鋼筋混凝土環(huán)形支撐在城市大跨度深基坑支護(hù)中的應(yīng)用

鋼筋混凝土環(huán)形支撐在城市大跨度深基坑支護(hù)中的應(yīng)用

0支護(hù)方案確定的影響因素現(xiàn)代城市地下空間的發(fā)展越來(lái)越深入，環(huán)境關(guān)系也越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)變形控制的要求也越來(lái)越嚴(yán)格。因此給地下工程的設(shè)計(jì)及施工帶來(lái)了越來(lái)越多的難題與挑戰(zhàn),如何選用最合適的支護(hù)方案需要考慮的因素也越來(lái)越多。鋼筋混凝土圓環(huán)結(jié)構(gòu)的合理選用,具有施工便利及受力合理的優(yōu)點(diǎn),筆者主要針對(duì)鋼筋混凝土圓環(huán)內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)型式在設(shè)計(jì)及其施工中的若干細(xì)節(jié)問(wèn)題進(jìn)行歸納、探討,并列舉了幾個(gè)筆者參與的工程實(shí)例相關(guān)情況介紹,希望能給基坑工作者在類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)和施工中提供一點(diǎn)參考。1圓形支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1.1支撐剛度的計(jì)算基坑工程中,內(nèi)支撐剛度大小主要影響內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)力、支護(hù)體內(nèi)力和支護(hù)體變形,直觀表現(xiàn)為對(duì)基坑外側(cè)土體變形的影響。復(fù)雜支護(hù)體系的剛度如何確定,相關(guān)規(guī)范中并沒(méi)有明確的計(jì)算方法,但可以從剛度的基本概念出發(fā),考慮剛度的計(jì)算。剛度的實(shí)際表現(xiàn)是結(jié)構(gòu)在力作用下的位移特征,用公式可簡(jiǎn)單表示為:kuf03dF/S(k為支撐結(jié)構(gòu)的剛度,F為支撐結(jié)構(gòu)所受到的力,S為支撐結(jié)構(gòu)在力作用下的位移)。復(fù)雜體系的剛度計(jì)算,需要借助一些結(jié)構(gòu)分析軟件。對(duì)于基坑圍護(hù)體系,每一點(diǎn)的剛度都不相等,通過(guò)對(duì)內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的試算及施工的分析,可歸納為以下幾點(diǎn):1支撐剛度越大,對(duì)變形控制越有利,但當(dāng)支撐剛度達(dá)到一定限值時(shí),增大剛度對(duì)這個(gè)內(nèi)支撐及支護(hù)體形成的支護(hù)體系位移控制的貢獻(xiàn)較少;2支撐剛度的大小直接影響支護(hù)樁的內(nèi)力分布,對(duì)于單層支撐,剛度越大其內(nèi)力最大值越大,對(duì)于多層支撐,剛度對(duì)其內(nèi)力分布的影響根據(jù)各道支撐剛度的不同而不同;3軟土地區(qū)或者存在極大的不平衡土壓力情況,支護(hù)體系可能會(huì)發(fā)生整體“漂移”的情況,此時(shí)結(jié)構(gòu)沒(méi)有破壞,但支撐體系的剛度已經(jīng)失去了意義,支撐體系已經(jīng)不能起到保護(hù)周邊環(huán)境的作用。1.2結(jié)構(gòu)變形放大后的表現(xiàn)通過(guò)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)受力情況,分析角部支撐布置對(duì)整個(gè)支護(hù)體系的影響。如圖1,左圖4個(gè)角部斜撐沒(méi)有與圍檁相連,右圖4個(gè)角部斜撐則全部與圍檁相連,兩種結(jié)構(gòu)布置對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)支撐截面相同,若圍檁施加同樣的荷載進(jìn)行計(jì)算,通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)變形放大后,發(fā)現(xiàn)有如下情況:1左圖圓環(huán)變形較為均勻,最大變形量較小,右圖圓環(huán)變形則不均勻,對(duì)應(yīng)于角部變形較小,與圍檁相切部位變形較大;2左圖圍檁變形范圍基本分布在整個(gè)長(zhǎng)度范圍,變形較為均勻,而右圖角部變形較小,主要變形發(fā)生在圍檁中部區(qū)段內(nèi)。以上這種現(xiàn)象主要是由于沿支護(hù)結(jié)構(gòu)各點(diǎn)剛度變化幅度不同造成的,圖1左圖由于角部支撐未延伸到圍檁,剛度變化較為均勻,右圖由于角部支撐剛度較大,剛度變化不均勻程度相對(duì)較大,實(shí)際工程設(shè)計(jì)當(dāng)中該如何采用,結(jié)合筆者多個(gè)工程經(jīng)驗(yàn)提供如下意見(jiàn)供參考:在基坑深度較大、對(duì)位移控制較高的情況,宜采用右圖型式,圓環(huán)相切部位澆筑加強(qiáng)板帶來(lái)增強(qiáng)剛度。1.3立柱軸向力計(jì)算方法立柱的計(jì)算主要分為兩部分:1確定立柱所受豎向力;2確定立柱截面尺寸和嵌固深度?！渡罨庸こ淘O(shè)計(jì)手冊(cè)》及《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ120—99)給出了相同的立柱軸向力計(jì)算公式如下:式中Nz為水平支撐及柱自重產(chǎn)生的軸向力設(shè)計(jì)值;Ni為第i層交匯于本立柱的最大支撐軸力設(shè)計(jì)值;n為支撐層數(shù),但在《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ120—2012)中取消了該公式,因此立柱所受豎向力的確定給了設(shè)計(jì)人員更大的靈活性,由于圓環(huán)支撐受力特點(diǎn),圓環(huán)截面軸力很大,按照手冊(cè)提供公式進(jìn)行計(jì)算會(huì)導(dǎo)致立柱所受軸力非常大,不太合理,結(jié)合工程實(shí)例,對(duì)于圓環(huán)支撐位置立柱所受豎向力計(jì)算,式(1)中的Ni可取最大圓環(huán)軸力的1/5帶入計(jì)算。1.4裂縫發(fā)生原因及危害混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫是不可避免的,基坑支撐體系為臨時(shí)結(jié)構(gòu),通過(guò)對(duì)多個(gè)工程中混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的裂縫情況分析,支護(hù)結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生原因主要有以下幾個(gè)方面:(1)混凝土自身沉降裂縫:當(dāng)混凝土拌合物流動(dòng)性較大時(shí),初凝前混凝土粗骨料在自重的作用下緩慢下沉引起,裂縫的深度一般只達(dá)到鋼筋表面為止。(2)混凝土干縮裂縫:主要是混凝土拌合物在澆搗完畢后出現(xiàn)失水干縮而發(fā)生裂縫。這種裂縫出現(xiàn)的時(shí)間較早,且實(shí)際工程中較為多見(jiàn),可拍壓抹平處理。(3)混凝土收縮裂縫:主要是指混凝土在散熱和硬化過(guò)程中體積的收縮受到外界的約束,在混凝土體內(nèi)產(chǎn)生的收縮應(yīng)力超過(guò)混凝土凝結(jié)過(guò)程中的極限抗拉強(qiáng)度,在混凝土中產(chǎn)生收縮裂縫的現(xiàn)象。(4)混凝土受荷裂縫:基坑工程中受荷裂縫產(chǎn)生可簡(jiǎn)單分為以下幾種情況:1若支撐結(jié)構(gòu)在開(kāi)挖后土層面施工,開(kāi)挖面土層較差,混凝土澆筑后局部超載使土層沉降變形,會(huì)造成未形成強(qiáng)度的混凝土結(jié)構(gòu)變形開(kāi)裂;2施工過(guò)程中,支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度沒(méi)達(dá)到相應(yīng)強(qiáng)度時(shí),在支撐結(jié)構(gòu)上過(guò)度堆載、機(jī)械碰撞甚至車(chē)輛碾壓等造成的裂縫;3正常使用過(guò)程中受到荷載產(chǎn)生的裂縫,主要發(fā)生在節(jié)點(diǎn)位置。裂縫會(huì)影響結(jié)構(gòu)的耐久性及安全性。混凝土裂縫產(chǎn)生后,外部環(huán)境會(huì)影響到結(jié)構(gòu)內(nèi)部,會(huì)造成鋼筋銹蝕,若存在冰凍天氣,外部水會(huì)進(jìn)入混凝土結(jié)構(gòu),產(chǎn)生凍脹,混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)被破壞。臨時(shí)基坑支撐結(jié)構(gòu)使用時(shí)間短,支撐結(jié)構(gòu)裂縫可按照以下方式處理:由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性不足產(chǎn)生的裂縫,應(yīng)對(duì)基坑或支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理,排除此種情況,可不進(jìn)行處理,若存在凍脹破壞,應(yīng)對(duì)裂縫及時(shí)封堵,并加以防護(hù)。1.5爆破條件分析臨時(shí)支撐的靜態(tài)爆破在城市范圍工程中使用也越來(lái)越廣泛。靜態(tài)爆破孔采用預(yù)留方式能最大程度的方便施工、縮短工期,節(jié)省造價(jià),但結(jié)構(gòu)上預(yù)留孔洞應(yīng)盡量減少對(duì)結(jié)構(gòu)安全性影響,同時(shí)也要為靜態(tài)爆破提供良好的爆破條件,以下建議供參考:1一般膨脹材料的膨脹力能超過(guò)30MPa,預(yù)留孔洞直徑宜按照30~40mm控制較好,間距按照0.3m控制,結(jié)構(gòu)邊150mm內(nèi)不宜預(yù)留孔洞,孔洞底應(yīng)距離結(jié)構(gòu)底面150mm至200mm左右;2結(jié)合混凝土材料的自身安全儲(chǔ)備及設(shè)計(jì)安全儲(chǔ)備等因素,構(gòu)件橫截面上孔洞面積不宜超過(guò)截面面積10%;3為達(dá)到靜態(tài)爆破最佳效果,爆破前應(yīng)清理孔洞,鋼筋混凝土構(gòu)件的面筋、箍筋應(yīng)進(jìn)行割斷,確保鋼筋的束縛力不影響爆破效果。2項(xiàng)目實(shí)例介紹2.1環(huán)梁制作結(jié)構(gòu)如圖2,3所示,某工程3層地下室,基坑開(kāi)挖設(shè)計(jì)深度15.8m,基坑周長(zhǎng)約273.0m,采用兩道單圓環(huán)支撐,第一道環(huán)梁截面1.6m×0.9m(寬×高),第二道環(huán)梁截面1.8m×1.0m(寬×高)。圓環(huán)中線直徑約62.0m。最大軸力位于第二道圓環(huán)支撐(見(jiàn)表1)。2.2雙鞣干支護(hù)體系如圖4,5所示,某工程為兩層地下室,基坑開(kāi)挖設(shè)計(jì)深度8.0m至8.5m,基坑周長(zhǎng)約418.0m,采用一道雙圓環(huán)桁架支護(hù)體系,內(nèi)圓環(huán)中線直徑86.6m,環(huán)梁截面1.5m×0.8m(寬×高),外圓環(huán)中線直徑98.6m,環(huán)梁截面1.2m×0.8m(寬×高)。最大軸力位于內(nèi)圓環(huán)梁(見(jiàn)表2)。2.3理論結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比分析通過(guò)對(duì)以上工程實(shí)例設(shè)計(jì)及監(jiān)測(cè)結(jié)果的對(duì)比,有如下分析:(1)案例二中環(huán)梁彎矩較小,因?yàn)殡p圓環(huán)桁架支撐結(jié)構(gòu)比單圓環(huán)支撐結(jié)構(gòu)受力更為合理,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更好,但對(duì)比單圓環(huán)支撐系統(tǒng),其存在施工相對(duì)復(fù)雜、基坑覆蓋面積增大、土方開(kāi)挖難度增大等不利條件,在滿(mǎn)足安全及位移控制要求的前提下,應(yīng)首先考慮采用單圓環(huán)支撐。(2)各案例中,無(wú)論是理論計(jì)算結(jié)果,還是實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,對(duì)于圓環(huán)支撐,其與基坑支護(hù)圍檁相切處剛度較小,變形較大,如果是對(duì)于變形控制較為嚴(yán)格的基坑,設(shè)計(jì)上應(yīng)在相切部分采用加強(qiáng)梁板的支撐結(jié)構(gòu)形式。(3)理論計(jì)算分析結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果有較大的差別,分析主要原因可能有以下幾個(gè)方面:1支撐體系理論計(jì)算模型簡(jiǎn)化后,與實(shí)際受力情況有所差別;2一般常規(guī)法選用的土壓力模式并不能較好的反應(yīng)實(shí)際土壓力狀態(tài),當(dāng)選用有限元計(jì)算時(shí)所得結(jié)果往往偏小,即偏于不安全,在使用有限元進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí),參數(shù)的準(zhǔn)確性影響很大,因此實(shí)際使用過(guò)程中應(yīng)謹(jǐn)慎;3