基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則及結(jié)構(gòu)選型淺析
關(guān)鍵詞：基坑支護(hù)，設(shè)計(jì)原則，結(jié)構(gòu)選型
隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，地下空間的利用已經(jīng)越來越受到人們的重視，現(xiàn)代城市大型建筑工程均設(shè)有地下室，因此基坑開挖已成為城市建筑工程中相當(dāng)重要的一部分。由于城市建筑比較密集，地下管線眾多，基坑開挖施工即要保證相鄰結(jié)構(gòu)物的安全，又要確保自身的施工安全，這就對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全、牢靠性提出了更高的要求，尤其是支護(hù)結(jié)構(gòu)的形式及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要。文章主要就基坑開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)的選型及其設(shè)計(jì)原則進(jìn)行深入的探討。
1基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的類型
1.1鋼板樁
鋼板樁利用震動(dòng)打樁機(jī)械或者插打機(jī)械按照設(shè)計(jì)位置插打就位，并設(shè)置內(nèi)支撐系統(tǒng)，分層開挖逐層支撐，在工程施工完成后便可以回收再次利用。通常我們使用的鋼板樁有“拉森”鋼板樁與槽鋼鋼板樁兩種。槽鋼鋼板樁由于剛度較小、容易變形，而且抗?jié)B性能差，容易進(jìn)水，因此通常只在淺基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)中。“拉森”鋼板樁通過鎖口彼此互相咬合連接，具有剛度大、抗?jié)B水能力強(qiáng)，因此經(jīng)常應(yīng)用于較深的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)中。
在周圍建筑物比較密集的軟土地區(qū)不適宜采用鋼板樁支護(hù)。因?yàn)樵谲浲林写蛉脘摪鍢稌r(shí)，會(huì)對(duì)周圍的土體產(chǎn)生擠壓，可能會(huì)引起地面隆起，而當(dāng)工程結(jié)束后，拔出鋼板樁時(shí)，又會(huì)帶出大量的泥土，從而形成比較大的空洞，如果不及時(shí)采取有效的措施，將非常容易導(dǎo)致周圍的地面下沉，而影響周圍結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定。
1.2鋼筋混凝土板樁
事先分塊預(yù)制好鋼筋混凝土板樁，每塊間利用企口結(jié)合，當(dāng)混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，便利用打樁機(jī)械將其打入設(shè)計(jì)位置。鋼筋混凝土板樁具有較大的剛度及抗?jié)B能力，能適用各種基坑的開挖支護(hù)，但是鋼筋混凝土板樁的投入是一次性的，因此其施工成本較高。
1.3地下連續(xù)墻
地下連續(xù)墻是指利用專門的挖槽機(jī)械，在地面上按照設(shè)計(jì)位置，挖出一道狹長的深槽，并將事先加工好的鋼筋籠安裝于槽內(nèi)，然后采用導(dǎo)管法灌注水下混凝土，形成一個(gè)槽段，依次施工其他槽段，槽段間采用特殊的接頭方式連接，從而在地下形成一道鋼筋混凝土墻。地下連續(xù)墻具有剛度大、截水、抗?jié)B性能相當(dāng)強(qiáng)，因此，在基坑開挖時(shí)，可以抵抗很大的土壓力，在以往的工程實(shí)例中極少發(fā)生坍塌或者地基沉降等事故。另外，地下連續(xù)墻施工震動(dòng)比較小、產(chǎn)生的噪音較低，對(duì)周圍的地基不產(chǎn)生擾動(dòng)，因此非常適用于城市建筑基坑開挖支護(hù)工程。地下連續(xù)墻的適應(yīng)性特別強(qiáng)，能適應(yīng)于各種地基條件下的支護(hù)結(jié)構(gòu)，經(jīng)常應(yīng)用于較深的基坑支護(hù)中，比如地鐵、車站、多層地下車庫等。但是地下連續(xù)墻施工成本比較高。
1.4鉆孔灌注排樁
利用鉆孔灌注樁作為擋土結(jié)構(gòu)，各樁間采用壓力注漿或者旋噴樁來進(jìn)行防滲水處理，再用鋼筋混凝土圈梁將排樁連接成整體結(jié)構(gòu)，從而形成基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)。該種支護(hù)結(jié)構(gòu)可分為錨固式、懸臂式、內(nèi)支撐式三種結(jié)構(gòu)形式。
錨固式：鉆孔灌注排樁與土層錨桿、錨定板等聯(lián)合使用，可用于較深的基坑。該結(jié)構(gòu)形式具有挖土效率高、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，但是水泥用量及鋼材用量比較大。
懸臂式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是施工作業(yè)面開闊，基坑開挖施工效率高，相對(duì)比較經(jīng)濟(jì)。但是其支護(hù)深度應(yīng)該根據(jù)不同的地質(zhì)條件以及不同的樁徑而確定。
內(nèi)支撐式就是在基坑內(nèi)設(shè)置型鋼支撐桿或者鋼筋混凝土支撐桿，以抵抗土側(cè)壓力，通常支撐可水平設(shè)置也可以斜向設(shè)置。在支護(hù)結(jié)構(gòu)不高、開挖深度不大的情況下通常采用斜向支撐；而基坑深度較大時(shí)一般采用水平支撐，并分多層布置。
1.5圍筒式支護(hù)結(jié)構(gòu)
圍筒式支護(hù)結(jié)構(gòu)按照平面布置形式又可以分為拱形、圓形、復(fù)合型等結(jié)構(gòu)形式。該種支護(hù)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)受力比較合理，使得支護(hù)材料的強(qiáng)度得以充分發(fā)揮，整體剛度較大，位移量很小。圍筒式支護(hù)結(jié)構(gòu)一般是利用鉆孔灌注樁形成圓形、弧形排樁結(jié)構(gòu)；或者利用水泥攪拌樁、素混凝土樁形成拱形結(jié)構(gòu)，僅在拱腳位置設(shè)置一根鋼筋混凝土樁，來增墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
1.6水泥土深層攪拌樁擋墻
采用深層攪拌法形成重力式擋墻，通常布置成格柵狀，該結(jié)構(gòu)無需設(shè)置支撐，不滲水，施工材料僅為水泥，無需鋼材，因此造價(jià)較低。但是，其穩(wěn)定性與其截面尺寸有很大關(guān)系，若開挖深度較大時(shí)，該類結(jié)構(gòu)的寬度也需要增大，因此占地面積較大。
2基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則
基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該根據(jù)其破壞后果的嚴(yán)重性分別采用不同的安全等級(jí)。若破壞后果相當(dāng)嚴(yán)重應(yīng)采用一級(jí)安全等級(jí)，破壞后果嚴(yán)重的采用二級(jí)，破壞后果不嚴(yán)重的采用三級(jí)�；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)通常按照承載力極限狀態(tài)以及正常使用極限狀態(tài)來進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算。
2.1承載力極限狀態(tài)
我們通常也將承載力極限狀態(tài)稱之為應(yīng)力極限狀態(tài)。包括下列幾種情況：①抗剪切破壞要求滿足下式：τp≤[τp]，其中τp為樁所承受的剪應(yīng)力；[τp]為支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度。②抗傾覆破壞的極限狀態(tài)要求滿足下式：Ep≥Ea，式中：Ep為支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的被動(dòng)土壓力；Ea為支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的的主動(dòng)土壓力。③抗滑動(dòng)破壞的極限狀態(tài)要求滿足：τs≤[τs]，式中：τs為滑動(dòng)面上地基土受到的剪應(yīng)力；[τs]為地基土的抗剪強(qiáng)度。④抗彎破壞的極限狀態(tài)要求滿足：M≤[M]，式中：M為支護(hù)結(jié)構(gòu)截面所受的彎矩；[M]為支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗彎強(qiáng)度。
2.2正常使用極限狀態(tài)
我們通常也將正常使用極限狀態(tài)稱之為變形極限狀態(tài)�；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)在土側(cè)壓力的作用下若發(fā)生較大位移，那么周圍的地表勢必會(huì)出現(xiàn)下沉，有可能導(dǎo)致周圍的結(jié)構(gòu)物出現(xiàn)開裂，影響其正常使用。若變形量過大，甚至?xí)斐芍車ㄖ飪A斜、倒塌，地下管線斷裂等情況。因此，在進(jìn)行基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須確保支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移量控制在允許范圍以內(nèi)。
3計(jì)算方法
以前采用的古典法及解析法計(jì)算出來的結(jié)果與實(shí)際情況誤差比較大，因?yàn)樗鼈兙荒苡行У姆磻?yīng)基坑開挖過程中擋土結(jié)構(gòu)與支撐結(jié)構(gòu)的軸立變化。所以，現(xiàn)在基本上都是采用有限元法來進(jìn)行計(jì)算，該法可以有效的計(jì)入施工過程中各種因素的影響，比如被動(dòng)土壓力及主動(dòng)土壓力的變化，隨著開挖深度的增加支撐的層數(shù)數(shù)量的增加，支撐架設(shè)前后擋土結(jié)構(gòu)的位移變化，支撐預(yù)加力對(duì)擋土結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響等問題。
有限元法可以在確保支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全情況下，最大限度的優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)，讓其結(jié)構(gòu)更為合理，更經(jīng)濟(jì)。有限元分析法主要有“連續(xù)介質(zhì)有限元法”與“彈性桿系有限元法”兩種。
有限元法就是將土體、支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行單元?jiǎng)澐�，通過數(shù)值模擬，從而得到支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移，也可以算出整個(gè)土體的位移場和應(yīng)力場。它的優(yōu)點(diǎn)在于能充分的考慮土體的性質(zhì)，采用不同的模型、邊界條件，從而更加真實(shí)的反映實(shí)際情況;對(duì)于分步施工過程可以采用動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算，可對(duì)每一步開挖的應(yīng)力和位移作出分析。采用空間三維有限元分析還可以較好的對(duì)基坑的整體形狀作出模擬，對(duì)一些角撐、圈梁和圍檁模擬。
4支護(hù)結(jié)構(gòu)選型
基坑支護(hù)的目的是確�；娱_挖自身坑壁的穩(wěn)定及施工安全；保證周圍臨近結(jié)構(gòu)物、地下管線的安全；便于基坑開挖施工及地下工程建設(shè)；支護(hù)結(jié)構(gòu)受力明確、施工方便、節(jié)約成本。因此，支護(hù)結(jié)構(gòu)選型應(yīng)該本著安全、經(jīng)濟(jì)、合理、因地適宜的原則。
安全是基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的核心問題，不僅僅要考慮支護(hù)體系自身的安全，確保基坑開挖施工的順利進(jìn)行，又要保證周圍結(jié)構(gòu)物、地下管線的正常使用。支護(hù)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性指的也不僅僅是支護(hù)結(jié)構(gòu)自身的造價(jià)，還應(yīng)該考慮到施工工期、安全等各方面的綜合經(jīng)濟(jì)效益。
一個(gè)好的支護(hù)體系，應(yīng)該要做到因地制宜，根據(jù)施工現(xiàn)場的實(shí)際條件，選用合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式。在地質(zhì)條件與開挖深度均相同時(shí)，允許支護(hù)結(jié)構(gòu)位移量不同，采用的支護(hù)形式及產(chǎn)生的費(fèi)用有可能相差很大。
基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)因?yàn)槭且环N臨時(shí)結(jié)構(gòu)，因此再設(shè)計(jì)時(shí)采用的安全系數(shù)不宜過大，但是，必須由一定的安全儲(chǔ)備。可以從經(jīng)濟(jì)與安全兩個(gè)方面綜合考慮，可采用較低的安全系數(shù)下，加強(qiáng)基坑開挖過程中的堅(jiān)持，并準(zhǔn)備相應(yīng)的應(yīng)急措施，當(dāng)發(fā)現(xiàn)事故的苗頭時(shí)，立即處理，確保安全。
一般講，軟粘土地基中基坑工程要側(cè)重處理支護(hù)體系圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題，或者說處理好擋土問題;地下流水位較高的砂性土地基中基坑工程要側(cè)重處理好水的問題，如何降低地下水位，如何設(shè)置好止水帷幕，軟粘土地基中基坑工程支護(hù)體系失穩(wěn)往往是支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。引起支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的原因很多，有設(shè)計(jì)方面的原因，也有施工方面的原因，也有對(duì)地質(zhì)條件了解不清楚的原因。滲透性較大的地基中基坑工程支護(hù)體系失敗往往是水的問題未處理好。要根據(jù)地基土質(zhì)情況合理選用支護(hù)體系。
5總束結(jié)
基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的選型、設(shè)計(jì)不但關(guān)系到該工程的施工安全，還對(duì)周圍建筑物的安全有很大的影響，因此，要將安全放在首要位置。另外，就是要因地制宜，選用結(jié)構(gòu)合理、施工方便、經(jīng)濟(jì)適用的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式。
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