深基坑開口型板式支護設(shè)計的關(guān)鍵因素分析

深基坑開口型板式支護設(shè)計的關(guān)鍵因素分析

0開口型板式支護結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵影響因素在基塊項目中，經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)以下兩個情況。(1)根據(jù)基坑開挖條件可采用自立式的圍護形式,但由于場地條件限制或周邊管線等約束,基坑的局部邊界不能采用自立式的圍護形式,而只能采用板式支護體系。(2)擬開挖的基坑采用板式支護體系,但基坑局部緊鄰既有建筑,該部分板式支護結(jié)構(gòu)無法施工。這兩種情況為基坑因條件所限,圍護結(jié)構(gòu)只能局部采用板式支護體系或者整體采用板式支護體系而局部無法采用該體系的情況,這兩種情況下基坑的板式支護體系均無法封閉,兩種不同圍護體系如何銜接、支撐結(jié)構(gòu)該如何布置,以及開口處如何進行有針對性的加強成為此類圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計的技術(shù)關(guān)鍵,與常規(guī)的基坑支護有著較大的不同。本文結(jié)合工程實例,論述了不同條件下開口型板式支護設(shè)計時需要考慮的關(guān)鍵因素,包括變形控制標(biāo)準(zhǔn)、支座設(shè)計、開口處交界點處理以及對鄰近建筑(或地下室)的保護措施等。常規(guī)基坑圍護設(shè)計中,板式圍護體系往往與支撐結(jié)構(gòu)相結(jié)合形成完整的板式支護體系。而開口型基坑板式支護因條件所限,板式圍護結(jié)構(gòu)不閉合,支撐結(jié)構(gòu)可能只在局部布置,無法形成完整的板式支護體系。在作受力分析時,由于其結(jié)構(gòu)不對稱,開口端應(yīng)力集中造成荷載不對稱,常規(guī)計算方法不能反映基坑結(jié)構(gòu)的實際受力情況,一般宜采用有限元軟件對開口型板式支護結(jié)構(gòu)進行整體分析計算。同時,還應(yīng)驗算開口端支座的剛度。本文針對開口型支撐的處理措施在大量的工程實踐中取得了良好的實施效果,值得在同類工程設(shè)計中借鑒和參考。1基坑安全構(gòu)設(shè)計開口型板式支護應(yīng)根據(jù)不同環(huán)境條件進行有針對性的設(shè)計,以確?；拥姆€(wěn)定及周邊建(構(gòu))筑物的安全,以下將介紹3種較典型的情況及相應(yīng)的設(shè)計方法。1.1斜拋撐機構(gòu)設(shè)計當(dāng)基坑的某部分受條件限制(比如鄰近道路或用地紅線等)只能采用板式支護,而其它部分可采用自立式圍護時,采用板式支護的區(qū)域可設(shè)置斜拋撐。斜拋撐一般可代替水平支撐來傳遞圍護結(jié)構(gòu)所受的側(cè)受力,但由于斜拋撐支撐傾斜角度有要求,且斜撐基礎(chǔ)與圍護結(jié)構(gòu)的距離也有限制,因此往往適用于開挖面積較大的基坑。為便于支撐施工,斜拋撐一般采用鋼支撐。其支撐的一端支承在圍護體的圍檁上,另一端則支承在斜撐支座上(如圖1所示)。因此,對于斜拋撐而言,設(shè)計的關(guān)鍵是支座和預(yù)留邊坡的合理設(shè)計。采用斜拋撐,支座的選擇非常重要。支座的水平剛度越大,越有利于變形的控制。通常的支座有3種:(1)利用已有的建筑結(jié)構(gòu)作為斜撐支座。當(dāng)基坑附近有已施工建筑結(jié)構(gòu)時,由于其底板或樓板的水平剛度較大,通?？勺鳛榱己玫闹ёＭ瑫r,該方式通常不需要基坑盆式開挖至坑底就可以安裝支撐,變形一般較小。但該方式需要有已施工的位置合適的建筑結(jié)構(gòu)為先天條件,其應(yīng)用受到一定的限制。(2)利用先施工的地下室底板作為斜撐支座。一般在基坑開挖時結(jié)合底板的沉降縫或施工縫,先進行盆式開挖至坑底,將中部底板形成,并在底板上設(shè)置牛腿作為斜撐支座。由于底板剛度大,可較好控制變形,在采用斜拋撐時往往就采用該方法。但由于底板往往需要增加施工縫,工期增長,且盆式開挖至坑底時圍護變形通常已經(jīng)較大,這些不足限制了該方式廣泛應(yīng)用。(3)采用加強的配筋墊層作為斜撐支座。此方法實質(zhì)上是第二種設(shè)計方法的改進,即在開挖至坑底后澆筑加強的配筋墊層作為斜撐支座。該方式可確保底板整體澆筑,縮短了工期,但由于支座的剛度不大,有可能出現(xiàn)斜撐與圍護結(jié)構(gòu)整體偏移的現(xiàn)象,因此常用于環(huán)境較為寬松的淺基坑。斜拋撐設(shè)計的另外一個關(guān)鍵因素是邊坡的預(yù)留。預(yù)留邊坡寬度過大,變形相對小,但支撐偏長,可能要增加立柱,造價高;預(yù)留邊坡寬度過小,則圍護體的變形較大。1.2水平角撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計在有條件時,開口型板式圍護結(jié)構(gòu)應(yīng)適當(dāng)配合設(shè)置水平支撐。水平支撐體系可結(jié)合板式圍護結(jié)構(gòu)的形態(tài)來設(shè)置:當(dāng)基坑的開口型板式圍護結(jié)構(gòu)成“L”型時,其局部支撐體系通常設(shè)置水平角撐,如圖2所示。當(dāng)采用水平角撐時,角撐處支座設(shè)計是關(guān)鍵。通常,角撐處可采用已有建筑結(jié)構(gòu),或采用攪拌樁重力壩或加強后的攪拌樁重力壩(即在攪拌樁重力壩內(nèi)增設(shè)鉆孔灌注樁或H型鋼等加強支座剛度)等具有一定剛度的結(jié)構(gòu)體系作為支座。同時,還應(yīng)注意在開口處的交界面地方采用增強圍護體的剛度、設(shè)置L型支撐、增強不同圍護形式之間的聯(lián)系等措施,來減小圍護結(jié)構(gòu)差異變形,防止圍護產(chǎn)生裂縫。而當(dāng)開口型板式支護的基坑成“U”型時,通常可采用水平“角撐+對撐(+邊桁架)”來解決,如圖3所示。1.3結(jié)構(gòu)的開放性當(dāng)基坑開挖較深,附近緊鄰既有建筑,且基坑挖深不超過既有建筑基礎(chǔ)埋深時,在采用開口型板式圍護結(jié)構(gòu)時,由于涉及對既有建筑的保護,變形控制較嚴(yán),若采用前述兩種設(shè)計方法,難以達到變形控制要求,因而應(yīng)采用整體性較好的封閉式水平支撐。見圖4。采用該設(shè)計方法時,板式圍護與已建建筑的交界面是處理關(guān)鍵,同時,支撐與已建建筑結(jié)構(gòu)的連接,也是設(shè)計及施工的難點所在,在設(shè)計中應(yīng)引起注意。2開口式裝飾的重要因素開口型板式支護應(yīng)充分考慮支護體系不封閉帶來的影響,包括強度、變形及穩(wěn)定等。2.1地下管線變形控制標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)基坑局部采用板式支護體系時,周邊一般臨近建筑物、地下管線等保護對象。在設(shè)計前應(yīng)充分調(diào)查保護對象的現(xiàn)狀,摸清建筑物的基礎(chǔ)形式、結(jié)構(gòu)類型、傾斜、已有裂縫及沉降等情況,對地下管線的類型、年代、材質(zhì)、已有變形情況進行記錄,確定變形控制標(biāo)準(zhǔn),確定合適的支護形式。表1為開口型板式支護基坑變形影響因素。2.2采用實用的設(shè)計公式采用開口型板式支護時支撐的支座必須進行強度驗算,變形計算更多依賴于經(jīng)驗。通常的設(shè)計步驟為:(1)在開口端設(shè)置假定支座,可根據(jù)實際連接情況設(shè)定為鉸接或固接。(2)建立有限元計算分析模型,進行支撐整體分析計算,求出支撐內(nèi)力。(3)根據(jù)開口端支撐的內(nèi)力計算支座承受的荷載。(4)計算支座的承載力,驗算支座的強度。當(dāng)采用斜拋撐體系時,支座設(shè)計應(yīng)驗算大底板或配筋加厚墊層與基底土之間的抗剪強度,并考慮對工程樁的不利影響。筆者根據(jù)受力平衡條件推導(dǎo)出如下的實用的設(shè)計公式用于驗算支座抗剪強度:式中Fk為支撐內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值;Gk為大底板或配筋加厚墊層等支座的自重標(biāo)準(zhǔn)值;θ為斜拋撐與水平面夾角;γF為荷載分項系數(shù),一般可取1.25;γR為承載力分項系數(shù),一般可取1.0;μ為支座與基底土之間的摩擦系數(shù),一般可取0.15~0.25。當(dāng)采用開口水平支撐時,支座設(shè)計應(yīng)考慮端部支座的抗剪能力。同時,在開口交界點,應(yīng)考慮由于不同支護形式而引起的差異變形問題,通常宜設(shè)置加強型節(jié)點。實用的設(shè)計公式為式中Gk為支座剪切面以上的自重標(biāo)準(zhǔn)值;β為剪切面的摩擦系數(shù),若為攪拌樁重力壩,則一般可取0.2~0.3;其余各量的物理意義同式(1)。當(dāng)采用封閉水平支撐時,支撐受力較好,可不設(shè)置專門的支座。但板式支護開口交界點處仍需考慮差異變形問題。2.3已建室穩(wěn)定驗算在既有建筑或地下室的一側(cè)或多側(cè)進行基坑開挖時,已建地下室則會承受兩側(cè)的土壓力差。這時,應(yīng)對已建地下室的穩(wěn)定進行驗算。計算可參考式(2),此處Fk為按靜止土壓力計算所得的已建地下室一側(cè)的水土壓力,Gk為已建地下室及其上部結(jié)構(gòu)自重,β為已建地下室與基底土之間的摩擦系數(shù),通常不考慮工程樁的有利作用,一般可取0.15~0.25。3工程實例以下通過兩個已完成的工程實例來介紹以上所述開口型板式支護體系的設(shè)計要點的應(yīng)用情況。3.1基坑圍護方案上?；纠霞?zhèn)改造基地2號地塊位于上海市浦東浦建路以東、杜鵑路以南地塊?；用娣e約9600m2,號樓挖深約3.15m,車庫挖深約5m?；幽蟼?cè)及西南角鄰近6層淺建筑物,因而在鄰近已有建筑的區(qū)域采用板式圍護加斜拋撐的支護形式,其余區(qū)域采用攪拌樁重力壩自立式圍護結(jié)構(gòu),如圖5圍護及支撐平面圖所示。在基坑南側(cè)西部,基坑距離建筑物約5m,采用φ750@950鉆孔灌注樁圍護,設(shè)一道鋼支撐支承在已施工的號樓基礎(chǔ)上。在南側(cè)東部,基坑距離建筑物約10~15m,采用φ650@850鉆孔灌注樁圍護,設(shè)一道鋼支撐支承在加強的配筋墊層上。圖6為支承在已有建筑和加強配筋墊層的剖面圖。根據(jù)基坑監(jiān)測的資料,基坑圍護測斜變形一般為25~40mm,建筑物沉降一般在20~30mm。基坑支護結(jié)構(gòu)較好的保護了周邊建筑物的安全。3.2基坑工程圍護方案新外灘A型樓(以下簡稱A樓)位于上海東大名路以南、公平路以西地塊?；用娣e約5130m2,圍護長度約285m,基坑開挖深度約8.85~9.75m。基坑?xùn)|側(cè)緊鄰公平路、北側(cè)緊鄰東大名路,其下均有大量市政管線;基坑西側(cè)約12m為某高層建筑;基坑南側(cè)為已封頂?shù)?7層高的F型樓(以下簡稱F樓,其下設(shè)2層地下室,基礎(chǔ)埋深約9.8m),F樓地下室底板與擬建的A樓地下室底板凈距為0.05m,兩者地下室外墻凈距1.2m,F樓的原圍護灌注樁位于擬建的A樓基礎(chǔ)下方。本項目基坑圍護設(shè)計時,根據(jù)周邊的環(huán)境條件采用了開口式板式圍護及開口式水平支撐。圍護采用φ800@1000(L=18.2m)鉆孔灌注樁,外圍設(shè)φ700@500(L=16m)雙排兩軸水泥土攪拌樁止水;支撐采用“角撐+對撐(+邊桁架)”形式,如圖7所示。本基坑設(shè)計時,板式支護結(jié)構(gòu)體系在鄰近F樓處形成開口,針對前述的技術(shù)難點采取如下處理方式,主要考慮以下3方面:(1)與F樓交界處進行加強處理(1)圍護樁的處理:在圍護交界處,鉆孔灌注樁盡量施工至原灌注樁附近;外圍攪拌樁止水帷幕施工在該側(cè)難以連續(xù)塔接,因此在其外側(cè)設(shè)置旋噴樁補強;(2)支撐的處理:第一道圍檁與F樓的圍檁相連,第二道圍檁錨入F樓外墻和圍護灌注樁之間,盡量保證該節(jié)點為剛結(jié)點。(2)開口處支撐節(jié)點采取加強措施由于支撐為U型開口支撐,圍檁軸力較大,沿圍檁方向圍檁與圍護樁之間存在較大的剪力。第一道圍檁與圍護灌注樁鋼筋相連,可抵抗剪力;在第二道圍檁標(biāo)高處植鋼筋到圍護灌注樁內(nèi),植筋另一端錨入第二道圍檁,以抵抗剪力。(3)對基坑南側(cè)既有的F樓穩(wěn)定性分析對南側(cè)F樓而言,隨著A樓基坑向下開挖,該側(cè)原有圍護樁的鑿除,F樓地下室北側(cè)將形成一個臨空面,南側(cè)的土壓力由F樓的樁基和基底摩擦力承擔(dān)。因此,本次設(shè)計中對F樓進行了整體穩(wěn)定、抗傾覆及抗滑移穩(wěn)定性等方面的分析計算。經(jīng)精心設(shè)計及良好的施工,該基坑工程已成功完成?；訃o測斜變形一般約25~30mm,最大變形位于基坑北側(cè)的東大名路上,與設(shè)計計算相吻合。東大名路下市政管線最大沉降約12mm,變形控制達到良好的效果。4開口型支撐設(shè)計結(jié)合筆者的工程經(jīng)驗,對開口型板式支護深基坑工程幾種典型情況進行了分析總結(jié)。(1)開口型板式支護的支撐形式多樣,應(yīng)根據(jù)基坑開挖深度、規(guī)模