深基坑开口型板式支护设计的关键因素分析

深基坑开口型板式支护设计的关键因素分析

0开口型板式支护结构的关键影响因素在基块项目中，经常会发现以下两个情况。(1)根据基坑开挖条件可采用自立式的围护形式,但由于场地条件限制或周边管线等约束,基坑的局部边界不能采用自立式的围护形式,而只能采用板式支护体系。(2)拟开挖的基坑采用板式支护体系,但基坑局部紧邻既有建筑,该部分板式支护结构无法施工。这两种情况为基坑因条件所限,围护结构只能局部采用板式支护体系或者整体采用板式支护体系而局部无法采用该体系的情况,这两种情况下基坑的板式支护体系均无法封闭,两种不同围护体系如何衔接、支撑结构该如何布置,以及开口处如何进行有针对性的加强成为此类围护结构设计的技术关键,与常规的基坑支护有着较大的不同。本文结合工程实例,论述了不同条件下开口型板式支护设计时需要考虑的关键因素,包括变形控制标准、支座设计、开口处交界点处理以及对邻近建筑(或地下室)的保护措施等。常规基坑围护设计中,板式围护体系往往与支撑结构相结合形成完整的板式支护体系。而开口型基坑板式支护因条件所限,板式围护结构不闭合,支撑结构可能只在局部布置,无法形成完整的板式支护体系。在作受力分析时,由于其结构不对称,开口端应力集中造成荷载不对称,常规计算方法不能反映基坑结构的实际受力情况,一般宜采用有限元软件对开口型板式支护结构进行整体分析计算。同时,还应验算开口端支座的刚度。本文针对开口型支撑的处理措施在大量的工程实践中取得了良好的实施效果,值得在同类工程设计中借鉴和参考。1基坑安全构设计开口型板式支护应根据不同环境条件进行有针对性的设计,以确保基坑的稳定及周边建(构)筑物的安全,以下将介绍3种较典型的情况及相应的设计方法。1.1斜抛撑机构设计当基坑的某部分受条件限制(比如邻近道路或用地红线等)只能采用板式支护,而其它部分可采用自立式围护时,采用板式支护的区域可设置斜抛撑。斜抛撑一般可代替水平支撑来传递围护结构所受的侧受力,但由于斜抛撑支撑倾斜角度有要求,且斜撑基础与围护结构的距离也有限制,因此往往适用于开挖面积较大的基坑。为便于支撑施工,斜抛撑一般采用钢支撑。其支撑的一端支承在围护体的围檩上,另一端则支承在斜撑支座上(如图1所示)。因此,对于斜抛撑而言,设计的关键是支座和预留边坡的合理设计。采用斜抛撑,支座的选择非常重要。支座的水平刚度越大,越有利于变形的控制。通常的支座有3种:(1)利用已有的建筑结构作为斜撑支座。当基坑附近有已施工建筑结构时,由于其底板或楼板的水平刚度较大,通常可作为良好的支座。同时,该方式通常不需要基坑盆式开挖至坑底就可以安装支撑,变形一般较小。但该方式需要有已施工的位置合适的建筑结构为先天条件,其应用受到一定的限制。(2)利用先施工的地下室底板作为斜撑支座。一般在基坑开挖时结合底板的沉降缝或施工缝,先进行盆式开挖至坑底,将中部底板形成,并在底板上设置牛腿作为斜撑支座。由于底板刚度大,可较好控制变形,在采用斜抛撑时往往就采用该方法。但由于底板往往需要增加施工缝,工期增长,且盆式开挖至坑底时围护变形通常已经较大,这些不足限制了该方式广泛应用。(3)采用加强的配筋垫层作为斜撑支座。此方法实质上是第二种设计方法的改进,即在开挖至坑底后浇筑加强的配筋垫层作为斜撑支座。该方式可确保底板整体浇筑,缩短了工期,但由于支座的刚度不大,有可能出现斜撑与围护结构整体偏移的现象,因此常用于环境较为宽松的浅基坑。斜抛撑设计的另外一个关键因素是边坡的预留。预留边坡宽度过大,变形相对小,但支撑偏长,可能要增加立柱,造价高;预留边坡宽度过小,则围护体的变形较大。1.2水平角撑结构的设计在有条件时,开口型板式围护结构应适当配合设置水平支撑。水平支撑体系可结合板式围护结构的形态来设置:当基坑的开口型板式围护结构成“L”型时,其局部支撑体系通常设置水平角撑,如图2所示。当采用水平角撑时,角撑处支座设计是关键。通常,角撑处可采用已有建筑结构,或采用搅拌桩重力坝或加强后的搅拌桩重力坝(即在搅拌桩重力坝内增设钻孔灌注桩或H型钢等加强支座刚度)等具有一定刚度的结构体系作为支座。同时,还应注意在开口处的交界面地方采用增强围护体的刚度、设置L型支撑、增强不同围护形式之间的联系等措施,来减小围护结构差异变形,防止围护产生裂缝。而当开口型板式支护的基坑成“U”型时,通常可采用水平“角撑+对撑(+边桁架)”来解决,如图3所示。1.3结构的开放性当基坑开挖较深,附近紧邻既有建筑,且基坑挖深不超过既有建筑基础埋深时,在采用开口型板式围护结构时,由于涉及对既有建筑的保护,变形控制较严,若采用前述两种设计方法,难以达到变形控制要求,因而应采用整体性较好的封闭式水平支撑。见图4。采用该设计方法时,板式围护与已建建筑的交界面是处理关键,同时,支撑与已建建筑结构的连接,也是设计及施工的难点所在,在设计中应引起注意。2开口式装饰的重要因素开口型板式支护应充分考虑支护体系不封闭带来的影响,包括强度、变形及稳定等。2.1地下管线变形控制标准当基坑局部采用板式支护体系时,周边一般临近建筑物、地下管线等保护对象。在设计前应充分调查保护对象的现状,摸清建筑物的基础形式、结构类型、倾斜、已有裂缝及沉降等情况,对地下管线的类型、年代、材质、已有变形情况进行记录,确定变形控制标准,确定合适的支护形式。表1为开口型板式支护基坑变形影响因素。2.2采用实用的设计公式采用开口型板式支护时支撑的支座必须进行强度验算,变形计算更多依赖于经验。通常的设计步骤为:(1)在开口端设置假定支座,可根据实际连接情况设定为铰接或固接。(2)建立有限元计算分析模型,进行支撑整体分析计算,求出支撑内力。(3)根据开口端支撑的内力计算支座承受的荷载。(4)计算支座的承载力,验算支座的强度。当采用斜抛撑体系时,支座设计应验算大底板或配筋加厚垫层与基底土之间的抗剪强度,并考虑对工程桩的不利影响。笔者根据受力平衡条件推导出如下的实用的设计公式用于验算支座抗剪强度:式中Fk为支撑内力标准值;Gk为大底板或配筋加厚垫层等支座的自重标准值;θ为斜抛撑与水平面夹角;γF为荷载分项系数,一般可取1.25;γR为承载力分项系数,一般可取1.0;μ为支座与基底土之间的摩擦系数,一般可取0.15~0.25。当采用开口水平支撑时,支座设计应考虑端部支座的抗剪能力。同时,在开口交界点,应考虑由于不同支护形式而引起的差异变形问题,通常宜设置加强型节点。实用的设计公式为式中Gk为支座剪切面以上的自重标准值;β为剪切面的摩擦系数,若为搅拌桩重力坝,则一般可取0.2~0.3;其余各量的物理意义同式(1)。当采用封闭水平支撑时,支撑受力较好,可不设置专门的支座。但板式支护开口交界点处仍需考虑差异变形问题。2.3已建室稳定验算在既有建筑或地下室的一侧或多侧进行基坑开挖时,已建地下室则会承受两侧的土压力差。这时,应对已建地下室的稳定进行验算。计算可参考式(2),此处Fk为按静止土压力计算所得的已建地下室一侧的水土压力,Gk为已建地下室及其上部结构自重,β为已建地下室与基底土之间的摩擦系数,通常不考虑工程桩的有利作用,一般可取0.15~0.25。3工程实例以下通过两个已完成的工程实例来介绍以上所述开口型板式支护体系的设计要点的应用情况。3.1基坑围护方案上海花木老集镇改造基地2号地块位于上海市浦东浦建路以东、杜鹃路以南地块。基坑面积约9600m2,号楼挖深约3.15m,车库挖深约5m。基坑南侧及西南角邻近6层浅建筑物,因而在邻近已有建筑的区域采用板式围护加斜抛撑的支护形式,其余区域采用搅拌桩重力坝自立式围护结构,如图5围护及支撑平面图所示。在基坑南侧西部,基坑距离建筑物约5m,采用φ750@950钻孔灌注桩围护,设一道钢支撑支承在已施工的号楼基础上。在南侧东部,基坑距离建筑物约10~15m,采用φ650@850钻孔灌注桩围护,设一道钢支撑支承在加强的配筋垫层上。图6为支承在已有建筑和加强配筋垫层的剖面图。根据基坑监测的资料,基坑围护测斜变形一般为25~40mm,建筑物沉降一般在20~30mm。基坑支护结构较好的保护了周边建筑物的安全。3.2基坑工程围护方案新外滩A型楼(以下简称A楼)位于上海东大名路以南、公平路以西地块。基坑面积约5130m2,围护长度约285m,基坑开挖深度约8.85~9.75m。基坑东侧紧邻公平路、北侧紧邻东大名路,其下均有大量市政管线;基坑西侧约12m为某高层建筑;基坑南侧为已封顶的27层高的F型楼(以下简称F楼,其下设2层地下室,基础埋深约9.8m),F楼地下室底板与拟建的A楼地下室底板净距为0.05m,两者地下室外墙净距1.2m,F楼的原围护灌注桩位于拟建的A楼基础下方。本项目基坑围护设计时,根据周边的环境条件采用了开口式板式围护及开口式水平支撑。围护采用φ800@1000(L=18.2m)钻孔灌注桩,外围设φ700@500(L=16m)双排两轴水泥土搅拌桩止水;支撑采用“角撑+对撑(+边桁架)”形式,如图7所示。本基坑设计时,板式支护结构体系在邻近F楼处形成开口,针对前述的技术难点采取如下处理方式,主要考虑以下3方面:(1)与F楼交界处进行加强处理(1)围护桩的处理:在围护交界处,钻孔灌注桩尽量施工至原灌注桩附近;外围搅拌桩止水帷幕施工在该侧难以连续塔接,因此在其外侧设置旋喷桩补强;(2)支撑的处理:第一道围檩与F楼的围檩相连,第二道围檩锚入F楼外墙和围护灌注桩之间,尽量保证该节点为刚结点。(2)开口处支撑节点采取加强措施由于支撑为U型开口支撑,围檩轴力较大,沿围檩方向围檩与围护桩之间存在较大的剪力。第一道围檩与围护灌注桩钢筋相连,可抵抗剪力;在第二道围檩标高处植钢筋到围护灌注桩内,植筋另一端锚入第二道围檩,以抵抗剪力。(3)对基坑南侧既有的F楼稳定性分析对南侧F楼而言,随着A楼基坑向下开挖,该侧原有围护桩的凿除,F楼地下室北侧将形成一个临空面,南侧的土压力由F楼的桩基和基底摩擦力承担。因此,本次设计中对F楼进行了整体稳定、抗倾覆及抗滑移稳定性等方面的分析计算。经精心设计及良好的施工,该基坑工程已成功完成。基坑围护测斜变形一般约25~30mm,最大变形位于基坑北侧的东大名路上,与设计计算相吻合。东大名路下市政管线最大沉降约12mm,变形控制达到良好的效果。4开口型支撑设计结合笔者的工程经验,对开口型板式支护深基坑工程几种典型情况进行了分析总结。(1)开口型板式支护的支撑形式多样,应根据基坑开挖深度、规模