基坑支护结构设计原则和结构选型
中国西部科技 2009年1月(上旬)第08卷第01期总第162期
基坑支护结构设计原则和结构选型
汪 军
(深圳地质建设工程公司,广东 深圳 518028)
摘 要:基坑开挖过程中不同的工程所采用的基坑支护形式不同。本文分析了工程中常见支护结构类型、适用条件以及基坑支护结构设计的承载力极限状态原则和正常使用极限状态原则,最后根据笔者多年工作经验提出基坑支护结构选型。关键词:基坑支护;结构设计;选型
在基坑开挖过程中,有效的基坑支护可以避免对周围建筑物的危害,同时也能增加对自身工程的安全性,本文主要就基坑支护结构设计原则和结构选型进行研究。1 支护结构的类型及适用条件
(1)钢板桩。钢板桩用打入或振动打入法就位,工程结束后可回收,可以重复使用。常用的钢板桩有槽钢钢板桩和“拉森”钢板桩。槽钢钢板桩的刚度比较小,并且容易渗水,一般在浅基坑中应用。“拉森”钢板桩刚度大,而且通过锁口相互咬合,基本不透水。
在软土地区使用钢板桩,打入时会产生挤土作用,常引起地面隆起,拔出时会带出土体,形成比钢板桩大得多的孔洞,若不及时采时措施,容易造成周围地面下沉。因此,在建筑物密集地区使用时要慎重。
(2)钢筋混凝土板桩。钢筋混凝土板桩是预制的钢筋混凝土构件,用打入法就位,并且相互嵌入。这种板桩有较大的刚度和不透水性,一般是一次性的。
(3)钻孔灌注排桩。钻孔灌注排桩作为挡土结构,桩与桩之间用旋喷桩或压力注浆进行防渗堵水处理,排桩顶部浇筑钢筋混凝土圈梁,将桩排联成整体。这种支护结构又分为悬臂式、锚固式和内支撑式。
悬臂式:悬臂式支护结构的挡土深度视地质条件和桩径而异。其特点是场地开阔,挖土效率高,比较经济。
锚固式:钻孔灌注排桩与土层锚杆、锚定板等联合使用,可用于较深的基坑。其特点为开挖效率高,施工方便,但水泥及钢材用量相对较多。
内支撑式:在基坑内加钢质支撑或钢筋混凝土支撑等。内支撑有竖向斜支撑和水平支撑两大类。斜支撑适用于支护结构高度不大,所需支撑力不大的情况,一般为单层,水平支撑可单层设置,也可多层设置。
(4)水泥土深层搅拌桩挡墙。国内常用深层搅拌法形成重力式挡墙,一般形成格栅状。这类挡土结构的优点是不设支撑,不渗水,并且只需水泥,不用钢材,造价低。但为了保持稳定,一般宽度很大。
(5)地下连续墙。这种结构常用于较深的基坑,如地铁、车站或多层地下停车场等。其刚度与强度都较好,但造价高。
收稿日期:2008-11-20 修回日期:2008-12-18
(6)围筒式支护结构。围筒式支护结构按平面形式不同分为圆形、拱形或复合型等型式。这种结构受力合理,充分利用了材料的抗压强度,产生位移很小,这种结构有以下几种形式:①钻孔灌注桩形成圆形或弧形桩排;②水泥土搅拌桩或素混凝土桩排列成拱形,拱脚处设置钢筋混凝土桩见图1。
图1 连拱式支护结构平面图
2 基坑支护结构的设计原则
基坑工程根据结构破坏可能产生的后果,采用不同的安全等级,一级安全等级对应破坏后果很严重,二级对应严重,三级对应不严重。深基坑支护结构的设计一般按两种状态即承载力极限状态和正常使用极限状态进行设计。
(1)承载力极限状态也称应力极限状态。包括以下几种情况:①抗剪切破坏要求满足下式:
,式中: ——桩所承受的剪应力; ——支护结构的抗剪强度。②抗倾覆破坏的极限状态要求满足下式: Ep≥Ea,式中: Ep——护结构承受的被动土压力;Ea一一支护结构承受的的主动土压力。③抗滑动破坏的极限状态要求满足: ,式中: ——滑动面上地基土受到的剪应力; ——地基土的抗剪强度。④抗弯破坏的极限状态要求满足: ,式中: M——支护结构截面所受的弯矩;[M]——抗弯强度。
(2)正常使用极限状态。正常使用极限状态也称变形极限状态。若支护结构在土的侧向压力作用下产生位移,则地面必然会产生沉降,从而影响在建工程或邻近建(构)筑物的正常使用。如果侧向位移过大,还会引起周围建筑物下沉、倾斜、开裂、门窗变形以及地下管线设施受损,造成断电、断水、断气等。3 基坑支护结构设计的计算方法
由于古典法和解析法等都不能有效地计入基坑开挖时
作者简介:
汪军(1974-),男,汉族,湖北籍,学士,助理工程师,从事岩土工程施工、设计工作。
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开发应用
挡土结构及支撑轴力的变化过程,采用这些方法得到的结果用于多道支撑的深基坑挡土结构分析时内力较实际情况的误差比较大,所以现在一般采用有限元法进行挡土墙的内力分析,用这种方法可以有效的计入基坑开挖过程中的多种因素,如作用在挡土支护结构上被动土压力和主动侧的土压力的变化,支撑随开挖深度的增加,其架设数量的变化,支撑架设前的挡土结构的位移以及架设支撑后支撑轴力的变化和挡土结构的位移,支撑预加轴力对挡土结构内力变化的影响,以及空间作用下挡土结构的空间效应等问题。有限元法可以有效、安全、经济的优化挡土结构形式和开挖过程中的合理化。挡土结构有限元分析法主要有两种,即“弹性杆系有限元法”和“连续介质有限元法”。
有限元法就是将土体、支护结构进行单元划分,通过数值模拟,从而得到支护结构的内力、位移,也可以算出整个土体的位移场和应力场。它的优点在于能充分的考虑土体的性质,采用不同的模型、边界条件,从而更加真实的反映实际情况;对于分步施工过程可以采用动态模拟计算,可对每一步开挖的应力和位移作出分析。采用空间三维有限元分析还可以较好的对基坑的整体形状作出模拟,对一些角撑、圈梁和围檩模拟。
有限元法在50年代出现,从70年代开始应用在基坑工程领域并且取得了很大的成果。目前在我国主要采用的还是“弹性杆系有限元法”,因为它计算模型简单,参数易取,结果可靠。最近几年来,随着计算机技术的不断提高,特别是一些通用的有限元计算软件的进入,使得“连续介质有限元法”得到了越来越广泛的运用。我们不但可以对基坑进行二维有限元分析,而且可以进行三维空间模拟。不但可以对土体进行线弹性分析,而且还深入到弹塑性阶段,可以更加真实的模拟支护结构的受力特点。4 基坑支护结构选型
深基坑支护的目的与要求是确保坑壁稳定,施工安全;确保邻近建筑物、构筑物和管线安全;有利于挖土及地下室的建造;支护结构施工方便、经济合理。
支护体系的选用原则是安全、经济、方便施工,选用支护体系要因地制宜。
安全不仅指支护体系本身安全,保证基坑开挖、地下结构施工顺利,而且要保证邻近建(构)筑物和市政设施的安全和正常使用。经济不仅是指支护体系的工程费用,而且要考虑工期,考虑挖土是否方便,考虑安全储备是否足够,应采用综合分析,确定该方案是否经济合理。方便施工也应是支护体系的选用原则之一。方便施工可降低挖土
费用,而且可以节省工期、提高支护体系的可靠性。
一个优秀的支护体系设计,要做到因地制宜,根据基坑工程周围建(构)筑物对支护体系变位的适应能力,选用合理的支护型式,进行支护结构体系设计。相同的地质条件,相同的挖土深度,允许围护结构变位量不同,满足不同变形要求的不同的支护体系的费用相有效期可能很大。优秀 的设计,应能较好地把握支护结构安全变位量,使支护体系安全,周围建筑物不受影响,费用又小。
支护体系一般为施工过程中临时构筑物,设计中不宜采用较大的安全系数,但适当的安全储备还是需要的。安全系数取1.0,对于某个具体工程不一定出问题,但宏观地看,对一个地区,工程事故数量就可能不少。从安全与经济两方面考虑,可以在采用较小的安全储备条件下,在施工过程中加强监测,并备有应急措施,以保证在事故苗头出现时,采取措施,确保安全施工。
一般讲,软粘土地基中基坑工程要侧重处理支护体系围护结构的稳定性问题,或者说处理好挡土问题;地下流水位较高的砂性土地基中基坑工程要侧重处理好水的问题,如何降低地下水位,如何设置好止水帷幕,软粘土地基中基坑工程支护体系失稳往往是支护结构失稳。引起支护结构失稳的原因很多,有设计方面的原因,也有施工方面的原因,也有对地质条件了解不清楚的原因。渗透性较大的地基中基坑工程支护体系失败往往是水的问题未处理好。要根据地基土质情况合理选用支护体系。5 总结
本文主要分析了工程中常见支护结构类型、适用条件以及基坑支护结构设计的承载力极限状态原则和正常使用极限状态原则;基坑支护结构设计计算方法;最后根据笔者多年工作经验提出基坑支护结构选型。基坑支护结构设计原则和结构选型是一个复杂的系统工程, 值得今后进一步探讨。
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(上接第41页)对分段施工的基层,在碾压时,应预留3~5m混合料暂缓碾压,待下段混合料摊铺后再碾压,以利衔接。前后段施工时间不要间隔太长。对于分层碾压的基层,上下层的接头应错开3~5m,以减小出现裂缝的机会。③合理选择混合料的配比,控制细料数量;重视结构层的养生,经常洒水,防止水分过快损失,及早铺筑上层或进
行封层,以利减少干缩。
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