深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

0上層工程地質(zhì)條件中山市是中國的一個(gè)開放城市，位于珠江三角洲的海上邊境，相互交織。就其工程地質(zhì)條件而言,上層一般為深厚的近期濱海相沉積的淤泥或淤泥質(zhì)土;而中山市區(qū)目前所采用的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)型式,多采用加強(qiáng)型復(fù)合土釘墻、排樁+預(yù)應(yīng)力錨索的樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)等支護(hù)型式。1基坑位置及基坑尺寸擬建工程項(xiàng)目位于中山市古鎮(zhèn)市場地塊,東側(cè)緊貼東興路南巷距民房10m(3～5層),距地下管道5m(管道埋深1.5m,?0.8m);南側(cè)緊貼東興路距民房16m(3層),地下管道兩條距外墻中心軸線4.5～5.5m(管道埋深1.2m,?0.5～0.6m);西側(cè)緊貼鎮(zhèn)二路距民房10～16m(1～3層);北側(cè)是原市場停車場地,距東興中路14m?；映叽鐬榧s80m×120m的長方形。6-6剖面為西北角角撐位置,8-8剖面為北側(cè)中間對撐位置。基坑支護(hù)平面圖見下圖。場地地址條件如下:1.1粉細(xì)砂、中砂主要為素填土,呈灰黃、灰色,主要由粉細(xì)砂、中砂組成,局部由粉土、粉質(zhì)粘土組成,多呈松散狀,頂部薄層雜填土,由建筑垃圾組成。N=1.9～7.8。1.2土地和地表交叉點(diǎn)的共同沉積物分類本層從上而下可劃分為粉砂夾淤泥、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)土、粉砂夾淤泥、粉質(zhì)粘土6個(gè)亞層。(1)砂漿巖和粘土亞層層號i呈灰～灰黑色,含少量貝殼,呈飽和、松散、分選差,夾流塑狀淤泥,局部為純粉砂。N=1.6～5.4。(2)第2層為泥質(zhì)土層層號2呈灰黑色、飽和、流塑、富含有機(jī)質(zhì)、夾薄層粉砂,部分為淤泥夾粉砂或純淤泥。N=0.7～3.4。(3)粘土粉層號i呈灰、灰黃色、可塑偏軟、中砂粒。γ=1.87g/cm3,N=3.7～6.6。(4)第4層為污泥層灰黑色、飽和、流塑、夾薄層粉砂。γ=1.67g/cm3,N=0.7～1.6。(5)砂漿巖和粘土亞層層號i呈灰黑色、飽和、松散、夾流塑狀淤泥。N=1.7～5.5。(6)粘土粉層號i6呈灰黃色-淺紅色、可塑、狀態(tài)變化大,上部軟塑,粘性較好局部含中細(xì)砂粒。γ=1.92g/cm3,N=3.5～11.7。2基礎(chǔ)研究和計(jì)算分析2.1方案二:灌注樁+預(yù)應(yīng)力錨索基坑開挖主要涉及土層為流塑狀淤泥和淤泥質(zhì)土等,基坑支護(hù)必須保護(hù)周邊建筑、周邊道路及道路下各地下管線等,故變形必須控制嚴(yán)格;可供選用的基坑方案有:復(fù)合土釘墻、地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐、灌注樁+預(yù)應(yīng)力錨索和灌注樁+內(nèi)支撐等支護(hù)型式;對此四種方案做一比較:(1)方案一,地下連續(xù)墻+鋼筋混凝土內(nèi)支撐方案:采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐方案。具有造價(jià)高、工期長、施工工藝較復(fù)雜的特點(diǎn),由于采用較多泥漿護(hù)壁不利于文明環(huán)境施工等缺點(diǎn)。(2)方案二,灌注樁+預(yù)應(yīng)力錨索。缺點(diǎn):因淤泥質(zhì)土層較厚(最厚處有約18m厚);對此方案進(jìn)行計(jì)算表明灌注樁樁身彎矩較大,約2300～3000kN·m,樁身配筋較多甚至超過最大配筋率,同時(shí)樁身和基坑變形較大;另考慮淤泥及淤泥質(zhì)土地層中給預(yù)應(yīng)力錨索提供的錨固力非常有限,錨索需要很長才能達(dá)到設(shè)計(jì)足夠的抗拔力,勢必增加造價(jià)和施工控制難度,且錨索相應(yīng)提供的控制支護(hù)結(jié)構(gòu)及鄰近地面變形的作用較為有限;再者由于錨索的施工必須進(jìn)入其他基坑的地下空間,對周邊建筑影響較大。(3)方案三,灌注樁+鋼筋混凝土內(nèi)支撐。支撐結(jié)構(gòu)控制變形能力比較好,有利于保證周邊環(huán)境(主要是城市主干道及地下管線)的安全;然后支撐結(jié)構(gòu)的存在對基坑土方開挖及地下室結(jié)構(gòu)的施工存在一定影響。(4)方案四,復(fù)合土釘墻結(jié)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn):造價(jià)低廉,施工便捷;但復(fù)合土釘墻在淤泥土層中控制變形能力較差,不利周邊建筑及道路地下管線的安全。因周邊道路為城市主干道,變形要求嚴(yán)格,因此選用方案三,其支護(hù)結(jié)構(gòu)為:護(hù)壁樁直徑1200mm,間距1600mm;設(shè)置一道支撐梁,支撐梁截面尺寸為800×600mm。2.2標(biāo)準(zhǔn)法的計(jì)算2.2.1挖20下支護(hù)結(jié)構(gòu)受力采用同濟(jì)啟明星深基坑軟件計(jì)算,模擬實(shí)際開挖工況;基坑開挖到底(最后的工況)時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力如圖2、圖3所示。由上述比較可以看出,角撐位置彎矩相對較大而支撐軸力相對較小;對撐位置彎矩相對較小而支撐軸力相對較大,位移相對較大。2.2.2支撐梁抗壓強(qiáng)度因豎向剖面計(jì)算僅為一斷面計(jì)算,具有片面性,無法了解整個(gè)基坑支撐結(jié)構(gòu)的受力分布情況。為此需進(jìn)行支撐結(jié)構(gòu)平面受力分析,以了解不同位置支撐梁的受力情況。計(jì)算中將上述對撐及角撐豎向剖面計(jì)算的支撐反力加到支撐結(jié)構(gòu)體系中的圍檁上(角撐位置外圍壓力為530kN/m,對撐位置外圍壓力為592kN/m);其中圍檁將受到周邊土彈簧的約束作用。計(jì)算結(jié)果如表2所示。由上計(jì)算結(jié)果可知,支撐梁結(jié)構(gòu)體系中對撐受到的軸力平均值比角撐大,最大對撐軸力約為5700kN,最大角撐軸力約為5780kN;支撐梁尺寸800×600mm,C30混凝土能滿足抗壓強(qiáng)度要求;四個(gè)角位置支撐梁軸力相對較小,主要是因?yàn)榛雨幗俏恢猛馏w之間相互作用的原因,然而局部軸力較大為基坑局部形狀不規(guī)則引起。2.3beam及模型利用Z_SOIL二維有限元軟件進(jìn)行建模計(jì)算,其中護(hù)壁樁及支撐梁采用beam單元模擬,土層采用MOHR_COL本構(gòu)模型,各層土取值參數(shù)如表3。其中角撐位置深厚淤泥質(zhì)土變形模量經(jīng)深度修正后平均值取為30MPa。2.4支撐梁的鋼筋和樁身其中實(shí)測值取位移測點(diǎn)西側(cè)W7和南側(cè)W12測點(diǎn)監(jiān)測結(jié)果;軸力測點(diǎn)取HNT1-2和HNT10-1測點(diǎn)監(jiān)測結(jié)果,部分對撐梁軸力后期超過6820kN,主要是因?yàn)闁|西兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)建筑施工過程中不斷進(jìn)行鋼筋和鋼板等堆載所造成。從計(jì)算的結(jié)果和實(shí)際監(jiān)測的結(jié)果對比可知,支撐梁軸力計(jì)算與實(shí)際受力比較接近;樁身彎矩(或應(yīng)力)則偏差較大,規(guī)范法計(jì)算結(jié)果相對保守,有限元法計(jì)算結(jié)果較小,而樁身應(yīng)力監(jiān)測的鋼筋計(jì)算監(jiān)測表明,樁身實(shí)際應(yīng)力更小;如HG段9#樁外側(cè)鋼筋計(jì)量最大力為47.89kN,外側(cè)鋼筋配筋為13?28,則此樁此段位置可能受到的最大彎矩約為654kN·m,其余樁身鋼筋應(yīng)力計(jì)監(jiān)測結(jié)果則更小;分析認(rèn)為,這樣的受力情況符合實(shí)際樁撐結(jié)構(gòu)體系的受力特點(diǎn),護(hù)壁樁起著傳遞土壓力的作用。但是在理論計(jì)算仍然不成熟的情況下,基坑工程中樁撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍應(yīng)按照規(guī)范法進(jìn)行設(shè)計(jì),以便保證基坑的安全。3樁撐結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)(1)基坑形狀為長方形(東西長而南北短),比較適合采用四角撐+中間對撐的結(jié)構(gòu)體系,能有效的解決軟土深基坑變形大、樁身彎矩大、基底易隆起等不穩(wěn)定等問題;南北兩側(cè)形成三角形狀的2個(gè)空洞作為出土口,且僅設(shè)置了一道支撐,出土比較方便;因此支撐結(jié)構(gòu)對土方開挖及地下室主體結(jié)構(gòu)的施工影響則小很多。相比其他方案,造價(jià)經(jīng)濟(jì)合理,又能達(dá)到控制變形的效果,很好的保護(hù)了周邊建筑、周邊道路及道路下的地下管線等。(2)分別從規(guī)范法和有限元法,豎向斷面計(jì)算和平面計(jì)算等多方面多角度進(jìn)行對比計(jì)算分析,相輔相成,從而得出支護(hù)結(jié)構(gòu)合理的受力狀態(tài);從計(jì)算結(jié)果和實(shí)際監(jiān)測結(jié)果對比可知,四個(gè)角位置支撐梁軸力相對對撐位置較小,主要是因?yàn)榛雨幗俏恢猛馏w之間相互作用的原因,然而局部軸力較大為基坑局部形狀不規(guī)則引起。(3)從計(jì)算結(jié)果和實(shí)際監(jiān)測結(jié)果對比可知,支撐梁軸力計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測結(jié)構(gòu)比較接近;樁身彎矩(或應(yīng)力)則偏差較大,規(guī)范法計(jì)算結(jié)果相對保守,有限元法計(jì)算結(jié)果較小,實(shí)測結(jié)果更小;這樣的受力情況符合實(shí)際樁撐結(jié)構(gòu)體系的受力特點(diǎn),即撐強(qiáng)樁弱的特點(diǎn),護(hù)壁樁起著傳遞土壓力的作用;支撐結(jié)構(gòu)中,立柱也是重要部分;立柱樁不單單受到支撐梁的重量作用,同時(shí)施工過程中施工機(jī)械的碰撞及土方開挖產(chǎn)生的不平衡力作用較大,立柱設(shè)計(jì)中建議考慮2.0以上的安全系數(shù)。在理論計(jì)算仍然不成熟的情況下,基坑工程中樁撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍應(yīng)按照規(guī)范法進(jìn)行設(shè)計(jì),以保證基坑的安全。(4)隨著城市的開發(fā)發(fā)展及地下空間利用界定規(guī)范化,場地可利用空間越來越少且地下空間將不可逾越;而采用灌注樁內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)占用場地較少,同時(shí)不像錨桿(索)進(jìn)入紅線外空間,能有效地解決基坑?xùn)|、西側(cè)可利用場地很少的難題,特別是東側(cè)位置臨近多棟天然地基的舊建筑的情況,錨桿(索)的擾動(dòng)影響較大;因此在現(xiàn)代城市建筑的基坑工程中樁撐支護(hù)結(jié)構(gòu)具有很高的應(yīng)用價(jià)值。(5)