02-文献综述报告

PAGEPAGE1文献综述报告浅谈桩锚支护在基坑工程中的运用土木工程专业2007级(2)班杜炫铿J072302071.前言随着高层建筑的增多和城市用地的日益减少，基坑工程设计和施工涉及的地质条件、岩土性质、场地环境、工程要求、地下水动态、施工顺序和方法等许多问题越趋复杂，使基坑的开挖和围护结构的设计成为一个具有挑战性的岩土工程热门难题。当前基坑工程的围护结构设计方法可谓种类繁多，众说纷纭,形成了多种设计方法并存的局面（龚宪伟，2010）[1]。常见的基坑围护方式有：排桩、放坡、土钉墙、钢板桩、土层锚杆、钻孔灌注、逆作拱墙、逆作法施工、SMW工法、地下连续墙等。对支护型基坑支护结构，在基坑较浅时可不设支撑，成悬臂式结构；当基坑较深或多周围地面变形严格限制时，应设水平或斜向支撑，或锚啶系统，形成空间力系（龚维明等，2003）[2]。目前，桩锚式支护体系在基坑中应用比较广泛,这种支护型式一般在桩顶设置圈梁，在桩身处设锚杆（郭印，2009）[3]，由支护桩和锚杆共同受力,从而使得支护桩的内力发挥度和变形量与传统理论得到的结果存在明显差异,国内众多学者对此进行了试验研究(张金民，曾进群，2002；王立明，2005；潘耀民，2005)[456]。作为一种在岩石锚杆理论研究比较成熟的基础上发展起来的一种挡土结构，安全经济的特点使桩锚式结构广泛应用于边坡和深基坑支护工程中（宁月斌，陈根山，2010）[7]。2.桩锚式支护技术2.1桩锚式支护的形式桩锚式支护就是用钻孔灌注桩(护坡桩)和土层锚杆(多为预应力)相结合的一种支护形式(见图1)。桩顶一般设计在地面以下3～4m处，桩顶以上采用砖砌挡土墙，挡土墙上设钢筋混凝土构造柱，墙顶加设钢筋混凝土圈梁。（张学良，钱奇超，1999）[8]为了加强护坡桩的整体性，通常会在桩顶设一道钢筋混凝土圈梁，图1桩锚支护形式并与上层锚杆连接起来，可大大减少桩顶的位移量。2.2排桩锚索支护的工作机理在深基坑周围土压力、地下水压力及深基坑周围建筑物等附加荷载作用下，排桩体有向深基坑内侧倾倒的趋势并产生相对侧向位移，深基坑底面排桩嵌固深度范围内的土体由于受到桩体侧向位移的影响而产生被动土压力来抵抗桩体承受的部分主动土压力,另外作用在深基坑上部桩体上的锚杆由于预应力作用（对于无预应力锚杆由于桩体的侧向位移作用会产生抗力）也会为阻止桩体位移而抵抗部分主动土压力。因此支护桩体所受的主动土压力由被动土压力和锚杆锚固力共同承担（黄睿，2010）[9]。当主动土压力大于被动土压力和锚杆极限锚固力时围护桩体就会产生侧向位移，当位移超出允许位移时支护体系失效,很容易发生事故；当主动土压力小于等于被动土压力和锚杆极限锚固力时，围护桩体无侧向位移，即支护体系有效。另外，为了避免在最大剪力处出现剪切破坏，在最大弯矩处挠度过大，一定要保证桩体本身具有足够的强度。2.3桩锚式支护工程的施工技术桩锚式支护施工步骤：场地平整→放线布桩→护坡桩施工→圈梁施工→挖土(到锚杆位置)→锚杆施工→挖土(到下层锚杆位置)→第二层锚杆施工→养护(锚杆强度应达75%)→安装钢梁、垫铁、螺母→锚杆张拉锁定→基坑土方开挖（孙晓明，孙磊，徐丹霞2002）[10]。2.3.1护坡桩的施工步骤：钻孔→钢筋笼的制作和安装→灌注混凝土。（1）钻孔：护坡桩施工钻孔前需要做好桩位放线，整理平整场地，布设施工便道，设置供电及供水系统等。钻孔时钻孔机就位必须保持平稳，不发生倾斜位移，要在机架上标明控制标尺，以便在施工中观测记录钻孔深度；钻孔时调值机架挺杆，对好桩位，开动机器钻进、出土，达到控制深度后停钻，先空转数圈后，再提钻。并通过孔深、倾斜度、直径和清孔来检查成孔质量。在刚完成钻孔、吊放钢筋笼后和灌注砼前均需进行一次成孔质量检查（张学良，钱奇超，1999）[8]。（2）钢筋笼的制作与安装：进场的钢筋（焊剂）规格和质量应符合设计和规范之要求并取样送检。钢筋笼按设计桩详图的要求制作并对接，安装时确保钢筋笼的垂直位置达到设计标高，并留置设计要求保护层的空间；主筋与加强筋点焊牢固，但不得损伤主筋；一级钢筋采用E4303焊条；二级钢筋采用E5003焊条。钢筋笼安装时必须轻提缓放，下放遇阻应立即停止，查明原因并进行相应处理后再行下放，严禁高起猛落、强行下放（方征，2005）[11]。（3）灌注混凝土：浇注混凝土要连续进行，分层振捣密实，混凝土浇注到桩顶时，要适当超过桩顶设计标高，以保证在凿除浮浆后，桩顶标高符合设计要求，在混凝土浇到距桩顶1.5m时，可拔出溜桶，直接浇灌混凝土（张学良，钱奇超，1999）[8]。2.3.2锚杆施工工艺流程为：定点→钻机就位→成孔→清孔→锚筋的制作及安装→灌浆（宁月斌，陈根山，2010）[7]。锚杆主要施工技术：（1）锚杆孔施工：根据设计倾角进行调整定准孔位后方可成孔，锚杆水平方向孔距误差不得大于50mm，垂直方向孔距误差不得大于100mm。锚杆孔深不小于设计长度，不宜大于设计长度的1%（阳华，2010）[12]。（2）锚杆孔压力试验：锚杆锚固段内锚杆孔不应有水泥浆漏失，否则会降低锚杆受力性能及锚杆的耐腐蚀性，在钻好孔后，应进行压水试验。一般孔壁裂隙大于160m，水泥浆将会漏失，在一个附加大气压作用下，将产生较大的渗流量，如漏浆可用较稀的水泥浆灌注孔内，24小时后，重新钻孔，再作压水实验（宁月斌，陈根山，2010）[7]。（3）锚杆就位：就位前应对锚杆作检查，加工情况，防锈等，就值时应慢而稳，采用套管有助于避免损坏锚杆，可检查防锈层的损坏程度及抗拔力的大小（宁月斌，陈根山，2010）[7]。（4）灌浆：灌浆的方法分为一次灌浆和二次灌浆。一次灌浆只用一根注浆管，一般采用30mm的胶皮管，一端与压浆泵相连，另一端与拉杆同时送入钻孔内，距孔底50cm即可。在确定钻孔内的浆液是否灌满时，可根据从孔口流出来的浆液浓度与搅拌的浆液浓度是否相同来判断，对于压力灌浆锚杆，待浆液流出孔口时，将孔口用黏土封堵，严密捣实，再用2MPa-4MPa的压力进行补灌，稳压数分钟后再停止。二次灌浆法适用于压力灌浆锚杆，要用两根注浆管，其管端距离锚杆末端50cm左右，管端出口需用胶布塞住，以防止土进入管中（陈良宝，2010）[13]。2.4多支点桩锚计算基坑工程是一项系统工程，基坑支护做到技术先进、经济合理、确保基坑边坡稳定、基坑周围建筑物、道路及地下设施安全极其重要（杨春发,张括，2008）[14]。为了保证在安全的前提下使桩的最大弯矩，锚拉力以及桩入土的深度达到最小值，以降低工程造价的目的（徐扬清，1997）[15]。关键在于结构设计计算方法和锚点位置的选择。支护结构设计计算方法很多,每种计算方法都有各自的优点和缺点，目前规范采用最简单的计算方法是弹性地基法,也有人提出多种方法结合计算法（高东立，2007；秦四清，1998）[1617]。针对多支点锚桩支护结构，本文拟采用等值梁法对支护结构进行内力、弯距、插入深度的计算，用弹性地基法对变形与位移进行计算。2.4.1对于浅埋的围护结构，由于入土深度较小,故将墙下端视为自由支承，而深埋者则将墙下端视为固定支承于土中。而多支点桩锚支护体系一般入土比较深，故视为固定端，单支点则为铰支点，如图2所示，ac梁b点为铰结点，c点为固定点。弯矩图的转折点为d，若将ac梁在d点切断，并在d点设置自由支承,形成ad梁，则ad梁的弯矩将保持不变。因此ad梁即为ac梁上ad段的等值梁。多支点围护体系是一个多次的超静定问题，因为在应用等值梁法计算时，首先应知正负弯矩转折点的位置,实际上地面下土压力等于零的地方与弯矩为零的位置相近,因此计算时用土压力为零的位置代替转折点（杨春发,张括，2008）[14]；计算简图见图3。图2等值梁法原理图图3等值梁法计算简图2.4.2基坑工程弹性地基梁法取单位宽度的挡墙作为竖直放置的弹性地基梁,支撑简化为截面积和弹性模量、计算长度等有关的二力杆弹簧，弹性地基法中土对支挡结构的抗力(地基反力)用土弹簧来模拟,地基反力的大小与挡墙的变形有关,即地基反力由水平地基反力系数同该深度挡墙变形的乘积确定。水平地基反力系数确定方法有三种:地基土水平抗力系数沿深度呈矩形分布的k法、地基土水平抗力系数在深度以上为凹形抛物线分布的C法、地基土水平抗力系数呈三角形分布的m法（杨春发，张括，2008）[14]。其中m法更接近于经典土压力分布的定性结果，在三种弹性地基梁的土抗力系数假定中m法更接近于基坑支护结构设计。该法能较好地计算支护结构的位移与变形、预测周边建筑物、道路、地下设施受基坑开挖影响情况。图4为m法的计算简图。2.5单支点桩锚具体计算步骤同多支点桩锚一样，单支点桩锚的计算目的也是为了在保证安全的前提下使桩的最大弯矩，锚拉力以及桩入土的深度达到最小值，从而降低工程的造价（孙庆等，2006）[18]。主要方法有等值梁法和极限平衡方法。图4m法计算简图2.5.1)根据基坑深度、勘测资料，首先确定主动土压力及被动土压力系数，要考虑桩与土的摩擦力，即考虑摩擦角(2-1)一般取(2-2)式中：—粘性土的内摩擦角，；—主动土压力系数；—被动土压力系数。2)求桩嵌入基坑下的深度如图5所示，D点为土压力零点，y为距坑面的距离,桩左与桩右的土压力相等，才出现零点D，求出y，，由等值梁原理，求得简支梁的及,(2-3)(2-4)(2-5)式中：—地面到锚杆的距离，m；—临界深度，m；—上部荷载所产生的侧压力，kN/m；，—主动土压力，kN/m；—锚杆支撑力，kN；—被动土压力，kN/m。对C点的力矩，应等于被动土压力对C点的力矩,图5等值梁法计算简图(2-6)式中：—主动土压力强度，。桩插入基坑深度:(2-7)如土质较差，应乘系数(1.1～1.2)，即=(1.1~1.2)(2-8)3)求最大弯矩先求剪力为零点,即最大弯矩处,设最大弯矩处距桩顶为Z。求出剪力零点距桩顶的距离Z则:(2-9)2.5.1)土压力零点深度系数:(2-10)式中：；；;；。—上部荷载压力，kPa；—粘性土的粘聚力，kPa；—土的重度，；—粘性土的内摩擦角，；—主动土压力系数；—被动土压力系数。由上式计算得<=0，说明土压力零点位于基坑面。2)支点力图6极限平衡法计算简图根据等值梁法,为求得支点力，应在土压力零点对其上部力取矩的平衡条件求得。从图6可知，作用力离基坑底面的高度为H。由可得：=(2-11)式中：；。3)最大弯矩值最大弯矩值应考虑正负弯矩值，位于支点处的弯矩值Mt为:(2-12)式中：基坑内侧受拉最大弯矩值Mu为:(2-13)式中：4)最小埋置深度系数：最小埋置深度系数由剪力平衡条件确定：(2-14)一般，取桩入土深度为:=1.2H。2.6围护桩、支撑和围檩的配筋计算根据围护桩、支撑和圈梁的内力值，并根据工程经验，对圈梁的内力计算值乘以一定的折减系数，而对支撑轴力乘以1.5～2.0的放大系数，按混凝土结构设计规范(GB50010-2002)，均按压弯构件对围护桩、支撑和圈梁进行截面配筋计算(杨迎晓等，2006)[19]。3.施工注意事项3.1基坑的变形控制问题基坑变形可能对周围市政道路、管线、周围建(构)筑物产生不良作用而影响其正常使用;同时过大的基坑变形会导致基坑失稳甚至造成特大工程事。因此，基坑支护结构除满足强度要求外，还需满足变形要求。控制基坑变形也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（龚晓南，2005）[20]。这主要取决于周边环境的情况。若周边环境不允许基坑围护产生较大变形，则应采取相应的措施控制变形；若周边环境对基坑围护变形要求不高时，为了可以更加经济的完成基坑围护，一般允许其产生较大变形。在不久的将来，变形控制在基坑工程设计理论中将会越来越受到重视。根据经验，锚杆的设置位置对位移的影响很大。在锚杆抗拔力许可的情况下，应尽可能将锚杆设置在桩顶附近。因基坑开挖深度较大，锚杆所需的锚固拉力会很大，若土体无法提供足够的锚杆抗拔力，则应考虑增加锚杆道数。在支护体系中采取适当的构造措施(如锁口梁、端部约束、拱形受力等)，可有效地减少位移量。在位移计算过程中必须考虑开挖过程，这是因为桩锚支护结构的内力和变形是随开挖过程而变化的，在锚杆尚未锁定前，桩身已产生一定的初变位，若不考虑开挖过程，直接以基坑开挖完成后的受力状态进行计算，就会使计算结果与实际情况产生很大的差异（余红生，2002）[21]。3.2地下水控制设计问题地下水控制是基坑工程的一个重点。开挖基坑时，流入坑内的地下水和地面水如不及时排除，不但会使施工条件恶化，造成土壁塌方，亦会影响地基的承载力（毛鹤琴，2004）[22]。因此对于不同工程地质、水文条件的基坑，我们要采取不同的方法做好施工排水工作，保持土体的干燥。基坑工程中的地下水控制包括降水与截水。降低地下水位的目的除了在基坑开挖工程中保证坑内干燥便于施工外，更重要的是保证不因覆盖土层揭开而导致底部管涌。截水就是在基坑四周形成截水帷幕或在基坑底部形成不透水封底层以达到与降水同样的目的。由于降水可能导致基坑周边地表下沉，相邻建筑物不均匀沉降，所以，在建筑物密集的地区多用截水的办法（徐宜和，2005）[23]。降低地下水位包括重力式和非重力式两类，井点、管井、渗井、明排仍是当前的主要方法；隔离地下水包括地下连续墙、连续排列的排桩墙、隔水帷幕、坑底水平封底隔水等。在地下水控制中，详细和比较准确地掌握工程地质、水文地质资料，了解地下水的分布、性质是正确确定降水或截水方案的基础（徐宜和，2005）[23]。4.结语桩锚式支护结构可以有效地保护相邻建筑物不受施工影响，又便于机械化基坑开挖作业，具有投资省，施工较容易，能加快施工进度及防渗效果好等优点（喻胜春，邹允福）[24]。通过上文的讲述，我们了解到了桩锚式支护的工作原理、施工工艺以及计算方法，对其有了一个简单的认识；随着对桩锚式支护结构的深入研究，发现在桩锚式支护中，还需要注意很多事项，特别是基坑变形和地下水问题，尤为重要。桩锚式支护是一种能广泛适应水利基坑工程特点和复杂地质条件与多种施工条件的基坑支护方法，在今后的各类水利工程基坑中将会被更多采用，并在应用过程中使该技术日臻完善。为了弥补基坑工程设计非确定性因素多、风险率高的缺陷，提高安全性和经济性、降低事故率，信息监测与信息化施工技术将会越来越得到人们的重视。随着我国经济建设的持续高速的发展和基坑支护理论与新技术的不断发展，支护结构形式的优化选择和信息化施工技术的发展是深基坑支护技术发展的必然趋势。参考文献[1]龚宪伟.当前基坑围护设计中的问题及对策[D].梧州:广西大学土木工程学院岩土工程系,2010[2]龚维明,童小东,缪林昌,穆保岗.地下结构工程[M].南京:东南大学出版社,2003.15～16[3]郭印,赵刚,孙元帝,郭勇夫,鲍召杰,李俊杰,谢芳.桩锚式支护桩内力和变形测试研究[J].地下空间与工程学报,2009,5(5):1020～1022[4]张金民,曾进群.桩锚挡墙支护体系挡板土压力的试验研究[J].地下空间与工程学报,2002,22(1):58～60[5]王立明,高广运,郭院成.单支点桩锚支护结构的侧移计算[J].地下空间与工程学报,2005,1(4):510～513[6]潘耀民.水泥搅拌桩与锚杆组合支护在工程中的应用[J].地下空间与工程学报,2005,1(5):813～816[7]宁月斌,陈根山.桩锚式支护结构在建筑深基坑中的应用[J].中国新技术新产品,2010(18):178[8]张学良,钱奇超.桩锚式支护的施工技术及质量控制[J].化工施工技术,1999,21(4):43～45[9]黄睿.深基坑开挖中桩锚支护研究[J].黑龙江交通科技,2010(4):88～89[10]孙晓明,孙磊,徐丹霞.深基坑排桩锚杆支护的设计与施工[J].黑龙江水专学报,2002,29(4):21～24[11]方征.深基坑围护工程中的钻孔灌注桩咬合水泥土搅拌桩施工技术[J].建筑施工,2005,27(12):3～4[12]阳华.深基坑支护技术在金成大厦的应用[J].建筑技术,2010,41(9):814～815[13]陈良宝.土层锚杆的施工技术[J].现代商贸工业,2010,21:314～315[14]杨春发,张括.多支点锚桩支护结构计算方法及锚点位置优化的探讨[J].水利与建筑工程学报2008,6(2):81～82[15]徐扬清.深基坑支护结构的优化设计计算[J].岩土力学,1997,18