探讨深基坑支护工程设计的应用技术分析

探讨深基坑支护工程设计的应用技术分析

罗青宏

广州市泰基工程技术有限公司510000

摘要:随着城市建设的日新月异,城市基坑工程越来越复杂,结合近年来一些基坑支护设计与施工,概述了较成熟的基坑支护类型及适应范围,简述了深基设计理论及其存在的一些问题,对深基坑支护工程今后的技术应用进行了探讨。

关键词:深基坑;支护结构;设计与施工;计算方法

深基坑工程是随着城市建设事业的发展而出现的一种较新类型的岩土工程,城市基坑工程往往处于房屋和生命线工程的密集地区,很多情况下不允许采用比较经济的放坡开挖,而需要在人工支护条件下进行基坑开挖,发展至今,已经成为城市岩土工程的主要内容之一。基坑支护设计是一个综合性的岩土工程问题,既涉及土力学中典型强度与稳定问题,又包含了变形问题,同时还涉及到土与支护结构的共同作用。随着对这些问题的认识及其对策研究的深入,越来越多的新技术在深基坑工程中也得到应用。

1深基坑支护结构类型

1.1钢板桩支护

钢板桩(如SMW法)应用于建筑深基坑的支护,是一种施工简单、投资经济的支护方法。在软土地区过去应用较多,但由于钢板桩本身柔性大,如支撑或锚拉系统设置不当,其变形会很大。因此对基坑支护深度达7m以上软土地层,基坑支护不宜采用钢板支护,除非设置多层支撑或锚拉杆,但应考虑到地下室施工结束后钢板桩拔除时对周围地基和地表变形的影响。

1.2地下连续墙

地下连续墙是在泥浆护壁的条件下分槽段构筑的钢筋混凝土墙体,地下连续墙最早于1950年开始应用于巴黎的地下建筑工程,我国在20世纪60年代初开始应用于水坝的防渗墙,后来国内将地下连续墙用于城市深基坑的围护结构最早是广州白天鹅宾馆。现今,国内地下连续墙的施工深度已有超过80m,厚度达1.4m。由于地下连续墙具有整体刚度大和防渗性好,适用于地下水位以下的软粘土和砂土等多种地层条件和复杂的施工环境,尤其是基坑底面以下有深层软土需将墙体插入很深的情况,因此,在国内外的地下工程中得到广泛应用,并且随着技术的发展和施工方法及机械的改进,地下连续墙发展到既是基坑施工时的挡墙围护结构,又能作为拟建主体结构的侧墙。施工工艺上也可采用逆作法施工,减少对环境和地面交通的影响。

1.3柱列式灌注桩、排桩支护

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。为减低工程造价和施工方便,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,必须在桩顶浇注较大截面的钢筋混凝土帽梁(冠梁)加以可靠连结。为防止地下水并夹带土体颗粒从桩间空隙流入坑内,应同时在桩间或桩背采用高压注浆,设置深层搅拌桩或在桩后专门构筑防水帷幕。灌注桩施工时无振动,对周围邻近建筑物、道路和地下管线影响危害比较少。

1.4内支撑和锚杆支护

作为基坑围护结构墙体(如钢板桩、灌注桩等维护结构)的支承,内支撑(水平横撑、角撑、斜撑)和锚杆(斜锚杆、锚定板拉杆等)的作用对保证基坑稳定和控制周围地层变形极为重要。目前支护结构的内支撑,常用的有钢结构支撑和钢筋混凝土结构支撑两类,钢结构支撑多用圆钢管和大规格的型钢。为减少挡墙的变形,用钢结构支撑时可用液压千斤顶施加预应力。钢筋混凝土支撑是近几年在上海地区等深基坑施工中发展起来的一种支撑形式,它多用土模或模板随着挖土逐层现浇,截面尺寸和配筋根据支撑布置和杆件内力大小而定,它刚度大、变形小,能有力的控制挡墙变形和周围地面的变形,宜用于较深基坑或周围环境要求较高的地区。

1.5土钉墙支护

土钉墙围护结构是边开挖基坑,边在土坡面上铺设钢筋网,并通过喷射混凝土形成混凝土面板,从而形成加筋土重力式挡墙起到挡土作用。适用于地下水位以上或人工降水后的粘性土、粉土、杂填土,不适用淤泥质及地下水位以下且未经降水处理的土层。

1.6搅拌桩支护

由喷浆型深层搅拌桩组成的重力式水泥土挡墙,可为实体式或格栅式。该挡墙具有挡土和止水双重功能,一般用于开挖深度不大于6m的软土地区基坑支护。当基坑深度超过6m时,可在水泥土中插入加筋杆件,形成加筋水泥土挡墙,必要时还可辅以内支撑或锚杆支护加筋水泥土挡墙,以加大基坑的支护深度。

2支护结构计算方法

2.1静力平衡法和等值梁法

利用墙前后土压力的极限平衡条件来求插入深度、结构内力等。从理论上说,首先,支护结构前后土压力是否达到极限状态,很难确定,尤其是被动土压力情况,有很大的盲目性,实际工程测试已证明了这一点。其次该类力法未考虑结构与土体变形协调,而变形对土压力的重分布及结构内力有很大影响,故该类力法正逐渐失去它原有的地位。但对于简单基坑开挖,静力平衡法中一些简化使计算较为简单,可以凭经验选用。单支撑(锚拉)埋深板桩计算,将其视为上端简支、下端固定支承,变形曲线有一反弯点,一般认为该点弯矩值为零,于是可把挡土结构划分为两段假想梁,上部为简支,下部为一次超静定结构,其弯矩图不变,该法称为等值梁法。实践表明,等值梁法计算板桩是偏于安全的,实际设计计算常将最大弯矩予以折减,折减系数经验为0.6～0.8,一般取0.74。

2.2弹性地基梁的m法及弹塑有限元法

弹性地基梁的m法优点是考虑了支护结构与土体的变形协调。但仍有一些问题有待解决。m法计算时,参数m一般工程难以通过试验确定,现有文献提供的取值范围,各地区差别大,这个参数虽然按弹性体来计算变形,物理概念明确,但实际参数m是一个反映弹性的综合指标。工程实践表明,在软土中的悬臂桩支护计算采用m法,计算位移与实测位移有很大差异,实测位移是计算值的好几倍。这说明桩后土体变形已不再属于弹性范围。另外,m法无法直接确定支护结构的插入深度,通常假定试算有很大的随意性,有时桩底落在软弱土层中,还需经验来修正。有限单元法作为今后基坑支护设计计算的发展方向,它的优点是考虑了土体与结构的变形协调,而且可以得出塑性区的分布,从而判断支护结构的总体稳定性。但选取合理的本构模型与计算参数,以及塑性区范围与稳定性之间的定量关系均缺乏经验。目前,随着计算机技术及系统科学的发展,为有限单元法的完善提供了更有利的工具。在结构计算方面,建立了能考虑基坑围护结构和土压力的空间非线性共同作用理论及其计算方法,并编成程序,方便高效地完成基坑围护工程的计算。在设计理论方面,采用动态反演和预报方法,通过将现场量测信息、优化反演参数、围护结构体系变形与稳定性分析有机结合,可以对基坑支护位移和安全性预测建立动态预报体系。

2.3深基坑支护的土压力

土压力是作用于支护结构的主要荷载,所以土压力计算是支护结构设计的关键一步,无论是静力平衡法,还是弹性抗力法以及有限单元法都要先确定作用在支护结构上的土压力。土压力问题是一个古老的问题,库仑和朗金的土压力理论,仍是目前支护结构设计的依据。但大量的模型实验、现场实测和工程实践表明,土压力的大小不仅与地基土的力学性质有关,它还取决于支护结构的变形情况,即具有时空效应。

2.3.1土强度指标的选择

土的抗剪强度指标c、φ与土的固结度有密切的关系,土的固结过程就是土中孔隙水压力的消散过程,对于同一种土,在不同排水条件下进行试验,可以得出不同的抗剪指标c和φ,故试验条件的选取应尽可能反映地基土的实际工作状态。许多文献认为直接剪切试验的慢剪指标与三轴剪切试验的排水剪结果比较接近,因为直剪的慢剪在固结过程中,侧向变形受限,受三向应力作用,但存在剪切面固定这一缺陷,在基坑支护设计中应采用三轴试验的指标,才能保证选取参数值的客观性和准确性。

对于粘性土,计算围护结构背后由自重应力而产生的主动土压力采用三轴试验的固结不排水剪的指标与的实际工作状态较一致,但由地面临时荷载而产生的土压力,通常采用三轴不排水剪指标较合理。特别对于软粘性土,最好采用现场十字板的原位测试方法确定c和φ,因为室内试验的扰动影响太明显,强度指标偏低,使设计过于保守。计算基坑内被动土力时,一般宜采用三轴固结不排水剪。

对于砂土,由于排水固结迅速,对于任何情况,均可采用排水剪指标,或采用固结不排水剪经孔隙水压力修正后的c、φ值来计算土压力。另外,需要强调指出:深基坑支护设计计算土压力,应采用与其应力状态相一致的试验方法所测得的强度指标,即主动土压力采用侧压减小的三轴试验强度指标,被动土压力采用卸荷试验强度指标,这比常规三轴试验更加符合其工作状态。这是由于基坑开挖其墙后土体只是在一侧减压,坑底土只在上面卸荷且底部所受挤压力增加。另外随着非饱和土土性研究的深入,认为非饱和土的凝聚力往往包括真凝聚力和不稳定不可靠的表观凝聚力,由于常规试验方法无法测得吸附力,表观凝聚力的大小不易得到,这给试验技术提出了更高要求。

2.3.2土压力计算理论及方法

通过大量实测土压力试验结果分析,可总结以下几点:

(1)试验结果证实了太沙基理论的定性结论,土压力大小取决于位移的大小和位移方向;

(2)实测结果表明,当变形小于5%H(H为开挖深度)时,被动土压力仍然能得到充分发挥,所以说,对于深基坑工程的实际变形情况而言,套用一些经验的位移指标来判断墙前土体是否达到被动极限状态,是有局限性的;

(3)在粘性土上的许多基坑支护工程,护坡桩钢筋强度未完全发挥,实际钢筋应力还低于钢筋的设计强度,造成很大浪费,而造成钢筋应力低的原因主要是计算土压力大于实际土压力。实验还表明,把基坑支护结构视为平面不合理,因为基坑工程的“角效应”即土压力的空间效应,对墙体位移有明显的抑制作用。利用这种空间效应可以在两边折减桩数或减少配筋量。

2.3.3水土压力的合算与分算

按照有效应力原理,对于饱和土,总应力由有效应力与孔隙水压力两部分组成。土中孔隙水无强度,土颗粒骨架有一定强度,承受并传递有效应力,故主动土压力系数必定小于1.0,被动土压力系数必定大于1.0。从这个概念出发,计算水土压力时,可知“土、水压力分算”比“土、水压力合算”概念要清楚。但由于要测得有效应力强度指标,一般试验难以做好,而且水、土压合算法在一些软粘土地区的临时性开挖工程中土压力计算值与实测值较为符合。

土在有水作用时,墙后土压力主要是水、土压力共同作用的结果,在未搞清水、土耦合效应的前提下,水、土压力合算是一个包含一定的实践经验的综合方法,对工程实践来说是有利的。

为搞清墙后土体在水、土共同作用下的破坏机理,进行水、土压力分算,是符合系统科学原理的力法,由综合到分析,但水、土压力分算后,简单叠加的效果,是否就是水、土压力共同作用的真实反映,还有待于进一步试验证实。

3动态设计和施工

深基坑工程是土体与围护结构体系相互作用的一个动态变化的复杂系统,仅依靠理论分析和经验估计是难以把握在复杂等条件下基坑支护结构和土体的变形破坏,也难以完成可靠而经济的基坑设计。通过施工时对整个基坑工程系统的监测,可以了解其变化的态势,利用监测信息的反馈分析,就能较好地预测系统的变化趋势。当出现险情预兆时,可做出预警,及时采取措施,保证施工和环境的安全;当安全储备过大时,可及时修改设计,削减围护措施,通过反分析,可修改设计模型,调整计算参数,总结经验,提高设计与施工水平。

4结束语

综上所述,我国基坑工程的设计理论有了很大发展,建立了许多新的计算理论和方法。但在工程具体应用中,仍要坚持理论与实践相结合的原则,根据实际选用合理的方法手段。

目前,各地建筑正朝着更“高、大、深”等方面发展,可以预料,基坑支护设计与施工技术将得到全面而深入的发展和应用。今后,深基坑设计与施工技术将大力促进与推广动态设计和信息化施工技术,并逐渐成为基坑支护工程设计的指导思想。

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