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基坑支护技术主要包括基坑的勘察、设计、施工及监测技术,同时包括地下水的控制和土方开挖等。
基坑支护是基础和地下工程施工中一个传统课题,同时又是一个综合性的岩土工程难题,既涉及土力学中典型的强度、稳定及变形问题,还涉及到土与结构共同作用的问题、基坑中的时空效应问题以及结构计算问题。
其设计与施工完全是相互依赖的、密不可分的。
施工每一个阶段,随着施工工艺、开挖位置和次序、支撑和开挖时间等变化,结构体系和外部荷载都在变化,都对支护结构的内力产生直接的影响,每一个施工工况的数据都可能影响支护结构的稳定和安全。
只有设计与施工人员密切配合,加强监测分析,及早发现和解决问题,总结经验,才能使基坑工程难题得到有效的解决,也只有这样,设计理论和施工技术才能够得到较快的发展。
1.2基坑设计原则
基坑支护结构应采用以分项系数表示的极限状态设计表达式进行设计。
基坑支护结构极限状态可分为下列两类:
.承载能力极限状态:
对应于支护结构达到最大承载能力或土体失稳、过大变形导致支护结构或基坑周边环境破坏。
这种状态状态表现为任何原因引起的基坑侧壁破坏。
一般情况下,支护结构上的作用效应和结构抗力,应符合下式要求:
S——结构的作用效应;
R——结构的抗力。
2.正常使用极限状态:
对应于支护结构的变形已经妨碍了地下结构的施工或影响基坑周围环境的正常使用功能。
这种状态主要表现为支护结构的变形影响地下室边墙施工及周边环境的正常使用,支护结构的变形和裂缝应符合下列要求:
——变形、裂缝等荷载效应的设计值;
C——设计对变形、裂缝等规定的相应限值。
同时根据承载能力极限状态和正常使用极限状态的设计要求,基坑支护应按下列规定进行计算和验算:
根据基坑支护形式及受力特点进行土体稳定性计算;
基坑支护结构的受压、受弯、受剪承载力计算;
当有锚杆或支撑时,应地其进行承载力计算和稳定性验算。
支护结构设计应考虑其结构水平变形、地下水的变化对周边环境的水平与竖向变形的影响,对于安全等级为一级及对支护结构变形有限定的二级建筑基坑侧壁,应对基坑周边环境及支护结构变形进行验算。
当场地内有地下水时,应根据场地及周边区域的工程地质条件、水文地质条件、周边环境情况和支护结构与基础形式等因素,确定地下水控制方法。
当场地周围有地表水汇流、排泄或地下水水管渗漏时,应对基坑采取保护措施,进行地下水控制计算和验算:
抗渗透稳定性验算;
基坑底突涌稳定性验算;
根据支护结构设计要求进行地下水们控制计算。
1.3基坑设计类型
支护结构可根据基坑周边环境、开挖深度、工程地质与水文地质、施工作业设备和施工季节条件,选用排桩、地下连续墙、水泥土墙、逆作拱墙、土钉墙、原状土放坡、重力式挡墙等形式或者是这些形式的组合。
同时应考虑结构的空间效应和受力特点,采用有利于支护结构材料受力性状的形式。
结构形式
适用条件
排桩或地下连续墙
1.适合基坑侧壁安全等级一、二、三级
2.悬臂式结构在软土场地中不宜大于5m
3.当地下水位高于基坑底面时,宜采用降水,排桩加截水帷幕或地下连续墙
水泥土墙
1.适合基坑侧壁安全等级二、三级
2.水泥土桩施工范围内地基承载力不宜大于150kPa
3.基坑深度不宜大于6m
土钉墙
1.适合基坑侧壁安全等级二、三级的非软土场地
2.基坑深度不宜大于12m
3.当地下水位高于基坑底面时,宜采用降水或截水措施
逆作拱墙
2.淤泥和淤泥质土场地不宜采用
3.拱墙轴线的矢跨比不宜小于1/8
4.基坑深度不宜大于12m
放坡
2.施工场地应满足放坡要求
3.可独立或与上述其他结构结合使用
4.当地下水位高于坡脚时,应采用降水措施
1.4基坑监测
在基坑的开挖过程中,基坑内外的土体将由原来的静止土压力状态向被动和主动土压力状态转变,应力状态的改变引起支护结构的承受荷载并导致围护结构和土体发生变形,当变形中任一量值超过容许范围时,装饰造成基坑的失稳或对周围环境造成不利影响,深基坑开挖往往在建筑密集的市中心,施工场地四周有建筑物和地下管线,基坑开挖所引起的土体变形将在一定程度上改变这些建筑物和地下管线的正常状态,当土体变形过大时,会造成邻近结构和设施的失效或破坏。
同时,基坑相邻的建筑物又相当于较重的集中荷载,基坑周围的管线引起地表水的渗漏,这些因素又导致土体变形加剧。
土体与支护结构的变形虽然可以通过设计合理的支护方案、制定先进的施工方案进行控制,但却无法完全避免。
同时由于工程地质条件的不确定性、设计参数的不合理性、施工因素的多变性,在基坑施工过程中,土体与支护结构的变形无法准确预测,有时甚至无法控制,造成一些灾难性的后果。
对基坑支护结构、基坑周围的土体和相邻的建筑物进行全面、系统的监测,才能对基坑工程的安全性和对周围环境的影响程度有全面的了解,在出现异常情况时及时反馈,并采用必要的工程应急措施,甚至调整施工工艺或修改设计参数,以确保工程的顺利进行。
2.工程实例说明
2.1工程概况及周围环境分析
胡家巷项目位于主城区健康路与旧王府路交叉路口,夫子庙商圈核心地段,占据市中心轴线的繁华核心区域,项目紧邻大型shoppingmall水游城。
总建筑面积约60640平方米,其中地上建筑面积约37471平方米,地下建筑面积约23133平方米,项目地上18层(裙楼5层),地下3层,总高度约为60米,地下室埋深约为15米左右。
基坑东面为居住小区和金一村连锁旅店,距离地下室外墙约3m。
西面和南面均紧挨道路,北面有7层建筑,离地下室外墙线约6m。
2.2工程地质条件
钻探揭示,在勘探深度内,根据场地岩土的成因类型,物理力学性质和风化程度等,可将场区勘探深度范围划分为4个工程地质层,细分为10个工程地质亚层。
现把影响基坑开挖深度范围内的土层分布描述如下图:
层序
土层名称
其它性质
(状态、特征、包含物)
层厚
1-1
杂填土
松散。
以建筑垃圾夹粘性土为主,局部为老基础。
大部分布;
层顶高程9.52~10.09m。
0.40~1.90m
1-2
素填土
松软。
以粉质粘土、淤泥质粉质粘土为主混有碎砖等杂物。
普遍分布;
层顶高程7.66~10.6m。
1.90~5.70m
2-1
粉土
稍密。
很湿,层理发育,欠均质。
摇震反应中等。
层顶高程3.35~6.64m。
1.0~5.0m
2-2
淤泥质粉质粘土
流塑。
局部夹粉土,欠均质。
干切面较光滑,无摇震反应,韧性、干强度低等。
层顶高程1.51~3.04m。
1.90~5.0m
3-1
粘土
可塑。
干切面光滑,韧性、干强度中等。
层顶高程-2.83~-0.02m。
3.30~6.50m
3-2
粉质粘土夹粉土
可硬塑。
干切面光滑,夹有粉土,见铁锰质浸染,粘粒含量价高,无摇震反应,韧性、干强度中等。
层顶高程-8.04~-5.11m。
4.90~7.40m
3-3
可软塑。
干切面光滑,局部夹有粉土,粘粒含量价高,无摇震反应,韧性、干强度中等。
层顶高程-13.34~-11.39m。
8.60~12.20m
3-4
含砾粉质粘土
稍中密。
砾石含量10~15%,粒径2~6cm,磨圆度一般。
层顶高程-23.80~-21.41m.
0.20~4.20
4-1
强风化砂岩
岩芯呈密实砂土,遇水易崩解,基本质量等级为Ⅴ级。
普遍分布。
层顶高程-26.23~-25.11m.
0.70~1.50
4-2
中等风化砂岩
岩芯呈短柱状、柱状,裂隙较发育,基本质量等级为Ⅴ级。
层顶高程-27.59~-26.13m.
5.20~7.00
根据地质报告,各土层的物理力学指标如下表所示:
各土层物理力学指标(平均值)
层号
地层名称
γ
固结快剪
渗透系数
抗拔系数
kN/m3
Cq(kPa)
Фq(度)
k水平(cm/s)
17.0
10
12
2×
10-4
17.8
15
19.1
10-5
18.2
9
26.3
4×
0.65
11
16.5
6×
10-6
0.70
19.5
32
19.7
3×
10-7
0.80
33.0
19.0
5×
0.75
18.9
14
18
注:
①最高水位埋深0.5m作抗浮设计水位。
本次勘察揭示的拟建场地内地下水类型主要为孔隙潜水,主要赋存于2-2层淤泥质粉质粘土以浅的土层中。
勘察期间地下水初见水位埋深1.60~1.80m,稳定水位埋深1.50~1.70m,年变幅1.00m,年最高水位埋深按0.5m考虑。
地下水补给来源主要是大气降水入渗,排泄方式以自然蒸发为主。
2.3基坑围护方案选择
综合分析场地地理位置、土质条件、基坑开挖深度及周围环境的影响,本工程具有以下特点:
本基坑的挖深较深,挖深为15.8米;
基坑开挖面积约8400平方米,周长约430米。
地质条件复杂。
拟建场地内分布1-1层杂填土和1-2层素填土,均为近期人工堆填,厚度较大,松散,未固结,物质成分复杂,不均质,2-1层为可液化土层,2-2层淤泥质粉质粘土为软弱层。
周围环境条件较复杂。
因场地处于老城区,基坑南侧紧邻建康路、西侧为水游城,北侧、东侧均有民房,且基坑开挖深度约16m。
由于在城区施工,开挖过程中降水会引起地面沉降,对周边建筑不利,因此需采取专门的止水降水措施。
因场地处于老城区,基坑附近建筑物众多,且基坑开挖深度约为16m,地下水位埋深较浅,若采用地下连续墙施工,成本将较高。
若采用SMW工法施工,由于地基土体大部分土质较好,搅拌桩施工难度较大,可能会影响施工速度。
而若采用锚杆(土钉)支护,则均超越用地红线较多,且各面对基坑侧向变形要求比较严格,故全部采用锚杆(土钉)支护不可行。
综合以上因素,本方案采用钻孔灌注桩加内支撑对基坑进行支护,基坑外侧采用深层搅拌桩作止水帷幕,并采用井点降水对地下水进行控制。
2.4现场监测内容
为确保施工的安全和开挖的顺利进行,在整个施工过程中应进行全过程监测,实行动态的管理和信息化施工。
根据众多的深基坑开挖的工程经验,现场监测对掌握基坑开挖对周围环境的影响,以有效的指导施工,及时调整施工措施,确保周边马路、地下管线和周边建筑的绝对安全是必须的。
为利于基坑施工,应做好纵横向明沟及集水坑排水措施;
坑周围严禁大量堆载,荷载应控制在20kN/m2以内;
为确保围护结构的安全施工,必须对整个基坑施工过程和内部结构回筑过程进行施工监测。
监测内容包括:
1、围护结构深层土体位移。
2、砼支撑内力监测。
3、地下水位监测,水位变化每天变化不得超过0.5m。
4、压顶梁上每隔25m设沉降及水平位移观测点;
旧王府路和健康路地面上每25m设沉降及水平位移观测点;
基坑四周沿红线每30m设沉降观测点。
5、位移警戒值:
最大水平位移45mm,单天最大侧向位移超过5mm/天,位移发展值连续三天超过3mm/天;
地表最大沉降警戒值为35mm。
6、立柱桩的沉降:
小于10mm。
7、选取两根围护桩,对其标高-7.0、-11.0、-14.5、-18.0、-22.0位置的主筋进行钢筋应力监测,每个标高位置在坑最外侧和坑最内侧的主筋上各设一个应力监测点。
8、在基坑东面、北面靠近基坑的每幢建筑物上各设6个沉降观测点,在围护施工前由有房屋鉴定资质的单位对住宅的裂缝、沉降、倾斜等情况作专业评估,取得原始数据。
在基坑施工期间每三天测一次沉降,在开挖土方期间每天测一次。
3.基坑结构分析计算说明
3.1灌注桩支护计算
根据地质报告,在基坑西边和南边周围采用800@1000灌注桩围护结构,设单排850@600三轴水泥搅拌桩止水止土;
在基坑东边和北边周围采用900@1100灌注桩围护结构,设单排850@600三轴水泥搅拌桩止水止土。
区域I-I:
基坑开挖深度为15.8m,采用800@1000灌注桩围护结构,桩长为28m,桩顶标高为-0.3m。
计算时考虑地面超载20kPa。
预设主支撑尺寸为1×
1.2m,根据FRWS输出的内力进行修改
共设3道支撑,其工况如下:
工况编号
工况类型
深度(m)
支撑刚度
支撑编号
1
开挖
3
2
加撑
1500
7
4
5
6
15.8
通过验算,可以看出区域I-I的支护形式满足承载力和稳定性的要求。
区域Ⅱ-Ⅱ:
基坑开挖深度为15.8m,采用900@1100灌注桩围护结构,桩长为28m,桩顶标高为-0.3m。
计算时考虑地面超载30kPa。
其验算结果如下:
各种支护形式汇总结果如下:
内容
区域I-I
区域Ⅱ-Ⅱ
规范允许值
最大位移(mm)
20.6
16.4
30
最大正弯矩(kN.m)
460.3
553.9
最大正剪力(kN)
269.7
313.7
整体稳定性
1.49
1.42
1.3
墙底抗隆起(Terzaghi)
2.26
2.22
2.2
3.2钢筋混凝土支撑计算
在之前的计算假定支撑间距为6m,进而求出了支撑受到的土压力,在这节中以上面的作用力数值进行混凝土支撑的计算设计。
根据之前的计算假定支撑间距为6m,布置混凝土支撑,其平面布置图如下:
区域I-I支护形式为800@1000灌注桩围护结构,设单排850@600三轴水泥搅拌桩止水止土;
区域Ⅱ-Ⅱ900@1100灌注桩围护结构,设单排850@600三轴水泥搅拌桩止水止土。
混凝土主支撑间距为6m,其余支撑根据主支撑进行配置。
在BSC界面中输入各种杆件的信息,包括尺寸和荷载等,通过程度计算出弯矩、剪力等内容,求出配筋量。
杆件1:
区域I-I内围梁;
杆件2:
区域Ⅱ-Ⅱ内围梁
杆件3:
间距为6米的C30混凝土主支撑
杆件4:
C30混凝土斜支撑
各个杆件的具体参数如下:
通过DR命令显示各根杆件标号和配筋量。
节点
X(m)
Y(m)
U(mm)
V(mm)
77.359
46.453
-35.4
-24.7
77.413
45.696
-35.2
79.688
45.699
-35.7
-20.6
72.414
39.453
-29.6
-25.4
65.815
-30
-23.8
59.815
-29
-24
53.815
-27.2
-22.6
8
47.815
-26
-21.8
53.453
-25.5
-22.4
-27
-23.1
…
部分结点位移值
编号
左节点
右节点
类型
L(m)
N(kN)
M(kNm)
Q(kN)
As(mm2)
40
155
2736
1125
73
74
12.1
2398
5341
2718
16309
72
10.7
2519
4492
2416
12957
71
9.6
2094
3791
2227
10767
70
7.6
385
3590
1931
12226
69
10.3
6815
4762
2446
11493
68
14316
4933
2365
15538
67
7.8
13454
2526
2009
5510
66
6.8
10331
1975
1456
2400
65
8.4
7557
2214
1818
部分杆件内力和配筋值
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