成功的模拟, 对今后在太原这种黄土地区的深基坑设计提供了两种有效的支护形式。
参考文献
基坑支护方法对比研究 篇4
国内经济的飞速发展, 人民生活水平的改善推动了国内房地产的兴起, 建筑行业的进步, 大型建筑譬如写字楼、办公楼、居民楼的出现产生了大量的深基坑的工程, 其发展、安全可靠性也越来越受到人们的重视。深基坑的支护主要有几个作用, 保证施工的安全可靠, 稳定坑壁, 同时保护了建筑周围的建筑物、构筑物和地下管线, 对开挖和建造地下室, 保证支护施工的经济与合理提供便利性。因此基坑支护的设计的安全性、便捷性和经济性直接影响着深基坑工程整体的质量[1]。本文以前人研究为基础, 从系统工程的观点出发, 深入研究了深基坑工程优化设计的基本原理, 应用最优化设计理论着探讨了如何选择支护方案决策的方法。
1 建筑施工中深基坑支护的意义
基坑工程既古老却又与时俱进, 烙印着时代的印记。基坑定义为在对建筑物包括构筑物基础与地下室的施工而开挖的地面以下的空间, 而开挖深度等于或大于5.0m的基坑一般被划归为深基坑。在整个建筑施工过程中, 挖掘深基坑的方案是整个项目正常施工的基础和关健, 特别是高层的建筑物, 深基坑的施工质量, 直接决定了建筑物的安全性、稳定性和使用的寿命[2]。如何在已有大量建筑的市区内挖掘深基坑对基坑工程和支护技术提出了巨大的挑战和严格的要求, 也加大对深基坑工程的设计理论和现场施工技术的要求, 即基坑支护构造不仅要满足承载能力设计要求, 还要满足地下结构施工和基坑周边环境正常使用功能的要求。所以, 为了保证建筑工程周围建设的使用正常和安全性, 避免挖掘基坑影响地下室和地下管道的正常使用, 事先需要对施工的地面进行全面仔细的施工检测和勘察设计。在挖掘建筑物的深基坑时会遇到结构力学、液压等方面的问题, 综合性很强, 因此有必要进行正确有限的的理论计算。构建深基坑支护结构体系需要保证周边建筑物的安全及功能不受到影响, 并且防止地下水进入基坑中, 保证深基坑施工环境的干燥程度[3]。
2 深基坑支护结构的种类
深基坑支护结构种类有很多, 根据地质环境、施工地貌的不同, 可选择不同结构自由组合, 极大的确保了深基坑支护结构的安全性和稳定性。一般的深基坑支护结构有边坡稳定结构、护坡桩与板墙结构、泥土挡墙结构、排桩支护结构、内支撑支护结构、拉锚式支护结构和复合型支护结构。边坡稳定结构有喷灌支护和土钉墙两大结构, 土钉墙主要由密集的土钉群组成, 通过喷射混凝土面层, 确保了原位土体的牢固性。护坡桩与板墙结构主要由土层锚杆、围护墙和防渗帷幕组成;水泥土挡墙结构通常没有支撑, 主要通过抗变形能力和本身重量来确保基坑坑壁安全, 在某些特殊情况下, 也可以采取一些方法在需要加固的局部位置加上支撑;排桩是采用密排或一定间距排列的桩组成的挡土结构, 适用于侧壁安全等级为一、二、三级的基坑非软土场地当基坑不太深时可采用悬臂式, 悬臂式结构在软土场地中不宜大于6.0m。当基坑较深时可与支撑、锚杆等配合组成挡土。内撑式支护结构由支护结构体系和内撑体系两部分组成。支护结构体系常采用钢筋混凝土桩排桩墙、以工法、钢筋混凝土咬合桩和地下连续墙型式。内撑体系可采用水平支撑和斜支撑。拉锚通过在在开挖基坑的稳定地层中锚固段固定一种新型受拉杆件的一端, 而将另一段与工程构筑物 (钢板桩、挖孔桩、灌注桩以及地下连续墙等) 相联结, 主要作用确保了土层或构筑物的牢固性。近几年来兴起的复合型支护体系, 作为新的深基坑边坡支护方法, 摒弃传统单一支护的概念, 对于同一个基坑, 根据不同的地质条件和环境条件, 因地制宜地采用多种支护手段支护深荃坑的边坡土体。
3 深基坑支护结构的设计流程
基坑工程的设计内容, 通常包括:支护结构体系方案的选型和对比, 支护结构的变形和强度计算, 围护墙的抗渗计算, 基坑稳定性验算, 降水方案, 挖土方案, 环境保护和监测方案。在深基坑工程的设计内容和依据下, 对建筑物总平面配置、基坑开挖范围及深度、工程勘察资料、建设单位要求、相关规范及技术标准等方面进行调查收集资料;然后分析周边现状建筑物状况、周边管线状况、周边交通状况、相邻地区基坑设计施工经验、主体结构配置要求;根据这些分析, 对基坑安全等级、岩土参数选取、重要性参数进行设计, 完成初步设计, 在初步设计完成以后, 进行对支护开挖、基坑降水或排水方案的设计, 最后进行稳定性的运算, 如果满足强度控制、变形控制, 那么再进行施工图的设计[4]。
4 基坑支护结构的设计原则与方法
在进行基坑支护结构设计时, 其一般应遵循的设计原则是: (1) 重视基本理论的指导作用; (2) 设计中计算分析全面, 避免“漏项”, 并且应考虑各种不利条件下的“工况”; (3) 做好基坑工程总体方案的选择; (4) 做好地下水和地表水的控制; (5) 充分运用“时空效应”的概念解决支撑工作和软土地区基坑开挖中遇到的难题, 科学合理的制定支撑和挖土方案, 减少位移、保证基坑安全; (6) 认真仔细监测工期, 如果出现异常情况, 应立即采取有限措施解决问题; (7) 研究和应用己有的基坑工程行业的和地区性规范以及当地的工程经验。以以上原则为依据选定合理的的设计方法。在设计基坑支护结构时, 应当根据极限环境下的状态表达式进行计算, 同时需要划分支护结构的极限状态, 一般以正常使用极限状态和承载能力极限状态和为主。正常使用极限状态其所对应的状况是支护结构产生严重变形已妨碍了结构施工甚至于影响到了周边建筑的正常使用。承揽能力极限状态是指支护结构已承受了最大限度的压力甚至于土体变形严重、存在着失稳从而破坏了基坑周围环境和支护结构。因此在设计基坑支护结构时, 需要计算其承载力极限状态, 通过计算支撑的承载力和稳定性、土体稳定笥、结构承载力及锚杆后, 从而对极限状态进行掌握。另外对于支护结构变形有限定的基坑侧壁, 则还需要验算基坑周边环境及支护结构变形的情况。
5 深基坑支护结构优化设计
(1) 深基坑支护结构优化方案的选择在深基坑支护结构工程中, 其深基坑支护结构优化方案的选择要考虑到深基坑开始挖掘时有关土壤以及土壤中地下水等造成的影响, 所以深基坑支护结构方案的选择要根据施工地点的地下土壤情况、深基坑的挖掘深度等因素综合考虑并选择合适的深基坑支护结构方案。
(2) 优化深基坑支护结构方案设计的参数
优化桩与桩径间距。桩与桩径的间距是直接影响了支护结构的经济性及稳定性。一定范围, 桩间距的变大会影响基坑的变形。减小桩间距会增加桩数量, 提高造价, 并且不能充分发挥桩间土体的承受能力。增大桩间距, 会造成桩间土体不稳从导致其从桩间滑落。所以科学合理选择桩间距十分重要, 合理的桩间距能充分发挥土拱效应, 既保证了经济效益, 也确保了基坑的稳定性。
优化嵌固深度。设计深基坑支护结构中, 设计桩所嵌固的深度是关健, 过浅的嵌固深度会降低基坑稳定性。过深的嵌固深度无法保证支护结构的稳定性, 同时会额外的消耗资源能源, 加重经济成本。因此, 对合理的选择桩的嵌固深度非常重要, 需要根据安全及经济两个方面的平衡来选择。
在实际施工中, 深基坑支护可以选择的类型较多, 所以需要根据施工的具体情况及相关的工程经验来进行选取, 同时基坑支护作为一种结构体系, 要设计时要充分地满足稳定性和变形的要求, 具有良好的承载能力。同时在设计时还要根据具体的水文和地质条件来进行分析, 从而确保支护结构的安全性、适用性和经济性。
参考文献
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基坑支护方法对比研究 篇5
深基坑支护一般为临时性建筑, 但是对整个工程影响很大, 在基坑开挖施工时常会因为基坑深度较深、工作面小以及地下水等因素需要合理的选择深基坑支护的类型, 所以深基坑支护结构设计中关键一步就是确定支护结构类型。本文就结合工程实例谈谈深基坑施工中几种常见支护类型的选型特点和方法。
2 深基坑支护结构选型考虑因素
基坑支护结构的选型一般要考虑: (1) 基坑的深浅; (2) 周边场地的大小; (3) 施工时间的要求; (4) 地质勘探的资料。深基坑支护首先要了解降排水、支挡结构、土方施工三者之间的关系, 构建支护系统的整体分析模型 (如图1) 。降排水———对地下水位高, 分布比较广泛的场地就要安排抽水井点、回灌井点等。支挡结构———支撑体系的设计, 涉及到桩身的设计, 土体强度评价, 以及各类构造设计等;土方施工———涉及各种可能采用的土方施工工况、施工机具、开挖范围的平面与立面设计。然后根据上述情况可以先确定初步方案, 对浅基坑是放坡还是支护, 对深基坑是用工法桩还是采用地下连续墙等。然后对初定的方案再进行深入研讨, 对深基础的支护要请专业设计院设计, 并经市建委的专家组评审通过。同时深基坑支护结构的选型要安全第一, 经济合理, 施工方便并且要不影响主体的施工。
3 深基坑支护结构的类型以及特点
根据中华人民共和国住房和城乡建设部于2009年5月13日发布《危险性较大的分部分项工程安全管理办法》中的附属文件, 定义深基坑工程是: (1) 开挖深度超过5m (含5m) 的基坑 (槽) 的土方开挖、支护、降水工程。 (2) 开挖深度虽未超过5m, 但地质条件、周围环境和地下管线复杂, 或影响毗邻建筑 (构筑) 物安全的基坑 (槽) 的土方开挖、支护、降水工程。
中华人民共和国行业标准《建筑基坑支护技术规程》 (JGJ120-99) 对基坑支护的定义如下:保证地下结构施工及基坑周边环境的安全, 对基坑侧壁及周边环境采用的支挡、加固与保护措施。目前我国基坑工程所采用的支护结构型式多样, 按其受力性能大致可分为五大类, 即悬臂式支护结构、重力式支护结构、锚喷 (网) 支护结构、单 (多) 支点混合支护结构、拱式支护结构。其中钢板桩、横列板、钻孔 (挖孔) 桩+注浆或旋喷桩、旋喷桩、深层搅拌桩、SMW工法、地下连续墙、咬合桩、锚喷、管棚、冰冻法、放坡、等都是围护体系, 工字钢围檩、钢管支撑、混凝土支撑等都是常用的支护。
4 深基坑支护结构选型决策方法
目前的深基坑支护结构的选型决策方法多采用传统的人工方法, 科学化和智能化程度不高, 基坑开挖深度不断加大, 传统的支护选型和设计方法不能满足当前设计发展的需要, 支护结构的型式的选择不仅要考虑场地工程地质、深基坑的几何尺寸、基坑周边环境、水文地质条件、施工作业设备, 还要充分的考虑到工期和费用的要求, 达到基坑支护结构的施工可行性以及经济性的要求。
4.1 经验法
经验法是工程设计人员根据设计目标要求以及根据基坑周围环境和一些现场测得的数据以及其他的一些约束条件对照以往工程经验来判定基坑的支护方法。经验法在深基坑的支护选型上多采用的是类比推理的方法进行支护结构选型, 在数学推理上不完备、不严密, 强调的是设计人员个人工程经验、判断能力以及领域知识, 较大程度上受到个人知识、经验、能力、主观判断的局限和制约, 更大程度上是一种经验知识, 无法用数值方法进行分析, 更难以做到准确、科学、可靠, 同时经验法具有较大的模糊性和不确定性, 并且经验法在深基坑的选型研究上缺乏具体的措施, 这样很难确保基坑的坑壁稳定和基坑施工的安全。另外在设计进行过程中或完成后, 常出现新的工程情况, 或者委托设计方提出新的要求, 选型设计的边界条件发生相应变化, 设计人员又得重新进行方案比选, 增大了设计工作量。这便导致多年来深基坑支护结构选型在方法上的突破并不大, 经验选型的方法存在的弊端是显而易见的, 为了提高深基坑的支护结构选型科学性、准确性、可靠性和智能化程度成了一个亟待解决的问题。
4.2 层次分析法
深基坑支护系统的设计, 影响因素众多, 除了基坑支护结构的设计外, 还包括施工组织、工程地质条件、止水降水的措施、水文地质条件、应急方案、建筑场地的周边环境以及工程监测等内容。基坑支护系统的设计必须满足可行性、经济性、安全性这三个基本的要求。层次分析法是根据深基坑的特点以及深基坑设计的基本原则, 首先将复杂的问题层次化, 将深基坑支护选型问题分解成不同的组成因素, 并且按各个因素之间的互相关联和各个因素间的隶属关系将影响深基坑支护选型的因素按照不同的层次组合, 建立起深基坑层次结构模型, 将层次分析法应用到深基坑支护系统方案的优选中, 是的深基坑支护的选型过程更加全面、公正、科学、准确。层次分析法的基本步骤如下: (1) 建立层次结构模型; (2) 构造判断矩; (3) 层次单排序及其一致性检验; (4) 层次总排序及其一致性检验。
4.3 模糊综合评判法
模糊综合评判法是采用模糊优化理论, 同时是一种定量和定性相结合, 对各目标进行客观与科学地分析, 解决包含多个因素的事物的问题的有效方法。在分析影响深基坑支护方案的优化选型选的各种因素基础上, 准确提出了深基坑的支护结构选型方法, 同时建立起深基坑支护选型方案的模糊优化选型的模型, 达到有效地、比较全面、清晰的评判制约深基坑支护选型的众多因素。采用非结构性决策模糊集分析法, 可以使得深基坑支护结构的选型综合考虑到工程造价、工程可靠度、工期等因素, 从而得到最优支护方案。
4.4 灰色系统理论模型法
在基坑支护选择设计、方案, 施工过程中, 有些信息如支律费用、挖土费用等可通过计算成为已知信息。灰色系统理论是20世纪80年代, 由中国华中理工大学邓聚龙教授首先提出并创立的一门新兴学科, 灰色系统理论模型法研究解决了灰色系统建模、分析、预测、控制和决策的理论。工程中的许多方案优选实质上是一个复杂的灰色系统, 可用灰色理论进行方案优选。在深基坑支护方案选择上根据灰色优化理论模型分析得出深基坑支护最优的支护方案。该法主要根据灰色关联分析的原理, 把影响深基坑支护方案的各种因素的指标值转换成为比较数列。
4.5 遗传算法
深基坑支护工程设计理论不是十分完善, 支护设计偏于保守造成浪费, 有较大的随意性。工程造价是基坑支护工程优化的主要目标。遗传算法是一种很好的深基坑支护结构选型方法。它模拟了自然选择和遗传中发生的繁殖、配和突变等现象, 根据适者生存、优胜劣汰的进原则。采用遗传算法进行深基坑支护结构方选择的优化, 为深基坑支护工程的优化设计提供了一种十分有效的全局最优化搜索方法, 具有很大的潜力和广泛的适用性。
4.6 神经网络算法
近年来技术算计网络快速发展, 计算机技术在工程领域已取得了广泛的应用。同时在深基坑支护选型上神经网络理论和计算机辅助技术也得到了蓬勃的发展。神经网络理论特别适合处理具有不确定性、模糊性的高度复杂非线性问题, 它通过构建人工神经网络模型, 对大量成功工程实例进行学习, 建立起输入、输出之间的高度复杂非线性映射关系, 具备相应的知识和推理能力, 从而有效解决问题。神经网络算法在辅助选型和决策时具有较高的智能化水平和工程可靠性。
5 工程实例
某地块商业项目, 建筑面积19633317m2, 地上主楼18层, 地下三层, 裙楼为3层, 基坑面积近5万m2, 基坑开挖地下室最深为15m, 最深处17166m, 基坑周边支护总长1076m。该工程位于青岛市市南区、东临燕岛国际居住区。本工程用地红线距西侧的住宅楼最近处约150m, 基坑开挖期间支护结构位移、排水措施不力, 将对住宅楼的安全造成严重威胁。本工程基坑支护选型利用灰色系统理论模型法, 灰色理论预测计算结果比较稳定, 预测结果与实测结果比较吻合 (表1) 。本工程最终采用钻孔灌注桩基础 (图2) , 桩径为准600mm、准700mm、准800mm, 孔深45~50m, 钻孔灌注桩前、后排直径均为1200mm, 间距210m, 基坑支护采用准1000mm钻孔灌注桩作挡土, 外侧准600mm双排水泥搅拌桩作为止水帷幕及三道水平支撑的支护体系。
6 深基坑支护结构类型选择的原则
深基坑支护结构选型应遵循“安全、经济、合理”的原则。首先要看什么地质以及周边环境。实际建设工程中, 由于基坑周边的场地、相邻建 (构) 筑物情况以及地下管线分布、地质条件等不尽相同, 因此有时采取单一支护结构型式往往难以满足同一基坑支护工程在不同区段的安全与经济方面的要求。亦即对于基坑的某些部位而言, 采用与其它部位相同的支护结构有时并非为最佳基坑支护方案。针对具体基坑工程的各部位情况, 选择相应的支护结构型式。基坑支护结构型式的选择通常有以下情况: (1) 基坑开挖深度和范围。 (2) 基坑周边场地条件, 包括临近基坑的建筑物、构筑物等地面需要保护对象的允许移动与沉降的范围, 自然地形地貌, 可供施工的外边线距离等。 (3) 基坑周边的工程与水文地质条件及其随工程进展而变化的情况, 特别对于沿海地区的软土地层。
7 总结
近年来我国的各类建筑与市政工程得到飞速的发展, 多层建筑以及高层建筑, 大多都需要深基坑的开挖, 且大多都在城市中进行开挖, 如今在深基坑支护中可选方案较多, 深基坑支护结构设计中很重要的一步就是确定支护结构类型, 基坑支护方案的优选对于周边环境的安全以及施工中技术和经济投入都有很大影响。个人认为大型基坑以及深基坑最好采用钢筋混凝土支撑体系, 这样确保基坑的安全才能确保整体建筑的安全。
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基坑支护方法对比研究 篇6
随着城市建设的发展, 高层建筑的大量出现, 极大地带动地下空间的发展, 目前地下空间已在世界各大中城市中都得到了开发利用, 包括各类用途的地下空间使用, 如超高层建筑的基坑、城市污水处理干管施工的深沟槽、江底隧道的暗埋矩形段及城市地铁建设工程中的车站基坑。在对这些地下空间的大规模建设时, 出于经济效益等多方面因素的考虑, 绝大多数的基坑工程都采用便于施工、工程进度易于控制、经济效益相对较好的明面开挖法, 由于开挖面积和深度不断加大, 且基坑工程一般处于城市繁华地段, 因此基坑施工安全事关重大, 越来越受到重视。保证基坑安全的各种支护方式也相继提出并应用到实际工程中[1]。受建筑场地工程地质条件的不确定性, 设计计算理论尚不成熟, 施工管理不够规范等因素的影响, 基坑工程事故时有发生。深基坑事故主要原因包括深基坑支护系统自身的失稳和深基坑开挖引起周围建 (构) 筑的沉降变形过大。而深基坑支护结构的过大变形和边坡的失稳会引起基坑周围建筑物的破坏。因此, 深基坑支护方式的选择对工程施工、周边建 (构) 筑物的安全至关重要。
1 预应力锚杆和土钉墙
1.1 预应力锚杆
借助杆体自由段的弹性伸长施加预应力的锚杆, 在其安装完成后能及时主动提供有利于土体和结构物稳定的抗力, 有效抑制开挖地层的变形;可以显著提高地层软弱结构面或潜在滑裂面的抗剪强度, 改善岩土体的应力状态;能够通过张拉工序可靠地检验锚杆的承载力, 确保锚杆的施工质量[2]。预应力锚杆的作用就是避免基坑周围建 (构) 筑物和地下管线遭到变形破坏, 提前发挥锚杆作用, 限制基坑土壁土体过大变形, 使锚杆受力体系提前处于受力状态, 可以有效地控制基坑变形, 大大提高基坑边坡的稳定性。
1.2 土钉墙
以土钉作为主要受力构件的边坡支护技术, 它由密集的土钉群、喷混凝土面层、被加固的原位土体和必要的防水措施组成, 用来加固或同时锚固现场原位土体的细长杆件, 通常采取土中钻孔、置入有限变形钢筋 (即带肋钢筋) 并沿孔全长注浆的方法做成, 以长度不大而密度较大的土钉置入基坑土壁中, 将土体加固成为一种自稳定挡土结构的支护体系。一般可分为打入式和钻孔注浆式两类, 土钉依靠与土体之间的粘结力或摩擦力, 在土体发生滑移变形的条件下被动受力, 并主要承受拉力;土钉也可用钢管、方钢、角钢等作为钉体, 采用直接锤击打入土体的方法置入土中[2]。
2 预应力锚杆和土钉墙异同
2.1 预应力锚杆和土钉墙相同点
预应力锚杆和土钉发挥作用时, 都先把拉力通过周边水泥砂浆的握裹力传给砂浆, 然后通过砂浆传给周围土体, 土与砂浆发生相对位移, 随即产生摩阻力, 直到极限状态。在锚杆和土钉注浆体周围, 水泥浆都会渗入到土层中, 形成水泥浆嵌固体, 增加了杆体与土体的摩阻力, 从而提高了杆体的抗拔能力。预应力锚杆和土钉的施工工序相同, 均是自上而下分层开挖、分层支护、随挖随支;相对传统的支护而言, 二者基坑土壁面层的刚度较小, 均属于柔性支护;基坑坑壁位移的形态相似, 位移在地面处最大, 随深度的增加而逐渐减小。预应力锚杆和土钉安装完成后, 土体未变形时均处于无预应力状态, 只有在土体产生位移后, 才能发挥其作用。预应力锚杆和土钉加筋体抗力都是由加筋体与土之间产生的接触摩阻力提供的, 加筋土体内部本身处于稳定状态, 承受着其后外部土体的推力。预应力锚杆和土钉墙的面层都较薄, 在支挡结构的整体稳定中不起主要作用, 土体开挖卸荷以及外部超载增加会使土体产生坡面膨胀, 而面层的设置在限制了坡面滑移同时起到了削弱土体内部塑性变形、加强外边界约束力的作用。
2.2 预应力锚杆和土钉墙不同点
1) 构造不同。预应力锚杆分为自由段和锚固段, 其中锚固段设置于潜在滑移面以外的稳定土体中, 以提供较大的抗拔力;自由段被塑料套管所套护, 灌浆只能使护套与孔壁连结, 而自由段杆体可在套管内自由伸缩, 注浆体不对自由段产生约束, 以保证将预加应力传递到锚固段内;土钉一般是通过钻孔、插筋、注浆来设置的, 但也可通过直接打入较粗的钢筋或型钢形成, 土钉沿通长与周围土体接触, 依靠接触面上的粘结摩阻力, 与其周围土体形成复合土体, 土钉在土体发生变形的条件下被动受力[3]。
2) 工作机理不同。预应力锚杆柔性支护对潜在滑移区内的土体进行锚固, 锚杆设置时施加预应力, 预应力增加了土体潜在滑动面上的正应力和相应抗剪阻力, 提高了土体整体稳定性, 滑移前就对土体的潜在滑移面起到拉结作用, 具有主动的约束锚固机理。土钉支护是对原位土体进行加固的方法, 以土钉与其周围被加固的土体形成的复合土体作为挡土结构, 类似于重力式挡土墙;土钉一般不加预应力, 只有当坑壁发生位移后, 土钉才能对土体产生约束, 使土钉被动受力, 因此土钉主要工作原理是加固土体作用。
3) 预应力锚杆和土钉杆体轴力分布方式不同。预应力锚杆沿全长分为自由段和锚固段, 锚杆杆体与土体之间的剪切荷载传递只发生在锚固段, 在自由段不允许传递剪切荷载, 锚杆在自由段长度上拉力大小是相等的。
4) 设计稳定验算内容不同。预应力锚杆的锚固段设置在潜在滑裂面以外, 只需要进行滑裂面以内整体稳定验算, 而土钉支护需进行支护的内部整体稳定性分析与外部整体稳定性分析;内部整体稳定性分析指基坑或边坡土体中可能出现的破坏面发生在支护内部并穿过全部或部分锚杆 (或土钉) ;土钉支护的外部整体稳定性分析与重力式挡土墙的稳定分析相同, 可将土钉加固的整个土体视为重力式挡土墙进行验算。
3 加固边坡机理对比
3.1 预应力锚杆加固边坡机理
1) 约束微调基坑边坡土体的变形。对不稳定基坑边坡施加安装预应力锚杆锚固完成后, 能够明显减缓边坡位移速率, 抑制基坑土壁土体滑动位移, 由于预加应力的作用, 使得边坡各部位变形趋于平稳;
2) 提高边坡开挖过程中的抗震能力。深基坑的开挖顺序都是由上至下进行的, 上部开挖到预定深度后立即进行预应力锚杆的安装与预应力施加, 已锚固的上部土体可承受较大的位移而不被破坏, 并能抵抗下部开挖时工程机械所产生的各种震动;
3) 滑动面的抗剪能力得到加强。对不稳定基坑边坡施加预应力后, 可使其结构面咬合紧密, 从而提高其抗剪能力, 同时由于预应力锚杆对滑动面施加了法向应力, 也使得滑动面的抗滑力增加, 进一步保证了边坡的稳定[4];
4) 改善土体性质, 增强整体效应。预加应力改变了岩土体的应力状态, 注浆压力对预应力锚杆的拉拔力有着显著影响, 通过高压注浆等增加锚杆握裹力的措施可提高预应力锚杆的极限拉拔承载力;注浆体等外加剂对土体的物理力学性能具有显著的改善加强作用, 同时由于预应力锚杆的交错布置, 进一步提高了土体的完整性, 防止了潜在滑移裂缝的发展, 增强了土体的整体效应[5];
5) 锚杆施加的预应力使边坡土体潜在的可能滑移部分受到一定的挤压作用。这使被加固土体的力学指标比原有土体高, 对可能产生滑移的土体有保护作用, 同时预应力锚杆施加了预应力, 通过锚头装置、钢垫板和混凝土面层将预应力传递给稳定土体, 从而有效地限制土体的变形[6]。
3.2 土钉墙加固边坡机理
土钉作用机理:以一定程度的土体变形为代价, 充分发挥土钉抗拉强度, 约束土体的进一步变形。土钉支护是在土体内设置一定长度和密度的土钉, 与其周围土体一起产生共同作用, 即土钉、土体与喷射混凝土面层作为一个共同体, 弥补了土体自身抗拉、抗剪强度之不足, 提高了复合土体的整体刚度, 使土体的自身结构强度得到充分发挥, 并有效地改变了边坡变形和破坏性态[4]。土钉墙的特点就是把土体本身看作抵御变形、破坏的主体的同时, 把土钉以及面层结构看作是协助土体加固的客体, 形成类似重力式挡墙的复合土体, 支挡其后的土体。大密度的土钉压力注浆提高原状土体的抗剪、抗拉、抗压强度, 钉土间的摩擦阻力加强了土钉本身强度, 土钉与土体共同作用形成具有支护作用的柔性结构体, 共同承担基坑土壁土体的侧压力保持自身的稳定性, 在土体发生变形时, 通过土钉与土体接触界面上的粘结力或摩擦力, 使土钉被动受拉, 并主要通过受拉给土体以约束加固使其稳定[7]。土钉墙在超载作用下的变形特征表现为持续的渐进性破坏, 随着土体变形的增大, 土体的抗剪能力充分发挥, 土体产生塑性变形, 当变形达到极限时, 土体便无法抵抗受力, 此时土钉起到了分担土体荷载的作用, 在滑移面形成的过程中, 土钉逐渐承担荷载扩散并传递到稳定土体。在变形过程中, 土钉与土体是一个复合体, 对土体的抗剪、抗弯、抗拉能力是一种复合提高, 它对土体形成骨架约束作用。土钉墙没有强度和刚度较大的挡土结构物, 其面层一般为钢筋网喷射混凝上, 钢筋网喷射混凝面层不是土钉墙的主要受力构件, 它主要功能是将部分土压力传递给土钉, 保证所有土钉协同工作, 面层作为复合土体整体工作的一个部分, 不单独承受土体压力。土钉处于不稳定土体的区段为主动区段, 稳定土体的区段为被动区段, 主动区段和被动区段受力方向正好相反, 被动区段提供锚固力, 主动区段将锚固力分散到不稳定土体中。由于土钉的面层薄弱, 不可能提供较大压力约束土体变形, 因此必须依靠排列较密的土钉在主动区段把锚固力分散到不稳定土体中。
4 结论
1) 深基坑预应力锚杆柔性支护技术已在深基坑开挖支护及边坡加固支护中得到了广泛应用, 但对预应力锚杆柔性支护技术的理论研究远远落后于工程实践, 其工作机理与设计方法的研究还不够深入, 目前尚未形成能模拟支护机理及力学性能的较为完善的计算模型, 由于设计不当造成的深基坑工程事故还时有发生, 因此有必要对此技术的工作原理进行更深入的研究与探讨。随着基坑开挖卸荷, 土体的抗剪强度指标降低, 特别是土体的内摩擦角的变化, 在基坑工程设计时应引起重视。
2) 土钉墙变形问题一直是基坑技术中的难点, 变形预测目前国内外仍以经验为主, 尚未进步到半经验半理论阶段;土钉质量的无损检测, 尤其是土钉长度的检测, 目前土钉质量检验几乎只有抗拔力检验一种, 不能有效对土钉长度不够等偷工减料行为进行检测, 需要加强相关方法的研究。单一的土钉墙的受力机理与工作性能研究基本成熟, 但与止水帷幕、微型桩及预应力锚杆复合作用的机理研究目前尚未深入, 设计理论与计算方法尚不成熟, 有待进一步研究和对具体工程的实践验证。[ID:001143]
摘要：随着我国城市建设的迅速发展, 高层建筑的大量出现, 建筑物的基础也愈来愈向大、深的方向发展, 深基坑施工事故时有发生, 因此深基坑支护问题一直是我国建筑工程界的热点问题之一, 通过分析对比深基坑预应力锚杆技术和土钉墙技术, 分析各自的作用机理、优缺点, 以期为设计、施工人员提供适合实际工程的最优选项。
关键词：深基坑,预应力锚杆,土钉墙,分析对比
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深大型基坑支护方法探讨 篇7
我们评价一个基坑支护方案是否成功, 必须满足三点要求: (1) 支护结构及周围建筑物稳定, 变形控制在要求的范围之内; (2) 方案经济可行; (3) 施工便利并能保证工期。目前我们对围护结构类型的选择主要是根据以下几个方面进行:施工场地在开挖范围内土层的地质和水文情况、施工场地用地界限的限制、周边环境要求、工程功能、开挖工期内当地的降水情况、当地常用围护结构的施工设备以及经济技术条件等综合考虑因地制宜的选择围护结构。选择围护结构时必须了解每种围护结构适应的地质条件和最经济的开挖深度, 这样做出的围护方案才能满足上述三点要求。
1 传统的深、大型基坑支护形式
1.1 SMW工法
SMW劲性水泥土搅拌桩以水泥土搅拌桩法为基础, 凡是适合应用水泥土搅拌桩的场地都可以使用SMW工法。特别适合于以粘土和粉细砂为主的松软地层, 对于含砂卵石的地层要经过适当处理后方可采用。
劲性桩适宜的基坑深度与施工机械有关, 国内目前一般以基坑开挖深度6~10m为宜, 国外尤其是日本由于施工钻孔机械先进, 基坑开挖深度达到20m以上时也采用SMW工法, 劲性桩法可取得较好的环境和经济效果[1]。目前在国内此法已用于开挖深度为14m的基坑, 深度受H型钢长度约束[2]。
试验表明, 水泥土对型钢的包裹作用提高了型钢的刚度, 可起到减少位移的作用。此外, 水泥土起到套箍作用, 可以防止型钢失稳, 对H型钢还可以防止翼缘失稳, 这样可使翼缘厚度减小到很薄 (可<10mm) [1]。设计中受力计算一般仅考虑由H型钢独立承受作用在挡墙上的内力。水泥土搅拌桩体仅作为一种安全储备加以考虑[1]。
SMW工法的优点:对周围地层影响小;施工噪声小、无振动、工期短;废土产生量小, 无泥浆污染;适用土质范围广;抗渗性好;施工成本与传统的地下连续墙相比节省30%~50%, 工期缩短50%[3]。
缺点:我国还没有一套完备的关于SMW工法桩设计可依据的国家级规范规程;水泥土与型钢组合构件受力机理尚不十分明确, 尤其是减摩剂的采用使这种关系变得更加复杂;刚度提高系数, 水泥土抗压、抗剪强度设计值及H型钢与水泥土之间的单位面积摩擦力uf等只能依据工程经验采用;由于减摩剂性能或施工质量等原因, H型钢的拔出存在困难或拔出后较难重复使用, 给该工法的经济性提出疑问;H型钢的拔出会对水泥土搅拌桩止水帷幕造成一定破坏, 在周边环境要求较高的地段, H型钢可按不拔出设计。
1.2 地下连续墙
地下连续墙施工工艺, 即是在土方开挖之前, 用特制的成槽机械, 在泥浆护壁的作用下, 每次开挖一定长度的沟槽, 直至开挖到设计深度, 然后清除槽段内沉淀的沉渣, 将钢筋笼放入冲满泥浆的槽段内, 并用导管向槽段内浇筑混凝土, 使混凝土充满整个槽段。地下连续墙是基坑围护结构的主要受力结构。它是在泥浆护壁的条件上, 利用特殊的挖槽设备与机具沿着深开挖工程的边界开挖一条狭长的深槽, 然后在槽内放置钢筋笼并浇筑水下混凝土, 筑成一段钢筋混凝土墙段, 最后将若干钢筋混凝土墙段连接成整体, 形成一条连续的地下墙壁。在地下连续墙的形状上, 又有异型地连墙和普通地连墙之分。普通地连墙形状为直线型, 异型地连墙形状一般为“L”型和“Z”等, 这就在对成槽的质量、钢筋笼制作和起吊、混凝土的浇筑等方面要较普通地连墙有了更高的要求[4]。
目前要想给地下连续墙下一个严格的定义是困难的, 这是因为: (1) 由于目前挖槽机械发展很快, 与之相适应的挖槽工法层出不穷; (2) 有不少新工法已经不再使用泥浆; (3) 墙体材料已经由过去以混凝土为主向多样化发展; (4) 不再单纯用于防渗或挡土支护, 越来越多地做为建筑物的基础[5]。
地下连续墙优点:低振动, 低噪声;刚度大, 整体性好, 变形小, 故周围地层沉陷量小, 地下埋设物不致受损;较高的设计强度、较大的厚度或深度均能施工;止水效果好;施工范围可达基坑用地红线, 故可提高基坑使用面积;可作为永久结构的一部分。
缺点:工期长;造价高;采用稳定液挖掘沟槽, 废弃泥浆及废弃土处理困难;需要有大型机械设备, 移动困难;在一些特殊的地质条件下 (如很软的淤泥质土, 含漂石的冲积层和超硬岩石等) , 施工难度很大;如果施工方法不当或地质条件特殊, 可能出现相邻墙段不能对齐和漏水的问题。
1.3 排桩+止水帷幕
排桩支护是指柱列式间隔布置钢筋混凝土挖孔、钻 (冲) 孔灌注桩作为主要挡土结构的一种支护形式。柱列式间隔布置包括桩与桩之间有一定净距的疏排布置形式和桩与桩相切的密排布置形式。柱列式灌注桩作为挡土围护结构有很好的刚度, 但各桩之间的连系差, 必须在桩顶浇筑较大截面的钢筋混凝土冠梁对其进行可靠的连接。为了防止地下水夹带土体颗粒从桩间孔隙流入 (渗入) 坑内, 应同时在桩间或桩背采用高压注浆, 设置深层搅拌桩、旋喷桩等措施或在桩后专门构筑防水帷幕, 防止地下水的流失造成周边地面的下降。
此类组合桩的优点是:能充分发挥所选挡土结构的单元特长;桩体刚度较大;施工工艺较简单;有一定的止水性;可作为永久结构的一部分。缺点是:泥浆对环保影响大;需要有较大的坑顶宽度[6]。
2 新型的支护方法——咬合桩
2.1 咬合桩简介
咬合桩是一种新型的基坑围护结构形式, 是指桩身密排且相邻桩身相互切割形成的具有防渗作用的连续挡土结构, 既可全部采用钢筋砼桩, 也可采用素砼桩与钢筋砼桩相间布置[7]。
咬合桩采用套管钻机施工。为便于切割, 桩的排列方式一般为一根素砼桩 (A桩) 和一根钢筋砼桩 (B桩) 间隔布置, 相互咬合而成。A桩采用超缓凝砼, B桩采用普通砼, 先施工A桩, 再施工B桩。B桩施工时利用套管钻机的切割功能切割掉相邻A桩与B桩相交部分的砼, 使B桩嵌入A桩, 且B桩的施工必须在A桩的砼初凝之前完成。
2.2 咬合桩的特点
咬合桩的特点: (1) 无须排放泥浆, 近似于干法成孔;机械设备采用液压系统, 噪音低, 振动小, 减少了施工时对环境的污染; (2) 在成孔过程中有套管的超前支护作用, 不会造成地下水土的流失, 对沉降及变位容易控制, 能紧临建筑物和地下管线施工; (3) 能有效的控制孔内流砂、涌水, 成桩质量高, 能起到完全止水的作用; (4) 全套管的护孔方式使刚桩成孔时对相邻的两根素桩进行切割咬合, 能保证桩间紧密咬合, 形成良好的整体结构; (5) 在钢套管护壁下进行作业, 周围地下水不易进入套管内, 取土、下放钢筋笼、灌注混凝土等均在钢套管的保护进行, 几乎不受周围地下水的影响, 避免孔壁坍塌, 不会发生缩孔、断桩等钻孔灌注混凝土桩常见的问题; (6) 直观性好, 可随时观察到抓斗内的土质情况, 便于判断桩端持力层的位置, 可以根据施工的情况随时选择合理的桩长, 优化设计, 降低造价; (7) 目前还没有一本国家规范来指导咬合桩的受力计算和施工过程。
2.3 咬合桩的经济效益
钻孔咬合桩施工工艺的材料费用低廉, 由刚桩和素桩相互咬合形成的大直径咬合桩配筋率相对较低, 含钢量约为80~100kg/m3, 而一般800mm厚的地下连续墙含钢量约为160~200kg/m3, 因此与地下连续墙相比费用相对较低。当钻孔咬合桩与地下连续墙都可以达到设计要求时, 钻孔咬合桩较地下连续墙有价格优势且位移较小, 一般地下连续墙每立方米造价在2300元左右, 而咬合桩每立方米造价在1500元左右。当然采用的桩径厚度会有所不同, 如用600mm厚的地下连续墙可能要用800mm厚的咬合桩, 用1000mm厚的地下连续墙可能要用1200mm厚的咬合桩[8]。经综合比选, 地下连续墙造价比咬合桩高25%左右。与间距、桩径相同、含钢量一样的排桩相比, 钻孔咬合桩可能使用的混凝土量较多, 但是用排桩支护时必须采用一定的止水措施, 当基坑开挖深度较深, 而地下水位又较高时一般采用旋喷搅拌桩止水, 目前国内旋喷搅拌桩的造价也较高, 而且在施工排桩时还存在泥浆的使用和处理, 增加了一定的费用, 所以钻孔咬合桩与排桩相比造价相差不大, 但是从技术、安全、环保等方面考虑的话咬合桩效果明显好的多。
2.4 咬合桩的适用条件
(1) 咬合桩主要用来做基坑工程明挖段的围护结构, 由于成桩过程中的套管护壁作用, 施工过程中可以保持场地的清洁、能有效防止基坑外侧的地下水和砂土流失、抗渗效果好、能保证成桩质量、减少因砂土和地下水流失而造成基坑围护结构的施工对周围建筑物的危害。主要用于软土和地下水位比较高的地区, 当场地内部在桩底设计标高内有岩石层时则不建议采用钻孔咬合桩做为围护结构。由于受到磨桩机和吊车最大承载力的影响, 当桩长超过40m时用套管护壁成孔有一定的困难。当基坑场地内土质为软土且地下水位较高, 基坑开挖深度在10~25m时建议采用钻孔咬合桩做围护结构。
(2) 咬合桩在施工过程中振动小、无噪音、无泥浆和废水污染, 而且由于套管护壁的作用, 咬合桩施工过程中引起的地下水土流失很少, 对周围环境造成的影响非常小, 尤其适用于在建筑物和人口密集的软土地基地区使用, 包括淤泥质土、砂性土、地下水位较高等不良地质的土层。施工机械不受基坑平面形状的限制, 可转折多变或是多种弧线。无需单独做止水帷幕, 能紧贴建筑红线施工, 节约场地。
小结
最近几年城市建设迅速发展, 由城市基础建设引起的事故层出不穷。本文在总结了传统的基坑支护方法的基础上, 向大家介绍了一种新型的基坑支护方法--咬合桩。由于咬合桩在施工过程中没有泥浆污染、噪音较小、可以紧邻建筑施工、节约场地、不会造成地下水土的流失等特点, 目前在城市地铁建设过程中已得到了广泛的应用。
摘要：简单介绍了目前在国内大型基坑常用的几种支护形式, 分析了各种支护形式的特点, 重点对在国内使用时间较短、应用非常广泛、支护、止水效果较好的咬合桩进行了详细介绍, 分析了咬合桩的特点、经济效益、适用条件, 以期为以后基坑支护形式的选择做参考。
关键词：基坑,SMW工法,地下连续墙,排桩+止水帷幕,咬合桩
参考文献
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[3]王晶龙, 付召坤.SMW工法施工技术[J].建筑, 2007:30-31.
[4]聂红光.建筑工程中地下连续墙施工技术探讨[J].建材与装饰, 2007 (7中) :101-102.
[5]丛霭森.地下连续墙的设计施工与应用[M].北京:中国水利水电出版社, 2001.
[6]沈保汉, 刘富华.软土地基常用的挡土围护结构[J].施工技术, 2006, 6:103-105.
[7]吴沛, 牟松.杭州解放路延伸工程全套管灌注咬合桩施工技术[M].北京:隧道建设出版社, 2005:41-43, 46.