组合式支护（精选8篇）
组合式支护 篇1
1 概述
基坑支护是一项综合技术要求高,又是提高工程质量减少事故的重点工程。在广州地区属于珠江三角洲,场地地层普遍存在淤泥、淤泥质土、淤泥质细砂、细砂等软弱土层,软土层其各项物理力学指标底,给支护设计及施工带来较大的困难。组合式喷锚支护(即喷锚支护、工艺结合深层搅拌桩、钢管桩及预应力锚杆)在软土地层中对基坑进行止水支护,则能有效地解决以上问题,具有安全可靠、降低工程造价、施工简便等优点。本文从工程实例出发详细介绍该类基坑设计和施工方法。
2 工程概况
本工程位于广州市海珠区东晓南路瑞宝村以南,设一层地下室,基坑开挖深度5.4米,地下室边线总长为568.4米,地下室建筑面积为17395平方米。
3 工程地质概况
根据钻探取得的地质资料,可将场地内岩土层自上而下划分为第四系人工填土层、冲积层、残积层、白垩系上统基岩等,现分述如下:
3.1 人工堆土层
土性为杂填土,少量素填土,灰色、灰黄色为主的杂色,湿,松散状,由砂、砾石、砼块、粉质粘土及建筑垃圾等组成。广泛分布于整个场区,层厚2.4~3.6m。
3.2 冲积层
(1)淤泥:灰色~灰黑色,饱和~很湿,流~软塑,含少量有机质或腐木,局部含砂,局部为粉土或夹砂薄层,层厚0.6~5.6m。(2)粘土层:灰白色、棕黄色间灰白色,湿,可塑为主,局部软塑状,质较纯,粘性较好,层厚0.7~3.1m。(3)粉质粘土:灰色、棕黄色间灰白色,湿,可塑为主,局部硬塑状,质较纯,粘性较好,局部夹粘土,局部含砂较多为粉土,层厚0.8~6.2m。(4)中砂:浅黄间灰白色、灰白色,灰色,饱和,松散为主,局部稍密状,含少量粘粒,颗粒级配较差,砂成份为石英,局部夹淤泥薄层,层厚0.6~3.5m。
3.3 残积层
岩性以粉质粘土为主,局部为粉土,为粉砂质泥岩风化土。褐红色、灰褐色、灰绿色,湿~稍湿,硬塑状,局部可塑状。层厚0.8~5.00m。
3.4 细砂岩
场区基岩为岩为白垩系上统基岩以粉质泥岩为主,次为粉砂岩,揭露深度的基岩按其风化程度可分为全风化、强风化、中风化和微风化等四个风化带。
3.5 水文条件
场地内地下水主要赋存于人工填土层中的上层滞水和第四系冲积砂层中的孔隙水,其次为白垩系上统基岩裂隙中的裂隙水。场区地下水主要受相邻含水层的侧向补给及大气降水的垂直补给。勘察期间测得地下水位埋深为1.0~4.50米。场地内地下水对砼无腐蚀性。
4 支护结构设计方案
4.1 设计思路
该工程基坑开挖深度为5.4m,场地揭露土层有:杂填土、淤泥、细砂、淤泥质土等软弱软土层较厚,软土层的底板埋深最深达9.2m。根据场区的地质情况、周边环境及本工程特点,从安全、经济、合理、可行的角度出发,采用深层搅拌桩、钢管桩加喷锚的组合式支护方案
4.2 土层参数的确定
根据岩土工程勘察报告及工程经验,确定本场地土层参数取值。
4.3 基坑支护设计方案
根据岩土工程勘察资料反映,场地均揭露含水层及软土层,故基坑四周均布置一排Φ600@450深层搅拌桩,桩长要求穿透砂层入隔水层大于1m,固化材料采用32.5R普通硅酸水泥,其掺入量大于13%。为了控制基坑变形,基坑顶布置一排超前钢管桩,其钢管采用Φ114,壁厚3.0mm,钻孔直径Φ130。各支护段均布4排土钉,土钉长度18~12m,土钉材料采用Φ22钢筋,成孔直径Φ130,锚杆水平间距@1.3m。喷砼强度等级为C20,厚度为120mm,钢筋网采用Φ8@200×200,水平加强筋为2Φ16。根据周边的地质情况,将喷锚支护分为Ⅰ~Ⅴ区,各分区的剖面图见基坑支护施工图。Ⅰ-Ⅱ区采用一排搅拌桩加钢管桩及土钉墙的支护形式;Ⅲ区区基坑边有化粪池,深度约4米,上部3.1m内无法进行锚杆施工,该区采用双排搅拌桩加两排钢管桩及预应力锚杆加喷锚的支护形式;Ⅳ区基坑靠近原有地下室,原有地下室深度约4.2米,上部4.2m内无法进行锚杆施工,该区采用双排搅拌桩加两排钢管桩及预应力锚杆加喷锚的支护形式,各支护剖面详见图2、图3。
4.4 计算结果(1-1剖面为例)
支护结构的整体稳定性分析采用理正软件,设计地面超载取20kpa,要求整体稳定安全系数不小于1.2。
5 施工及监测
由于工期紧张,搅拌桩施工完后即时进行钢管桩施工,搅拌桩及超前钢管桩施工完后10后开始进行土方开挖。
南面最大位移监测表如图5。
6 结语
6.1
深基坑支护工程是一项风险大、技术复杂的系统工程，选择合理的设计方案取决于三大要素,即周边环境、场地地质条件及基坑本身特点。组合式喷锚支护结构是近年来常用在深基坑支护的一种支护结构,喷锚支护技术应用的成功与否,不仅取决于设计方案的合理性,而且与施工过程控制、监测等有密切相关。施工过程要采取信息化施工,监测资料一定要及时准确,设计要根据现场监测资料、现场施工中发现问题及时调整修改方案。
6.2
喷锚支护是逐层开挖逐层支护的一种支护工艺,施工中必须做到分段跳挖,并在本层锚杆达到一定龄期后方可开挖下一层,若发现基坑变形较大时可采取以下几种方法;(1)基坑变形较大部位的锚杆给予足够凝固时间,从而增加锚杆的抗拔力;(2)开挖采用分段跳挖,每一段开挖面的长度不易超过15,若遇土质较差需进一步缩短工作面长度;(3)若有预应力锚杆,对上部预应力锚杆进行重复张拉锁定;(4)若变形较大,调整设计在上部加预应力锚杆等。
6.3
在较厚的软土地区可以采用土钉墙作为支护结构,特别是对变形控制要求不高的基坑采用土钉墙方案,可大大地降低工程造价,因此具有较大的市场推广价值,本工程是组合式喷锚结构在较厚软土场地中成功应用的一个实例。
摘要：针对广州地区普遍存在的软土地层中基坑支护问题,根据软土地层的分布特征及土层物理参数,采用深层搅拌桩、钢管桩及土钉相结合的方法对基坑进行止水、支护。
关键词：软土地层,深层搅拌桩,钢管桩,锚杆
参考文献
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[5]陈肇元.土钉支护在深基坑工程中的应用,中国建筑工业出版社.
[6]陈忠汉,黄秋秩,程丽萍.深基坑工程.
组合式支护 篇2
【关键词】深基坑；支护形式；组合支护；施工技术
对于建筑工程施工而言，基础施工是最重要也是最关键的。若一个高层建筑的基础工程存在质量问题，则该建筑的整体稳定性就很难得到保证。而在基础工程施工中，基坑的开挖与支护是首要施工环节，要想保证建筑工程的施工质量，首先就要从加强基坑开挖与支护的施工质量控制管理开始入手。由于目前越来越多的超高层建筑需要进行深基坑开挖，如何做好这些深基坑施工的支护工作成为了施工单位最关心的问题。以下笔者就结合自己的实践经验，来介绍组合支护技术的相关概念，并结合实例分析其在深基坑施工中的具体应用方法。
1.组合支护技术的相关概念
随着现代建设工程的规模越来越大，深基坑的支护技术需求也越来越多，这也在一定程度上促进了深基坑支护技术的发展。目前，仅深基坑支护技术就有自立式、排桩内内撑支护、排桩锚位支护、喷锚网支护等等多种形式。但尽管如此，在一些地形条件较为复杂，开挖深度较大的地区，单单只使用一种支护技术是很难保证基坑稳定的。为了解决这些深基坑的支护问题，技术人员开始尝试将两种或两种以上的支护技术组合在一起来共同形成深基坑支护体系，取得了较好的支护效果。目前，组合支护技术已经在多项工程的深基坑开挖施工中成功运用，逐渐成为一种较为常见的基坑支护方式。
2.工程实例分析
2.1工程概况
某建筑工程为一座22层的高层建筑，并且设计有2层地下室，建筑总高度达87m，建筑地面上部结构为框架结构，建筑基础为筏板形式。在基础开挖时，预计开挖深度为10.5m，属于深基坑开挖范畴。为了保证基坑的顺利开挖和桩基的安全施工，本工程决定采用组合支护技术来进行深基坑支护体系施工。经过地质勘察，本工程的的地面表层土质为填土，下层土质则是由粘土、粉土极易砂石组成。地下水位共有三层，分别在3m左右、22m左右和30m左右。
2.2深基坑组合支护施工方案设计
基于现场水文地质勘察报告和其他施工条件，设计人员最终决定采用下列几种组合支护方案：
（1）北侧与已建高层办公楼相邻部分采用双排深层搅拌桩帷幕隔水，基坑上部（-4.0m以上）采用土钉墙支护，下部采用直径 800@1600的C25钢筋混凝土灌注悬臂桩支护，悬臂桩长13.0m，嵌固深度6.8m。隔水帷幕布置在悬臂桩外侧，帷幕桩径 500mm，桩长8.0m，桩间距及排间距均为350mm，桩间咬合150mm。
（2）南侧及东北角部分上部采用土钉墙支护，下部采用悬臂桩（护坡桩）支护。悬臂桩为 直径800@1600C25钢筋混凝土灌注桩，桩长13.0m，嵌固深度6.8m（见图1）。土钉墙面挂 6@200（双向）钢筋网片，喷80～100mm厚C20细石混凝土。
（3）其它部分采用土钉墙支护。土钉共布置6层，横向间距为1.5m，竖向间距为1.6m，土钉倾角为5～10°，土钉外端与 16mm加强筋相连。土钉墙面挂 6@200（双向）钢筋网片，喷80～100mm厚C20细石混凝土。土钉墙支护示意见图2。
2.3深基坑组合支护体系施工
（1）隔水帷幕施工。隔水帷幕深层搅拌桩施工工艺流程为：桩机就位、钻进喷浆到底、喷浆搅拌提升、重复搅拌下沉、重复搅拌提升、成桩。其施工方法采用连续搭接的方法施工，严格控制桩位和桩身垂直度。相邻桩的施工间隔时间控制在12-16h，搭接长度不小于150mm，确保形成连续的墙体。成桩采用2次喷浆、3次搅拌工艺，喷浆时提升速度不大于0.5m/min。为提高帷幕防渗效果，搅拌桩施工时采用P42.5普通硅酸盐水泥，并适量掺加早强剂，浆液水灰比为0.45-0.50。要求桩位对中误差不超过5.0cm，桩身垂直偏差不超过1.0%。另外在施工中需要格外注意，一旦在灌浆的过程中出现漏浆现象，要及时作出正确的应对措施。最好在施工前就制定应急预案，如做好灌浆的备用材料；当水泥浆液已经搁置超过2个小时的情况下，要降低其标号使用；基坑侧壁一旦出现渗漏现象，就立即用导管将渗漏的水或浆液导流出去，再采用快速凝固的水泥将漏洞填堵起来，并用钢筋网片将低严密封闭起来，以保证灌浆施工的顺利进行。
（2）土钉墙施工。土钉墙施工工艺流程为：挖土一修坡一钻孔一插筋一灌浆一补浆、挂网一固定土钉一喷混凝土。需要注意的是，在挖土的过程中，要严格控制机械挖掘的力度，要一层一层的开挖，每层的厚度不能太大，通常为2m左右，以免对周边的围护结构造成不利影响。基坑每层开挖结束后，应尽快设置土钉。土钉成孔采用机械钻孔，钻孔过程中，要严格控制钻孔的倾角和深度，保证符合设计要求。灌浆用水泥浆的强度不低于M10。二次灌浆在水泥浆初凝后进行，灌浆时一定要灌满整个钉孔。土钉墙面挂网、喷混凝土施工：先绑扎钢筋网片，再绑扎闭合加强筋，并将加强筋与土钉焊接牢固，然后自下而上喷射细石混凝土。
（3）悬臂桩施工。悬臂桩成孔采用旋挖钻机钻进成孔施工工艺，混凝土灌注采用钢导管水下灌注混凝土工艺。桩间土护壁采用挂钢筋网后喷射豆石混凝土的方法，桩头用1000mmX500mm连梁连接。悬臂桩施工时采用商品混凝土，混凝土坍落度控制在160mm。现场配备1台搅拌机，保证混凝土连续浇筑，并要做好桩头混凝土的养护与保护工作。
（4）施工监测情况。沿基坑四周共布置观测点6个，各观测点间距不大于15m。观测点埋设铁件，采用TDJ2E型经纬仪观测坡顶水平位移。观测工作从基坑开挖时开始，至基坑回填完毕时结束。从观测结果看：做止水帷幕地段基坑边坡水平位移最小（1mm），纯土钉墙地段基坑边坡水平位移最大（5mm），且变形主要发生在施工阶段，均在设计要求的范围内。
（5）施工效果分析。 通过采用深层搅拌桩隔水帷幕隔水，钢筋混凝土悬臂桩与土钉墙组合支护技术，该工程基坑施工取得了良好的效果：不但工程质量被评为优良，而且缩短了工期3d（合同工期为25d，实际工期为22d）。
3.结论
本文通过分析组合支护技术的相关概念，来结合工程实例分析了其在深基坑施工中的应用。由工程实例可以看出，采用组合支护技术要比采用单一支护技术更加能够满足深基坑的开挖支护需求。合理运用不同的组合支护技术不但能够节省大量的时间和工作量，还能够减少投资，提高施工的安全可靠性，因此在一些基坑开挖深度较大的建筑基础工程施工中，完全可以采用组合支护技术进行施工作业，必然能够取得较好的施工效果。 [科]
【参考文献】
[1]邵明.组合支护结构在基坑工程中的应用[J].科技资讯，2006（22）.
[2]王玉琳，朱建国，陆涓.桩—土钉墙组合支护在深基坑工程中的应用[J].科技资讯，2007（31）.
组合式支护 篇3
1 工程概况
本工程位于太原市某厂区内,基础为地下箱体结构,场地土类型为中软场地土,建筑场地类别为Ⅲ类场地,场地位于晋中盆地的北部,汾河由北而南从盆地底部流过,属于汾河左岸冲洪积Ⅰ阶段地貌。基础平面尺寸135.6×16.8,埋深12.1 m。其北面距离18 m为现有晾水池,南侧距离8.4 m为一个地下建筑物,埋深12.3 m,但其上部围护结构钢柱基础埋深4.0 m。该区域地质报告提供资料见表1。
2 方案选择
1)根据现场实际情况可先将自然地坪以下4.0m(与现有基底一平)的杂填土挖去,进行卸载,实际开挖支护深度变为8.1 m。根据对各项支护措施方案的措施费、工期、安全指数等综合比较后,选用“灌注桩+深层搅拌桩+支撑”的方法进行深基坑支护。灌注桩后期经检测无损后,还可作为上部围护结构钢柱的基础。
2)厂房柱基间距7.5m,所以选用灌注桩间距为2.5 m,粉喷桩桩径500 mm,相互咬合150 mm。
3)计算参数取值见表2。
4)计算原理及依据:a.假设水泥土桩(粉喷桩)与灌注桩紧密结合起止水帷幕和将土(水)压力传递给灌注桩;灌注桩承担桩间的全部土(和水)压力作用,为了减少对顶支撑的压杆计算长度,在长度方向设置支柱桩支撑。b.根据土体侧压力计算粉喷桩的排数,并满足止水要求。c.灌注桩桩径定为1 m,根据土压力大小试算无支撑和一道支撑都不能满足要求,最后用等值梁法算得两道支撑可满足要求;混凝土采用C30。d.根据内力计算结果,支撑点处的内力计算钢支撑的选择和中间立柱桩带钢立柱的选择。e.其余抗滑移等验算严格按照JGJ 120-99建筑基坑支护技术规程的要求进行计算。
5)计算结果:a.粉喷桩选用3排。b.灌注桩桩径1 m,配筋:主筋28ϕ25,螺旋箍筋ϕ10@110,加强箍ϕ20@2 000;桩顶设置钢筋混凝土冠梁(800×1 000)贯通。c.支撑体系围檩采用2H400×400×13×21,对顶支撑钢支撑ϕ609×12(角部为斜顶);钢支撑中心距离桩顶分别为1.5 m,5.2 m。d.支柱桩配筋:主筋20ϕ20,螺旋箍筋ϕ8@200,加强箍ϕ18@2 500;顶标高为基底标高,基底标高以上插入ϕ400×10钢管总长10 m,深入支柱桩2 m。
3 实际采用的方案
由于土质各项参数的不确定性,粉喷桩的强度没有利用,开挖初期观察地下土质大多为粉质黏土和粉土,我们开挖采用分段开挖,且将钢支撑位置降至距离桩顶3 m,且只采用一道支撑,方便施工操作。
在开挖过程中仪器跟踪观测支护体系本身的变形和周围建筑物的变形情况,冠梁与其背后土体的裂缝最大值为30 mm,未对周围建筑物造成不良影响,且没有出现危险征兆。从工程总投资方面和施工安全工作方面都取得很好的效果。
4 施工注意事项
1)施工期间必须保证基坑内水位降至基底以下2 m;2)灌注桩钢筋制作不能按照常规下料,应当按照梁的相关要求进行下料,并且下钢筋笼时不宜过大的旋转方向;3)粉喷桩的深度、咬合和定位等成桩效果要严加控制;4)基坑四周的排水设施,主要针对雨季的防洪措施要采取好,还可防范粉喷桩的漏水缺陷;5)施工过程中的测量观测一定要坚持,连续,科学的进行;6)拆除支撑的时间和顺序必须结合混凝土的强度,结构本身的特点,基坑回填的质量等多方面因素来确定;7)要采取好钢支撑体系与混凝土实体之间的止水措施。
5值得思考的问题
1)水泥土墙(在此为深层搅拌桩)的本身强度在组合结构中如何量化。2)水泥土墙采用高压旋喷桩还是深层搅拌桩,我个人认为它们的优缺点在于:高压旋喷桩水泥用量大,工期长,费用大,遇到不同土质成桩咬合效果不能预测,但可施工深度较大,强度大;相比深层搅拌桩水泥用量小,工期短,费用小,成桩效果好,但遇到硬层,可施工深度较小。3)深层搅拌桩在灌注桩背后的布置形势不同,效果不同。呈直线布置便于机械行走,施工速度快,但计算时不能充分利用其作用,且灌注桩桩间土在挖土过程中施工难度大;呈拱形布置不便于机械行走,施工速度慢,但计算时能充分利用其作用,可适当节约水泥用量,且预留的灌注桩桩间土量已经减少,相对挖土施工难度减小。本人建议桩间增加固化桩,有利于前期挖土和后期回填质量。4)深层搅拌桩与灌注桩的施工先后顺序不同,效果不同。若上层土质不好,护筒措施不理想,会造成灌注桩顶部形成蘑菇头(扩大体积),先施工灌注桩的话,后施工的搅拌桩不能与灌注桩紧密结合,不利于力的传递;若先施工搅拌桩,灌注桩的施工工艺不同,可能会对搅拌桩的桩身带来一定的影响,比如说冲击式钻机成孔时难免碰到搅拌桩,形成裂缝,带来渗水隐患。5)在组合结构中怎样考虑水泥土墙埋深的计算才算既经济又安全,本人认为基坑底管涌验算不可少(若基坑外侧条件可具备降水者除外)。
摘要：结合具体工程实例,介绍了“深层搅拌桩+灌注桩组合式挡土支护结构”在工程中的应用,归纳了施工先后顺序和水泥土墙采用高压旋喷桩或深层搅拌桩的优缺点,进而引发了进一步考虑深层搅拌桩的作用如何去量化的问题。
关键词：深层搅拌桩,灌注桩,组合式挡土支护结构,深基坑,作用
参考文献
组合式支护 篇4
马兰矿02号煤层:伪顶为铝质泥岩, 直接顶为粉砂质泥岩, 老顶为K4砂岩;底板多为泥岩、粉砂岩, 大多无夹石, 偶含1~2层夹石, 抗压强度72.8~80.7 MPa, 抗拉强度0.55-1.6MPa。工作面10709皮带巷825 m;轨道巷995 m (Ⅰ段123 m, 刀把子170 m, Ⅱ段702 m) ;主采煤层为02#煤, 煤层厚度1.70~2.20 m, 平均1.90 m, 属稳定可采中厚煤层。其下部间隔8 m左右为2号煤, 工作面整体呈单斜构造, 煤岩层倾角4°~13°, 平均7°。巷道顶板为炭质泥岩和砂质泥岩及砂岩复合顶板, 抗压强度较低, 易离层破碎, 顶板管理难度较大。
2 组合锚杆、锚索支护的关键技术
2.1 增强锚索技术
采用大直径Ф21.6钢绞线和300 mm×300 mm的大铁托盘, 增大对顶板的支护强度和接触面积, 增强了对顶板的主动支护作用, 有效控制了顶板压力显现时对两帮的压力传递。目前所用的普通小铁托盘 (200 mm×200 mm) 与顶板接触面积小, 形成点接触作用, 效果差, 使顶板下沉、两帮挤回、破碎的现象较为常见。
2.2 强化锚杆技术
采用“无纵肋螺纹钢式树脂锚杆+W钢带+金属菱形网”联合支护, 支护强度大, 抗破断性能更高, 对复合顶板围岩的支护效果更好, 体现了加长锚固锚杆的技术应用特征。同时采用MQS-90J2型气扳机可实现锚杆150~190 N·m的高预应力, 有效增加了锚杆对巷道围岩支护的主动支护作用。
2.3 关键部位强化技术
1) 两帮煤质松软时采用点“锚索+锚梁+钢筋网”联合支护, 增加两帮的支护强度, 增强两帮的承载能力, 有效控制了巷道侧应力对帮部围岩的破坏变形。
2) 在巷道中间打设戴帽点柱, 不仅可以使跨度大的巷道增加中间支撑点, 可有效地控制底鼓, 同时也对顶板的离层垮落起到早期预警作用。
3 数字模拟
3.1 参数确定
为了保证巷道在受采动影响变形后能够充分满足通风、运输、行人等需要, 设计时巷道采用了预留断面, 断面尺寸为:净宽×净高=4.5 m×2.8 m。以马兰矿10709回采巷道围岩特征为基础, 围岩力学性能参数见表1。
3.2 模拟方案
根据类似地质条件的多种经验, 确定了如下三种模拟方案。并分别对每一个方案中巷道顶、底板的垂直位移和两帮的水平位移进行了实时监测。
方案Ⅰ:顶 (帮) 锚杆长2 000 mm, 顶板采用5 300 mm长锚索2根。
方案Ⅱ:顶 (帮) 锚杆长2 200 mm, 顶板采用5 300 mm长锚索2根。
方案Ⅲ:顶 (帮) 锚杆长2 400 mm, 顶板采用5 300 mm长锚索3根。
3.3 模拟结果分析
经过现场采集数据, 每个方案巷道顶底板及两帮位移量统计如表2、表3所示。
从表2各方案对比可知, 方案Ⅰ中巷道在掘进期间围岩变形情况比方案Ⅱ和方案Ⅲ要严重得多, 方案Ⅱ中巷道四周围岩变形比方案Ⅰ减小了40%左右;方案Ⅱ和方案Ⅲ的巷道顶底板移近量差别不大, 从表3中可知, 方案Ⅱ在回采期间巷道顶底位移量和两帮位移量仍然很大, 最大位移分别为1 158 mm和2 055 mm, 通过比较, 方案Ⅲ对顶板的控制比方案Ⅱ理想得多。
从上述方案比较可得出以下结论:在方案Ⅲ虽然比较理想, 但是在控制巷道两帮位移及顶板下沉、地板底鼓方面在支护上还是不够的, 因此, 要在方案Ⅲ的基础上对巷道顶、帮再加强支护。将顶锚杆长增加至2 400 mm, 顶锚索采用“3-3”布置, 两帮采用锚梁来加强支护, 以达到预期的支护效果。
4 锚杆支护方案
1) 顶板选用5根2 400 mm长无纵肋螺纹钢式树脂锚杆+W型钢带支护, 锚杆间距1 000 mm, 排距800 mm, 每两排锚杆中间布置三根高预应力锚索, 钢绞线规格为Φ21.6×5 300 mm, 并配合300×300 mm的大铁托盘。
2) 两帮选用3根2 200 mm长无纵肋螺纹钢式树脂锚杆+W型钢带支护, 帮锚杆间距1 000 mm, 排距1 000 mm, 每五排锚杆在巷道顶板中间支设直径不小于180 mm的圆木点柱。
3) 锚杆、锚索均采用快速及超快速树脂药卷加长锚固, 扭矩不低于150~190 N·m, 锚固力不低于105 k N。
4) 支护示意图如图1所示。
5 矿压观测分析
10709工作面已回采完毕, 整体观测效果来看, 两巷在回采过程中受采动影响的情况下, 两巷达到了预期的支护效果, 满足了运输、通风、生产的需要, 极大地减少了维护成本费用。由图2、图3可看出巷道大约20 h左右顶、底板及两帮相对位移量基本趋于稳定。通过长时间地监测锚杆工作阻力的实际数据也充分说明了掘进巷道围岩经过20 h左右趋于稳定。由上图可以看出巷道两帮相对位移量为150 mm, 顶板下沉量为50 mm, 巷道变形主要表现为底鼓, 约206 mm, 占顶底移近量的85.14%。通过理论分析, 主要表现在顶板压力经过顶、帮组合锚杆形成的支护整体结构向底部传递压力, 底板在没有任何支护的情况下, 促使底板变形加大释放压力, 通过理论分析, 认为应选择有效的支护措施来加强控制底鼓。
6 结语
1) 02#煤层复合顶板由于回采期间受采动影响, 巷道围岩压力较大, 复合顶板直接顶层状顶板两层泥岩易离层, 采用常规的全锚支护较为困难。
2) 02煤层复合顶板回采巷道支护的关键在于对顶板及两帮的控制, 巷道顶板采用“高预应力锚索+大托盘+锚杆+金属菱形网”的组合锚杆 (锚索) 来控制, 来达到巷道预期的支护效果, 减少后期维护费用, 实现最大经济效益。
3) 长期的矿压监测说明了10709工作面轨道巷围岩变形主要表现为底鼓, 因此在巷道掘进期间要考虑到怎么样才能有效地控制回采期间巷道底鼓的发生。
4) 通过数值模拟技术可计算出煤矿井下岩石工程结构的应力、应变;分析岩石结构稳定性, 用来指导巷道支护设计, 并为该煤层巷道支护设计提供有力的科学依据。
参考文献
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[3]张农, 高明仕.煤巷高强预应力锚杆支护技术与应用[J].中国矿业大学学报, 2004 (9) :524~527.
组合式支护 篇5
关键词：桩墙-锚喷组合结构,高边坡支护,方案设计,研究探讨,建议措施
1 工程概况
某建筑企业要在山区建造一栋楼房, 其楼层为四层, 地下一层, 楼体采用钢筋混凝土进行建造。由于建筑室外的标高要求, 所以需要在场地周围开挖, 导致场地形成了一个较大的高土坡, 为增强土坡的稳固性, 需要采用有效的措施对其进行永久性支护。
2 施工区域的地质状况
此工程拟建的场地标高开挖后在20.75-22.17, 整个区域地形相对平坦, 其地貌单元是长江I级阶地。通过对施工现场的地质状况进行分析, 可以得出边坡的分布在黄褐色的粉质粘土层中, 其物理学性质指标可以通过下表查阅:
3 边坡的支护方案
不同的标高和土层条件下, 进行边坡支护方案设计是不同的, 因此在设计时需要考虑坡高、土坡的稳定性和土层的地质条件等, 其中可以简单分为两种情况。
(1) 当坡高度小于5.0m时, 需要使用混凝土和毛石等材料设置重力式挡土墙;2.如果坡度高大于5.0m, 需要利用人工进行挖孔桩, 并要搭配喷锚支护。为了提高整个坡的稳定性, 需要在坡脚处设置人工挖孔桩, 且在坡顶设置一道锚杆;在挖孔桩的悬臂端采用填土的形式来夯实, 在桩顶设置压顶的连系梁, 提高整体坡面的稳定性。
下面分别是建筑物跟坡面关系设计图:
平面分布图
4 计算相关的支护结构
4.1 稳定性分析
4.1.1 aylor法
aylor法主要利用土层参数等来分析放坡的情况, 其中土层参数可以取为ψ=20°, H=70k Pa, H=17.0m, β=75。 (放坡的坡度为1∶0.3) , r=19.2k N/m3。经过研究可得土坡的放坡高度等于28.1m, 且安全系数K经计算为1.65, 所以由此可以得出, 设定的自然放坡的坡度为1∶0.3是符合安全要求的。
4.1.2 Bishop法
采用ishop法来分析土坡的整体稳定性, 是通过圆弧滑动面进行分析的, 其中根据高度为5.0m。11.0m和17.0m等情况, 得出最小安全系数为1.30, 因此土坡存在安全隐患, 而下图是土坡达到最小安全系数时的情况:
滑动面的分布的三种情况
由此可知, 在土坡的坡脚处最容易产生安全隐患, 滑动面最容易出现。所以, 要想保证土坡的长期的稳定性就需要对坡脚和坡面进行永久的支护, 表面在施工过程中和后期的建筑使用中出现坡面滑动的现象, 提高整体结构的稳定性和耐久性。
(1) 验算支护结构
土层的设计参数如下图所示:
(1) 首先要分析土层的状况和设计参数, 然后对挖孔桩的顶部进行超载处理, 并要计算出土压力的强度。其中土压力的强度分为主动土压力和被动土压力强度。
(2) 根据下图所示来推算出锚杆的水平拉力, 并且要按照浅埋式的支护结构来确定嵌固的深度和桩长, 桩长定位10m, 深度可以求得为3.6m。
土压力的分布
(3) 分析和计算桩身的内力强度
计算最大弯矩:可以根据公式来求得最大的弯矩, 经计算最大弯矩值为189.49k N。
计算配筋的情况:人工挖孔桩的护壁采用板砖砌筑式, 其中混凝土采用的为C25等级, 钢筋材料为I级钢, 搭配12Φ20, 通过公式可以将就配筋的情况计算出来。经过计算可以得出的配筋的受力情况均符合设计的要求, 故可以采用此方式进行配置。
(4) 分析锚杆的连系梁的状况
分析锚杆的拉力:为保证高坡的稳定性, 将锚杆的水平角设置为15度跟20度间隔式排列, 锚杆孔的直径为15公分, 得出的取土层参数:r=19.2k N/m2, 并且得知C=73.8k Pa, ψ=20.9°。由此可以计算出自由段的长度和取锚固段的长度值, 然后分析出锚杆总厂跟边坡土体之间所产生的摩擦阻力值, 该值大小等于60k Pa。同时可以根据来得出出锚杆的拉力情况, 拉力的计算值为367.38k N。然后根据分项的拉力系数来推算出锚杆的容许的水平拉力情况。
通过锚杆的间距公式和强度公式来计算出这两个值, 锚杆的间距为1.5m, 计算后得出D等于14.2mm2, 最后锚杆的强度计算后等于187.72k N。
(5) 喷锚网的支护设计
为保证整个坡面的稳定性和安全性, 需要采用喷锚网搭配土钉进行支护, 然后按照放坡要求进行放坡, 坡度1∶0.3, 土钉跟平面夹角为15度, 其中土钉之间的距离设置为1500mm。同时要根据对不利滑动面和极限平衡的情况进行分析, 确定出土钉和土锚的长度, 下排的锚设置为长度为9m。
5 坡面的排水系统设置和整体绿化状况
高边坡的排水系统必须要做好, 否则很容易导致边坡在施工过程中垮塌, 一般在坡顶和坡脚处设置明沟来排除地表水, 同时要在高边坡的坡面上设置泄水孔, 将边坡内部的渗水排除, 在边坡的背后运用夯实法进行填实, 在排桩之间设置砖墙, 并用拉结筋连接, 增强整体结构的稳定性和安全性。另外要做好高边坡的稳定性检测工作, 高边坡长期的支护, 需要进行定期的进行检测, 时刻掌握边坡的变化状况, 有时会因地质条件的变化等情况而致使边坡稳定性降低, 因此要加大对边坡稳定性情况的检测和监督。
6 结束语
很多建筑项目施工中, 条件和环境比较恶劣, 再加上工程工艺的繁琐和复杂, 影响了项目建设的质量, 降低了建筑项目的施工水平。尤其是在南方很多山区建设施工项目, 在很多高边坡上进行构筑物的建设, 对边坡上的支护技术有很大的要求。所以, 为提高在高边坡上建造构筑物的质量和水平, 就需要加大对边坡支护结构的研究力度, 提高高边坡支护技术的水平和质量, 以保证整个工程结构的稳定性, 提高施工效益。
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组合式支护 篇6
拟建场地位于太仓市娄江路西侧、县府东街南侧, 地块尺寸376.40 m×282.18 m。中部有一条东西向河道, 宽约10 m~35.0 m, 长约220 m, 贯穿整个场地, 水面标高1.12 m, 水深4 m~5 m左右, 淤泥0.20 m~0.50 m。属长江三角洲冲积平原区, 地貌形态单一, 水系发育。场地原为农田, 现为空荒地。场地地势除河道部位外较平坦, 勘探期间测得各勘探孔孔口标高在1.68 m~2.62 m之间, 最大高差为0.94 m。
如图1所示, 基坑开挖支护采用放坡+桩锚支护体系, 地面以下2.5 m采用1∶1放坡, 挂钢丝网后喷射混凝土;下部采用双排钻孔灌注桩加三排土锚进行桩锚支护, 排桩之间施加水泥土搅拌桩, 作为止水帷幕。本文拟对放坡开挖段采用强度折减法进行计算分析[1,2,3], 提出合理的施工应对措施。
2 安全性分析模型和参数选择
采用Mohr-Coulomb模型对边坡稳定性的影响进行研究, Mohr-Coulomb屈服准则是描述岩土工程材料最常用的准则[4], 该屈服准则的控制方程为:
其中, σ1, σ2, σ3分别为第一应力、第二应力和第三应力;c为粘聚力;ф为内摩擦角。
土层抗剪参数按照地层勘探结果取值, 如表1所示, c, 取标准值[5,6], 对于水位以下土层, 依据《基坑工程手册》, 土体c, 取标准值的0.875倍。
3 放坡段安全性分析
3.1 有限元数值仿真模型
基坑放坡开挖部位地层分布较为简单, 主要为填土和粉质粘土地层, 放坡坡度为1∶1, 放坡高度为2.5 m, 坡脚距离基坑内边缘长度为6 m。建立模型时, 取坡脚位置水平延伸长度为6 m, 坡顶水平延伸长度为6 m, 计算深度取第③层粉土地层边界位置, 即6.6 m, 地层分布和模型几何尺寸如图2所示。
如图3所示, 建立二维平面应变模型进行计算, 模型左侧和右侧水平约束, 底部竖向约束, 坡体施加土体自重荷载。由于施工过程中, 坡顶附近不可避免受到车辆重载和材料堆放等因素的影响, 计算过程中, 按照常规计算理念, 取坡顶超载为20 k N/m, 超载施加于距离坡顶3 m~6 m处。
3.2 放坡开挖施工参数分析
采用强度折减法, 计算得到放坡开挖段的坡体安全性系数为2.687 5, 由《建筑边坡工程技术规范》可知, 一级建筑基坑边坡安全性控制标准为1.35, 说明上部2.5 m采取1∶1放坡方案是可行的[7,8]。
图4为边坡发生滑坡时的等效塑性云图, 滑面由上部坡顶延伸至坡脚位置, 基坑潜在滑面呈圆弧状, 由潜在坡体的位置可知, 施工中应注意如下几点:
1) 由于潜在滑面上部位于坡顶位置附近, 因而应加强此区域附近的施工超载, 避免大型设备在此区域通行, 同时应避免坡顶位置材料堆载;
2) 坡顶位置处应设置截水沟, 防止雨水从坡顶渗入, 导致土体有效应力减小, 引发边坡失稳;
3) 坡脚位置处应施加堆载, 并在此处设置排水沟, 减小坡体失稳的概率。
4 结语
本文以太仓市万达广场为工程依托, 采用岩土工程摩尔—库仑经典本构模型, 对上部放坡下部排桩的组合支护体系下基坑放坡开挖段的安全性进行计算分析, 强度折减法计算结果显示, 放坡段安全系数为2.687 5, 大于基坑规范规定的限值。针对潜在滑移面位置, 提出保持基坑稳定的三项施工措施:严格控制施工荷载与坡顶保持一定安全距离;坡顶设置截水体系;坡脚压载和排水体系设置。施工过程表明, 本文提出的方案有效保证了组合支护体系下基坑放坡段的安全性, 有效避免出现坡脚滑动、坡顶裂缝等工程事故隐患。
摘要：摒弃组合体系的相互干扰因素, 采取单项分析方法, 对放坡和排桩组合体系下的深基坑进行放坡段单项分析, 根据计算结果提出了相应的施工措施, 相关研究成果可以为其他相关工程提供参考。
关键词：基坑,放坡,强度折减,组合支护体系
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组合式支护 篇7
1 基坑支护的现状
深基坑常见的支护形式主要有:放坡开挖、土钉支护、地下连续墙、排桩支护、悬臂式、内撑式、拉锚式、逆作法等[2]。现在出现了SMW工法[3]、TRD工法[4]等深基坑新的支护技术。不同的支护方式, 具有很大支护性能、造价等方面的差异。在选择基坑支护方案时需要考虑土体及水文地质条件、地下结构及施工的要求、周边环境的要求、经济指标、当地的技术水平及习惯等因素, 针对不同复杂情况的基坑, 需要灵活使用支护结构形式和施工技术。
2 工程概况
2.1 工程简介
本文分析的工程项目位于邢台市。主楼的占地面积为57 m×38 m, 地上建筑有2层~10层, 高度在9.9 m~50.4 m之间, 结构是框架剪力墙结构。该工程建筑物的主楼有1层地下车库。建筑物的基础形式为筏板基础。该工程项目深基坑的空间尺寸:南北方向的长度约为80 m, 东西方向的宽度约为60 m, 开挖的基坑深度为10.3 m。
基坑北侧距离基坑下口线8.5 m处有埋深为1.5 m, 直径为160 mm的PE天然气管道。基坑北侧距离基坑下口线9.5 m处有埋深为1.0 m的高压线杆和变电站。基坑北侧距离基坑下口线10.0 m处有宽度为14 m的道路。基坑北侧距离基坑下口线13.5 m、道路下有埋深为2.8 m、直径为500 mm的污水混凝土管。基坑南侧距离基坑下口线4.5 m~8.5 m有围墙。紧贴围墙内侧有四排并列、直径为200 mm的热力管线。用埋深为1.0 m支架将管线架高2.5 m。围墙外侧0.5 m有1层食堂和餐厅, 无化粪池、污排水管道等地下构筑物或管道。基坑西侧距离基坑下口线5.5 m处有3栋6层住宅楼、2栋1层储藏室。其中砖混结构住宅楼的条形基础埋深为1.9 m。基坑东侧现有1层楼房, 基坑施工前需要拆除。其他位置1.5倍基坑深度范围内地上无建筑物、构筑物, 地下无管线等。基坑平面布置图见图1。
2.2 工程地质条件
拟建场地属太行山山前冲洪积平原区, 地势较为平坦。该场地地质构造较简单, 无发震断裂。场地及其附近没有发现岩溶、土洞、塌陷、泥石流、采空区等不良地质作用, 也不存在影响地基稳定性的边坡、陡坡和局部软弱的土层, 没有发现古河道、沟浜、墓穴、防空洞、孤石等对工程不利的埋藏物。场地基本稳定, 较适宜建筑。
该场地在勘察深度范围内, 稳定孔隙潜水的水位为16.4 m~16.9 m。场地类别为Ⅲ类, 是建筑抗震一般地段。该场地不存在地震液化现象。经调查本场地及附近未发现污染源, 根据水质、土层性质的分析, 地下水、地基土均对混凝土结构中的钢筋及钢结构有微腐蚀性。
根据钻探资料, 将场区第四系冲、洪积土层自上而下进行划分。通过试验结果、当地工程经验, 确定各个土层的主要物理力学指标, 见表1。地层分布连续, 厚度较稳定。
3 方案选定
根据基坑的周围环境, 将基坑划分为三个区域, 见图1。基坑的深度很大, 区域三如果采用放坡的形式, 在满足边坡稳定性的条件下, 要求坡壁周围有很大的场地。在土体中插入土钉, 土钉与土体通过灌浆的作用将两者结合成了一个整体, 能有效提高土体的整体强度。土钉墙支护形式比单纯的放坡更加节省场地、更加安全。该基坑区域三坡壁周围建筑物、管线等离基坑有一定距离, 基坑侧壁安全等级为Ⅱ级。虽然基坑的东南角距离建筑物很近, 但是这部分平面形状为圆弧形。圆弧形的基坑坡壁的空间效应明显, 有利于基坑的稳定[5]。该场区的地层允许采用放坡的土钉墙支护形式。
基坑区域一、二坡壁周围有距离很近、需要保护的建筑物, 基坑侧壁安全等级为Ⅰ级。这两个区域土钉墙支护不能很好地控制基坑的变形。若针对该工程采用重力式挡土墙, 工程造价太大。结合当地工程经验, 可以考虑利用护坡桩进行基坑的支护。单纯护坡桩的直径大、配筋强度高、工程造价高, 不利于基坑变形的控制[6]。这两个区域坡壁周围允许设置锚杆, 为了便于地下结构的施工, 选择单排桩加多层预应力锚索进行基坑的支护。
4 支护结构的设计
4.1 基坑超载
在进行基坑各个区域支护结构的设计时, 需要分别考虑不同区域周围实际的荷载情况。基坑坡壁周围行人荷载5 k Pa。道路和街道中间部分的荷载按20 k Pa考虑。街道的荷载按25 k Pa考虑。6层住宅楼对地基的竖向荷载按110 k Pa考虑。本文支护结构设计时, 利用荷载的位置见图1, 具体的荷载参数见表2。
4.2 桩锚支护
在进行桩锚支护结构的设计时, 分别对挡土结构、锚拉结构 (锚杆、冠梁) 进行分析。土、锚杆对护坡桩按弹性支座的作用考虑[7]。同一坡面按最危险的土层、荷载情况进行平面分析。按照规范[2]及经验, 首先选定支护结构参数, 然后分别验算圆弧稳定性、护坡桩抗倾覆性稳定性、锚杆受拉和抗拔稳定性、坑底土体抗隆起稳定性。
基坑整个区域面层均设置Φ8@180 mm×180 mm钢筋网、喷射80 mm厚C20细石混凝土。基坑区域一、二上部1.5 m按1∶1放坡;护坡桩的直径0.6 m、长度18 m, 混凝土强度C30, 加强箍筋是间距2 000 mm、直径14 mm的HPB335型钢筋。基坑区域一、二桩顶冠梁见图2。
区域一桩的嵌固深度为9.2 m, 水平间距为1.2 m。区域一桩选14根直径为25 mm的HRB400型钢筋作为纵向钢筋, 选间距140 mm、直径8 mm的HPB300型钢筋作为箍筋。区域二桩的嵌固深度为8.2 m, 水平间距为1.5 m。区域二桩选17根直径为25 mm的HRB400型钢筋作为纵向钢筋, 选间距110 mm、直径8 mm的HPB300型钢筋作为箍筋。锚索的参数见表3。
区域一、二锚索抗拔安全系数按1.8设计。区域一、二各个工况下, 护坡桩最小抗倾覆安全系数都大于1.25, 满足规范要求。区域一整体稳定性安全系数1.650>1.4。区域一桩支护底部, 验算抗隆起安全系数8.793>1.8, 抗隆起稳定性满足。区域一计算得到最大的水平位移为28.17 mm, 最大的竖向位移为19 mm。
区域二整体稳定性安全系数1.825>1.4。区域二桩支护底部, 验算抗隆起安全系数10.355>1.8, 抗隆起稳定性满足要求。区域二计算得到最大的水平位移为26 mm, 最大的竖向位移为23 mm, 均满足规范要求[2]。
4.3 土钉墙支护
基坑区域三上部1.5 m按1∶1放坡, 1.5 m以下坡角为57°。沿边坡总共设置7道土钉。第一排土钉的标高为-1.7 m, 各排土钉的竖向间距为1.3 m。第1道土钉长度8.5 m, 第2道, 3道土钉长度8 m, 第4道土钉长度7.5 m, 第5道, 6道土钉长度7 m, 第7道土钉长度5.5 m。土钉选用直径为18 mm的HRB400型钢筋, 水平间距为1.2 m, 倾角为15°, 钻孔直径为110 mm。土钉的注浆材料是水灰比为0.5~0.55的水泥净浆, 水泥采用32.5矿渣水泥, 采用压力注浆。借助圆弧滑动条分方法验算得到, 各个工况下内部稳定性系数大于1.3。土钉局部抗拔稳定性系数大于1.6。
5 支护效果
采用上面的结构对本深基坑进行支护。基坑开挖与支护相互配合, 严格按照支护要求分层开挖, 作业面与锚杆、土钉的高差不大于400 mm。在基坑开挖和支护的过程中, 监测得到基坑周围土体、支护结构、管线、道路、房屋的变形均满足了要求。
6 结语
1) 在选择基坑支护方案时需要考虑土体及水文地质条件、地下结构及施工的要求、周边环境的要求、经济指标、当地的技术水平及习惯等因素。2) 在安全、经济的前提下, 需要组合利用不同的支护方式。在进行平面分析时, 根据基坑周围实际的荷载情况验算选定的支护结构。3) 整个基坑工程活动中, 需要检测基坑的变形。当基坑的变形不能保证基坑及周围环境的安全、稳定时, 需要及时调整支护结构的参数。
摘要：结合邢台市某工程的地质条件, 比选出了基坑支护方案, 并从基坑超载、桩锚支护、土钉墙支护等方面, 阐述了基坑支护结构的设计技术, 经基坑监测结果表明, 基坑周围土体、支护结构、管线、道路、房屋的变形均满足要求。
关键词：基坑,支护结构,土钉墙,锚索
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组合式支护 篇8
关键词：锚杆支护,软弱夹层,组合梁模型,力学模型
巷道变形破坏、片帮冒顶等事故在地下工程中是最常见的。由于对巷道变形破坏规律认识不清, 支护理论不完善, 从而造成支护设计工程类比居多, 缺乏科学的指导, 无法切实保证巷道在不同地质条件下的稳定和安全使用[1]。巷道支护一直是煤矿工作者重要的研究内容, 近年来, 随着锚杆支护技术的实践应用, 锚杆支护技术理论在不断的产生和完善。目前, 国内外关于锚杆支护理论主要有: 悬吊理论、组合梁理论、最大水平应力理论、巷道围岩松动圈理论、围岩强度强化理论等[2,3,4,5]。
锚杆支护作用的实质就是锚杆与围岩相互作用, 组成锚固体, 形成锚杆—围岩的共同承载结构, 改善锚固体的力学参数, 提高锚固体的强度, 使岩体强度, 特别是峰后强度和残余强度得到加强, 充分发挥围岩的自承能力[6,7]。笔者分析了软弱夹层位于锚杆锚固区内、锚杆锚固区边缘、锚杆锚固区外等3种条件下的锚杆支护情况, 借助岩石力学的本构理论, 推导出巷道预应力围岩强化组合梁的本构模型和本构方程。
1 预应力围岩强化组合梁模型
1952年德国Jacobio等针对层状地层提出了组合梁理论, 认为:在没有稳固岩层提供悬吊支点的薄层状岩层中, 可利用锚杆的拉力将层状岩层组合起来形成组合梁结构进行支护, 这就是锚杆的“组合梁”作用[8]。
建立含软弱夹层的预应力围岩强化组合梁模型时, 首先考虑锚杆将直接顶或块状结构中不稳定的岩块悬吊在上部稳固的岩层上, 对组合梁施加竖直方向的预应力, 阻止岩层或岩块的垮落, 起到了悬吊的作用。在拱形巷道中, 锚杆在锥形压缩区内产生压应力, 增加节理裂隙面或岩块间的摩擦阻力, 防止岩块的转动和滑移, 从而增大了岩体的黏聚力, 提高破碎岩体的强度并改善了围岩的应力状态, 使岩体强度得到提高;另外, 锚杆通过约束顶底板岩层沿轴向膨胀和垂直于轴向的岩层剪切错动, 进一步约束了围岩的变形, 增加了巷道的稳定性。
2 软弱夹层层位对巷道稳定性的影响
取梁的横截面为宽20 m、高13 m的长方形, 巷道埋深800 m, 软弱夹层为破碎软岩, 厚度30 cm。在目前的技术条件下, 煤矿常用顶板锚杆的长度为2.0～3.0 m, 一般不超过3.5 m[9], 故取软弱夹层在顶板的3个位置进行研究, 分别为锚杆锚固区内、锚杆锚固区边缘、锚杆锚固区外。
2.1 软弱夹层位于锚杆锚固区内
若软弱夹层位于锚杆锚固区的内部, 则在锚杆锚固力作用下, 软弱夹层两侧的岩体承受了应力值的改变, 使软弱夹层两侧的岩体围压增大, 岩体对软弱夹层的压力增大, 使软弱夹层发生破坏。但是由于锚杆预应力的存在, 使软弱夹层与其上下坚硬岩层形成一个整体, 共同承载外部的正常的围岩应力。而且承载结构的强度远大于3种岩体本身的强度, 承载结构破坏的临界应力得到提高, 如图1所示。
这类顶板条件下, 只要支护及时合理, 锚杆的预紧力足够使顶板软弱夹层及上下岩体形成一个整体结构, 可以承载外部正常的围岩应力, 顶板就不会出现离层垮落事故。
2.2 软弱夹层位于锚杆锚固区边缘
如果软弱夹层位于锚杆锚固区的边缘, 在锚杆作用力下, 锚杆锚固区内部的岩石受三向应力作用, 并且处于平衡状态, 从而形成强度较高的锚固层。但是, 由于软弱夹层在锚杆锚固层的上方, 锚杆无法达到软弱夹层上部的岩体, 即锚杆的预应力无法使软弱夹层及其上部岩体之间产生较高的应力, 因此软弱夹层与其下方岩体间不会发生脱离, 软弱夹层与其上部岩体极易发生离层。当软弱夹层与其上部岩体发生脱离时, 锚固体的强度完全取决于锚固岩体的抗剪强度, 而其值大小是不能抵抗整个锚固体的岩重, 这样必然导致顶板的离层垮落。因此, 无论锚杆的预紧力多大, 都不能阻止离层垮落的发生, 如图2所示。
软弱夹层在锚杆锚固区边缘, 是顶板离层垮落最为危险的发生条件之一。此种条件下, 可以对顶板采取锚索、锚网等方式, 进行补充支护。如果支护体所施加的预紧力足够高, 通过锚索施加应力使得该类顶板条件应力状态向软弱夹层在锚索锚固区内部转化, 可以达到软弱夹层在锚杆锚固区内部的支护效果。但锚索的使用通常达不到上述条件, 因此该类条件下支护处理不当, 容易发生顶板离层垮落事故。
2.3 软弱夹层位于锚杆锚固区外
软弱夹层位于锚杆锚固区外部时, 整个锚杆锚固区可以作为一个整体, 软弱夹层在上下岩体作用力下必然发生破坏, 软弱夹层位置发生明显的离层。但是, 如果锚杆预应力达到合适的程度, 使其应力状态趋于极限平衡状态, 则顶板中的软弱夹层下部岩体会形成整体的支护结构, 只要该支护结构的整体承载性能得到改善, 周围岩体的应力不能达到该结构整体破坏的临界应力, 则锚杆锚固体就可以支撑上部的岩体。在正常的应力条件下, 巷道在软弱夹层位置会出现离层, 但是顶板一般不会垮落, 如图3所示。
此类顶板条件下, 顶板发生大范围的下沉, 软弱夹层位置出现明显的离层, 但只要下位支护体的强化作用有效, 支护结构的整体性就可以得到保持, 巷道不会出现垮落事故。也就是巷道虽然发生了较大的变形, 但仍然会保持稳定和安全, 而不会出现大范围垮落事故。
3 含软弱夹层巷道的本构模型
过去很长一段时间内, 许多学者在试验的基础上, 通过材料宏观的应力—应变曲线关系的途径确定了各种岩石的本构关系。笔者将岩石看作弹性体, 软弱夹层视为黏性体, 锚杆看作刚—塑体, 建立如图4所示软弱夹层在锚杆锚固区内条件下的巷道预应力围岩强化组合梁的本构模型。
软弱夹层本构模型用西原模型描述 (见图5) , 西原模型组成原件丰富, 其结构能更好地反映软弱夹层的关键力学特性——流变特性, 是比较完善的黏弹塑性力学模型。
其本构关系的表达式, 在一维的条件下根据应力状态的水平, 可分为两个阶段:
1) 当σ≤σS时
2) 当σ>σS时
式中 σ——外部载荷;
ε——外部载荷作用下的应变量;
E1——模型的弹性模量;
E2——模型的黏弹性模量;
σS——圣维南体的极限摩擦阻力;
η2——处于黏弹性状态下的黏性系数;
η3——处于弹塑性状态下的黏性系数。
西原模型由黏弹性、黏塑性两部分组成, 组成模型的原件数目、种类越多, 越能贴近模拟研究对象的黏弹塑性力学性能, 解释研究对象在特定条件下所表现出的力学特性, 进一步预测研究对象在受力情况、约束状况等发生变化的情况下所表现的力学行为, 及其对周围结构的影响。
4 结论
分析了软弱岩层位于锚杆锚固区内、边缘、外部3种条件的支护效果, 建立了将巷道的延伸方向视为长度方向横截面宽20 m、高13 m的组合梁模型。软弱夹层在锚杆锚固区内部时, 只要支护及时合理, 锚杆的预紧力足够使顶板软弱夹层及其上下岩体形成整体结构, 顶板不会出现离层垮落事故。软弱夹层在锚杆锚固区边缘时, 可以通过对顶板采取锚索补强的支护方式, 使该类顶板条件应力状态向软弱夹层在锚索锚固区内部转化, 从而达到软弱夹层在锚杆锚固区内部的支护效果。软弱夹层在锚杆锚固区外时, 软弱夹层位置容易出现明显离层, 但是只要支护体的强化作用有效, 支护结构的整体性就能够得到保持, 巷道不会出现大范围垮落事故。最后将岩石看作弹性体, 锚杆看作刚—塑体, 软弱夹层看成黏性体, 建立了巷道预应力围岩强化组合梁的本构模型。
参考文献
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