深基坑工程支护结构的现状及发展

2005年第12期铁 道 建 筑Railway Engineering文章编号:1003 1995(2005)12 0047 03深基坑工程支护结构的现状及发展贺瑞霞(1 华中科技大学土木工程学院,武汉 430074;2 平顶山工学院土木工程系,河南平顶山 467001)摘要:随着我国高层建筑的不断发展,地下空间的开发和利用显得越来越重要,深基坑设计与施工技术近几年来取得了长足的进展。

文章对目前深基坑工程中常用的支护结构形式、设计计算方法及施工的现状进行了分析,并提出了今后发展的方向。

关键词:岩土工程 深基坑 支护结构 围护墙 支护体系中图分类号:TU753 7 文献标识码:B基坑工程是一个古老而又具有时代特点的岩土工程课题,它不仅需要岩土工程知识,也需要结构工程的知识,是一项综合性很强的的系统工程。

随着人类土木工程活动的发展,特别是到了本世纪,大量高层、超高层以及地下工程的不断涌现,对基坑工程的要求越来越高,出现的问题也越来越多,促使工程技术人员以新的眼光去审视这一古老课题,使许多心得经验和理论的研究得以出现并日趋成熟。

我国地域广阔,土层变化大。

如我国东南沿海一带主要是海相沉积的软土地层,土质松软,地下水位高,土体内摩擦角和粘聚力小,具蠕变特性。

对大城市而言,建筑物密集、地下管线众多,交通网络纵横,环境保护要求较高,给基坑工程设计和施工带来很多困难。

因此,基坑工程的设计和施工要结合具体情况,因地制宜,否则会带来严重后果。

1 深基坑支护结构选型1 1 水泥土围护墙水泥土围护墙属重力式围护墙,前些年在上海等软土地区应用广泛,支护深度一般不超过6m。

当被支护土层C>15kPa, >12 时,可不降水使用水泥土挡土墙支护,当C<12kPa, <20 时,可采取降水措施。

由于水泥土的渗透系数K10-7~10-8cm s,属不透水结构,因此,既能挡土又能挡水。

由于它属重力式结构,靠本身重量即可抵抗侧向力保持平衡,一般内部无支撑,便于基坑内机械挖土和地下结构施工,且施工简便、费用较低,已有成熟经验。

重力式水泥土墙截面多呈格栅式,深度一般为13 ~16m,截面置换率为0 6~0 8,相互搭接长度!200 mm,水泥掺入比约为13%。

若在水泥土桩中插入H形钢则组成加筋水泥土墙(SMW工法)。

由H形钢承受侧向荷载,而水泥士则具有良好的抗渗性能。

因而加筋水泥土墙具有挡土和止水双重功能。

除插入H形钢外,亦可插入拉森板、钢管等。

1 2 土钉墙土钉支护是一种边坡原位加筋支护技术。

在20世纪70年代,德国、法国、美国、日本等已开始研究并应用于实际工程中。

目前,中国已出版了与土钉支护技术有关的规程、手册和专著,并且在全国各地基坑工程、边坡治理过程中得到一定的推广。

∀基坑土钉支护技术规程#规定,土钉支护方案仅适用于砂性土、粉土、以及粘性土等土质较好的地区,所以,该技术在北方应用的早一些。

后来,东南沿海一带以淤泥及淤泥质土为主的软土地区亦开始应用此技术。

为适应这一带软土的特性,发展了复合土钉支护技术。

所谓复合型土钉支护就是以水泥土搅拌桩帷幕等超前支护解决土体的自立性、隔水性以及喷射面层与土体的粘结问题;以水平向压密注浆及二次压力灌浆解决土体加固及土钉抗拔力问题;以相对较长的插入深度解决坑底的抗隆起、管涌和渗流等问题,组成防渗帷幕、超前支护及土钉等的复合型土钉支护(图1)。

目前该技术已应用于上海、宁波、温州等软土地区。

1 3 桩排排桩中应用最广泛的是钻孔灌注桩。

一、二、三级基坑皆可应用。

一般当基坑深h=8~14m且周围环境要求不高时多考虑采用。

桩的嵌固深度、桩径和配筋根据坑深、支撑布置和周围环境要求等计算确定。

在地下水位较高的地区,为挡水需要且采用的施工机械无法使桩相互咬合时,多在其后隔开100~150 mm处施作厚1200mm的水泥土墙,形成钻孔灌注桩排47图1 复合型土钉支护示意图桩和水泥土墙的复合结构,排桩承受侧向力,水泥土墙起挡水作用。

在砂土和含砂土的粘性土中,为确保围护墙不透水,有时在灌注桩与水泥土墙的间隙中进行注浆。

若采用长螺旋钻孔压灌超流态混凝土成桩技术,可使钢筋混凝土灌注桩与素混凝土桩咬合50mm,形成防水帷幕。

亦可采用全套管施工法(贝诺特灌注桩施工法),可使排桩相互咬合。

1 4 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。

墙体刚度大,止水效果好,在基坑深、周围环境保护要求高的工程中多采用该技术。

我国最早将地下连续墙用于城市深基坑的围护结构的是广州的白天鹅宾馆,嗣后在上海基坑深19 65m 、88层的金茂大厦,基坑深18 95m 、66层的恒隆大厦以及地铁1号线、2号线的一些地铁车站,施工期间均采用地下连续墙作为支护结构。

随着施工技术的发展及机械的改进,地下连续墙已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。

逆作法施工可减少对环境和地面交通的影响。

1 5 板式支护体系板式支护体系一般应用于>7m 的深基坑,它包括围护墙、支撑、围檩、立柱、防水帷幕、锁口梁等(如图2)。

板式围护墙常用的结构形式为钻孔灌注桩和钢筋混凝土地下连续墙。

支撑和围檩有钢结构和钢筋混凝土结构两种形式,钢结构施工方便、造价低、可反复使用,但变形大;钢筋混凝土结构变形较小,但施工周期长,造价高。

在实际工程中可结合基坑深度、基坑形状、周围环境保护要求和挖土方法,经比较后选用支撑;亦可在同一基坑中,既使用混凝土支撑(多在上部),又使用钢支撑(多在下部),各用其所长。

支撑平面布置主要取决于基坑形状和平面尺寸,常用的有井字形、集中井字形、角撑、边桁架、环形、对撑、圆拱形以及竖向斜撑等,亦可在同一基坑中同时应用两种或多种布置形式。

设计支撑平面布置时,应注图2 板式支护体系示意图意避免妨碍主体工程施工,支撑轴线应避开主体工程的柱网轴线,支撑布置要便于挖土。

立柱的作用主要是承受坑内支撑结构的自重,防止支撑结构因自重下坠而开裂变形,开挖面以上采用组合型钢格构式、型钢或钢管立柱;开挖面以下采用钻孔灌注桩或预制桩。

防水帷幕有两种结构形式:∃当墙体材料的抗渗等级满足设计要求时,可采用围护墙体自防渗结构;%坑外防水帷幕结构多采用水泥土搅拌桩,也可采用高压喷射注浆。

封闭圈梁(锁口梁)一般采用钢筋混凝土结构,高度和宽度由设计确定,且不宜小于围护墙的厚度,顶圈梁宜与上道支撑的围檩合二为一。

2 深基坑支护结构的设计计算2 1 静力平衡法、等值梁法静力平衡法是最常用的方法,其要点是选择一定的入土深度以满足整体稳定,在抗隆起和抗渗的前提下用经典土力学理论计算主动土压力和被动土压力,然后对重力式刚性挡墙验算其抗倾覆、抗滑移稳定性,安全系数沿用设计规范中对普通挡土墙的规定。

这种方法对于普通挡土墙或开挖深度不深的钢板桩是比较成熟的。

但对深基坑,特别是软土中的深基坑支护结构设计就难以分析其支护结构的复杂条件和整体性状。

等值梁法是把围护结构简化成两根梁进行计算,虽然不能准确计算围护结构的位移,但由于其计算简单,在单支撑的基坑工程中仍然多采用这一方法。

2 2 弹性地基梁的m 法m 法的优点是考虑了支护结构与土体的变形,但仍有一些问题有待解决。

用m 法计算时,一般工程难以通过试验确定参数m,现有文献提供的取值范围,各地区差别较大。

工程实践证明,在软土中的悬臂桩支护采用m 法计算位移与实测位移有很大差异。

另外,48铁 道 建 筑December,2005m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,有时桩底落在软土层中,还需根据经验进行修正。

2 3 弹塑性有限元法有限元法考虑了土体与支护结构的变形,可以得出塑性区的分布,从而判断支护结构的整体稳定性。

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。

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,通过对现场量测信息、优化反演参数、围护结构体系变形与稳定性分析的有机结合,可以对基坑支护位移和安全性预测建立动态预报体系。

有限元法是今后基坑支护设计计算的发展方向。

3 工程监测和信息反馈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。

仅仅依靠理论分析和经验估计难以把握其复杂的变形破坏,也难以完成可靠而经济的基坑设计,所以,在理论分析指导下有目的的进行工程监测十分必要。

这样一方面可及时采取技术措施防止发生重大工程事故,另一方面亦可为完善计算理论提供依据。

工程监测要编制监测方案,监测内容视工程规模、周围环境情况、支护结构类型等而定。

在监测过程中对一些内力和变形要根据计算数据和环境保护要求根据∀建筑地基基础工程施工质量验收规范#(GB50202& 2002)表7 1 7规定的基坑变形监测值,事先确定报警值。

当内力、变形达到报警值时,要及时向有关人员报警,以便采取对策,防止因延误而造成事故。

4 深基坑工程施工与环境效应4 1 基坑降水与环境效应目前深基坑降水已有成熟的计算方法和工程经验,在某些情况下地下水控制的效果是深基坑工程成败的关键之一。

采用逆作法施工时,由于需在土层上铺设模板浇筑楼盖结构,降水的质量尤为重要。

深基坑降水多采用喷射井点和真空深井。

降水可使土壤产生固结,降低地下水位,减少土压力和水压力,对支护结构有利,但降水可能引起地面沉降,对环境造成不良影响。

尤以深井降水影响最大。

4 2 基坑开挖与环境效应基坑开挖的方式直接影响支护结构的内力和变形,对基坑的稳定和安全有重要的影响。

大型深基坑开挖时,需有周密的施工方案。

土方开挖的顺序、方法必须与支护结构的设计工况一致,并遵循开槽支撑、先撑后挖、分层开挖、严禁超挖的原则。

搞好基坑挖土还需要施工、业主、设计及监测各方面配合和协作。

4 3 围护桩基坑施工与环境效应在非挤土桩中要首推人工挖土桩,此时地基土层出现的临空面会引起附近土体的侧移。

当成排开挖时,侧移现象更严重,往往造成附近建筑物的沉降、倾斜、上部结构开裂,道路路面沉降等环境问题。

5 深基坑工程技术的发展趋势1)目前,深基坑工程设计与施工出现∋事故多、花钱多、浪费大(的现象,因此其概念设计越来越重要。

如果概念设计错误,将产生不良后果,甚至不可挽回的经济损失,要充分认识其复杂性,科学对待其风险性,勇敢面对其挑战性。

2)深基坑的开挖和支护问题对经典的土力学理论提出了新的挑战。

需要我们深入研究。

3)在建筑物密集地区设计深基坑的支护结构,多以变形控制,即保护周围环境很重要。

∀建筑地基基础工程施工质量验收规范#(GB50202&2002)已给出基坑施工时各类基坑的地面最大沉降的监控值,但在设计时如何控制周围地面沉降尚有一定难度,因此在这方面有待进一步研究改进。