深基坑开挖与支护结构的研究与应用

深基坑开挖与支护结构的研究与应用

1国内外关于基坑工程的研究现状深孔开挖和支气管道结构是基础和地下项目的传统主题，也是一套完整的岩石工程问题。包括项目的性质、地质和技术的组成，技术和施工管理的基础。随着城市居住空间的发展,高层、超高层建筑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,使许多新的经验和理论的研究方法得以出现和成熟。早在20世纪30年代,Terzaghi等人已开始研究基坑工程中的岩土工程问题,提出了预估挖方稳定程度和支撑荷载大小总应力法,这一理论一直沿用至今,只不过有了许多改进与修正。在以后的时间里,世界各国的许多学者都投入了研究,并不断在这一领域取得丰硕的成果。在我国,20世纪80年代以后,随着经济发展和城市建设的需要,土地资源紧张的矛盾日益突出,向高空、向地下争取建筑空间成为一个发展趋势,对基坑工程的研究逐步发展起来。特别是20世纪90年代以来,随着城镇建设中高层及超高层建筑的大量涌现,深基坑工程越来越多,同时密集的建筑物、复杂的深基坑形式,使得基坑开挖的条件越来越复杂。因此,对基坑开挖与支护的计算与设计理论、施工技术等的要求也越来越高。2深孔防护结构类型2.1基坑支护结构悬臂式支护结构是指未加任何支撑或锚杆,仅靠嵌入基坑底下一定深度的岩土体来平衡上部地面超载、主动土压力以及水压力的支护结构。分为连续的板桩式结构、分离的排桩式结构和地下连续墙结构。对于该种支护结构,其嵌入深度至关重要。由于基坑底以上部分呈悬臂状态,无任何支点力作用,与有内支撑的支护结构相比,这种结构的桩顶位移及构件弯矩值比较大。因此,这种支护结构形式主要用于土质条件较好、基坑深度不大及对基坑水平位移要求不很严格的基坑,一般开挖深度不宜大于10m。2.2壁土体内设置拉锚式支护结构是由挡土结构与外拉系统组成的,分地面拉锚支护结构(外拉系统在地面设置)和锚杆支护结构(外拉系统沿坑壁土体内设置)两类。地面拉锚支护结构由挡土结构、拉杆(索)和锚固体组成,锚固体通常使用锚固桩或锚碇板。常用于深度及规模不大的基坑或悬臂支护结构的抢险工程中。锚杆支护结构是由挡土结构及锚固于基坑滑动面以外的稳定土体的锚杆组成。一般用于规模较大的深基坑、邻近有建筑物或重要管线而不允许有较大变形的基坑,以及不允许设内支撑或设内支撑不经济等情况。2.3地下水渗流对抗挡墙结构内支撑支护结构是由挡土结构和内支撑系统组成的结构形式。挡土结构主要承受基坑开挖所产生的土压力和水压力并将此侧向压力传递给内支撑,有地下水时也可防止地下水的渗漏,是稳定基坑的一种临时支挡结构,一般采用护壁桩和地下连续墙。内支撑为挡土结构的稳定提供足够的支撑力,直接平衡两端围护结构上所承受的侧压力,常用的有钢支撑和现浇钢筋混凝土支撑。2.4压力作用下的稳定重力式挡土支护结构是重力式挡土墙的一种延伸和发展,主要以自身重力来维持支护结构在侧压力作用下的稳定。其特点是先有墙后开挖形成边坡,因此在某种程度上重力式基坑支护结构与重力式挡土墙有较大的区别。目前,常用的重力式支护结构主要是水泥土重力式围护结构。该结构用于软土的支护结构,一般深度不大于6m,用于非软土基坑的支护深度可达10m。2.5基坑支护体系土钉支护是用于土体开挖和边坡稳定的一种新的挡土技术,由于经济、可靠且施工快速简便,已在我国得到迅速推广和应用。它由密集的土钉群、被加固的土体、喷射混凝土面层形成支护体系。由于随挖随支,能有效地保持土体强度,减少土体的扰动。适用于地下水位以上或经降水后的人工填土、粘性土和弱胶结砂土,开挖深度为5m~10m的基坑支护。土钉支护不适用于含水丰富的粉细砂层、砂砾卵石层、饱和软弱土层和对变形有严格要求的基坑支护。2.6相结合使用的支护由于土钉支护自身具有局限性,在松散砂土、软土及含水丰富的粉细砂层、砂砾卵石层、饱和软弱土层不能单独使用该支护形式,必须与其他支护相结合使用,即所谓的“复合土钉支护”。复合土钉支护就是由土钉、喷射混凝土与预应力锚杆或预支护微型桩或水泥土桩组合,以解决因基坑变形、土体自立和隔水而形成的支护形式。常用的复合土钉支护有:土钉+预应力锚杆+喷射混凝土、土钉+预支护微型桩+喷射混凝土、土钉+预支护微型桩+预应力锚杆+喷射混凝土、土钉+水泥土桩+喷射混凝土、土钉+预应力锚杆+水泥土桩+喷射混凝土、土钉+预应力锚杆+喷射混凝土。2.7喷射混凝土与面板、面板的支护预应力锚杆柔性支护是用于基坑开挖和边坡稳定的一种新型支挡技术,是由预应力锚杆与喷射混凝土面层或木板面层结合而成的一种支护方法。其中预应力锚杆是由众多吨位较小的预应力锚杆组成的系统锚杆。由于强大预应力的作用,改变了基坑的受力状态,减小了基坑位移,因此该方法特别适合于位移控制要求严格的基坑及超深基坑的支护。3目前，中国存在着设计和施工深基坑的问题3.1支护结构极限平衡模型与工程实例目前,深基坑支护结构的设计计算仍基于极限平衡理论。而极限平衡理论是一种静态设计,而实际上基坑开挖后的土体是一种动态平衡状态,也是一个松弛过程,随着时间的增长,土体强度逐渐下降,并产生一定的变形。工程实践证明,有的支护结构按极限平衡理论计算的安全系数,从理论上讲是绝对安全的,但却发生破坏;有的支护结构却恰恰相反,即安全系数虽然比较小,甚至达不到规范的要求,但在实际工程中获得成功。这说明在设计中变形和时间效应必须给予充分的考虑,但在目前的设计计算中却常被忽视。3.2库伦-朗肯土压力理论支护结构上的土压力的计算是基坑支护结构计算的关键,但目前要精确计算土压力还十分困难。目前的支护结构设计中,一般都以古典的库伦公式或朗肯公式作为计算土压力的基本公式。应用这2个公式进行基坑土压力计算存在以下问题:(1)库伦-朗肯土压力理论所针对的挡土墙问题是平面问题,而深基坑开挖支护问题实际上是空间问题。(2)库伦-朗肯土压力理论计算的是极限平衡状态时的土压力,但是在实际的基坑工程中,对基坑位移均有严格的控制要求,位移过大是不容许的。基坑挡土结构上实际发生的土压力总是介于静止土压力与主动土压力或静止土压力与被动土压力之间。尤其在开挖过程中,土压力随开挖和支护的进行是一个动态变化过程,应用库伦-朗肯土压力理论无法计算出这一动态过程中相应的土压力。3.3基坑变形控制随着城市建设的发展,城市用地越来越紧张,基坑工程往往处于房屋和生命线工程的密集地区,对基坑工程技术提出了更高、更严的要求,不仅要确保基坑的稳定,而且要满足变形控制的要求,以确保基坑周围的建筑物、地下管线、道路等设施的安全。而变形控制是现有基坑工程强度控制设计理论不够重视的一个方面,常规计算方法对支护结构及基坑周围土体的变形未能给出相应的解答,这是导致一些基坑工程失败的主要原因之一。侯学渊、孙家乐等深入讨论了变形控制设计,提出了变形控制设计的基本思想:支护结构在满足强度的前提下,尚需满足其使用要求,即基坑在施工过程中既要保证其安全、不失稳,又要保证其对周围环境不造成破坏性的影响。3.4地下水位控制设计的方法地下水控制是基坑工程的一个难点,较通常的“降水”有更加广泛的含意,它包括降水与截水。因土质与地下水位的条件不同,基坑开挖的施工方法大不相同,不能制定统一的设计模式,这就要求设计者根据实际情况,进行地下水位控制设计。实践中,绝大多数基坑工程在控制地下水方面获得了成功,但也有少数基坑(存在透水性大的粉土、砂土层,含水量丰富、相邻建筑物密集)由于其降水或截水在设计或施工中存在问题而出现基坑严重渗漏、管涌,致使工期延长(或者更严重的后果),故地下水控制设计是基坑工程设计和施工中十分重要的环节,必须引起重视。3.5平面应变假设深基坑本身是一个具有长、宽、深尺寸的三维空间结构,基坑开挖过程中,基坑周边向基坑内发生的水平位移是中间大两边小,深基坑边坡失稳常常以长边的居中位置发生。这说明深基坑开挖是一个空间问题,但传统的深基坑支护结构的设计是按平面应变问题处理的。对一些细长条基坑来讲,这种平面应变假设比较符合实际,而对近似方形或长方形深基坑则差别比较大。对于支护结构的空间效应,近几年国内外的研究取得了可喜的成果。但因为在土体力学参数的确定、有限元分析模式的选取等方面仍不能令人满意,基坑支护结构的三维在限元分析还处于辅助设计水平。所以,在未能进行空间问题处理前支护结构的构造要适当调整,以适应开挖空间效应的要求。4深基坑保护技术的发展趋势4.1深基坑支护结构动态设计对于深基坑支护结构的设计,国内外至今尚没有一种精确的计算方法,我国也没有统一的支护结构设计规范。深基坑支护结构的设计仍采用传统的“结构荷载法”,计算结果与深基坑支护结构的实际受力有较大差距,既不安全也不经济。国内外岩土工作者对探讨和建立动态设计体系已形成共识,许多学者己开始从事这方面的研究。近十几年来,我国在深基坑支护技术上已经积累很多实践经验,收集了施工过程中的一些技术数据,已初步摸索出岩土变化支护结构实际受力的规律,为建立深基坑支护结构设计的新理论打下了良好的基础。4.2基坑变形控制设计按变形控制设计中变形控制量应根据基坑周围环境条件因地制宜确定,不是要求基坑围护变形愈小愈好,也不宜简单地规定一个变形允许值,应以基坑变形对周围市政道路、地下管线、建(构)筑物不会产生不良影响,不会影响其正常使用为标准。鉴于此,应建立新的变形控制设计方法,着重研究以下问题:(1)支护结构变形控制的标准。这是关系支护结构成败的决定性数据,但至今仍未有一个具体标准。(2)空间应变简化为平面应变。这是如何将开挖过程中的空间效应转化为设计中的平面应变问题。(3)地面超载的确定及其对支护结构变形的影响。4.3支护结构型式随着大量高层、超高层建筑以及地下工程的不断涌现,对基坑工程的要求越来越高,随之出现的问题也越来越多,导致许多新的支护结构型式相继问世,如:双排桩、土钉、组合拱帷幕、旋喷土锚、预应力钢筋混凝土多孔板等。但是,这些支护结构型式的计算模型如何建立、计算简图怎样选取、设计方法如何趋于正确,仍是当前新型支护结构设计中急需解决的问题。目前,深基坑支护结构正在向着综合性方向发展,即受力结构与止水结构相结合、临时支护结构与永久支护结构相结合、基坑开挖方式与支护结构型式相结合。这些结合必然使支护结构受力复杂,因此,工程技术人员必须探讨新型支护结构的计算方法。4.4缺乏科学分析理论来自于实践,我国至今在深基坑支护结构方面尚未进行系统的试验研究。在支护工程施工的过程中积累的技术资料很丰富,但缺少科学的测试数据,无法进行科学分析。一些支护结构工程成功了,也讲不出具体成功之处;一些支护结构工程失败了,也说不清失败的真实原因。因此,开展支护结构的试验研究是非常有必要的。通过实验室模拟试验和工程现场试验,发现问题、总结规律,寻找解决的问题的最佳途径,为其他工程提供经验和方法,减少工程事故的发生,为深基坑支护结构计算方法提供了可靠的第一手资料。4.5支护结构的选型和社会条件的关系深基坑支护结构的设计与施工不同于上部结构,除地基土类别的不同外,地下水位的高低、土的物理力学性质指标以及周围环境条件等,都直接与支护结构的选型有关。在深基坑工程中,支护结构方案的选择至关重要,支护结构型式选择的合理,就能做到安全可靠、施工顺利、缩短工期,带来可观的经济与社会效益。反之,一个不合理的方案即使造价很高,也不一定能保证安全。可见,支护结构形式的优化选择是深基坑支护技术发展的必然趋势。4.6修正设计和指导施工基坑工程力学参数的不确定性及施工过程的不可预见性,使基坑工程设计和施工中难免出现与实际地层条件不符合的情况,需要在施工过程中通过监测信息的反馈来修正设计,指导施工。因此,基坑工程监测是基坑工程施工中的一个重要的环节,组织良好的监测能够将施工中各方面信息及时反馈给基坑开挖组织者,根据预测判定施工对周围环境造成影响的程度,对基坑工程围护体系变形及稳定状态加以评价,