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​常见基坑支护工程设计与施工

futao 土方工程 2019-05-09 440 0
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常见基坑支护工程设计与施工

1重力式水泥挡土墙

重力式水泥挡土墙是利用加固后的水泥土体形成的块体结构,并以其自重来平衡土压力,使支护结构保持稳定。由于它具有施工简单、效果好的特点,并且还兼有止水作用,因此在基坑工程中得到了广泛应用。

重力式水泥挡土墙适用于黏性土、粉土、砂土等土类的基坑,基坑深度不宜大于6m。水泥土搅拌桩不适用于厚度较大的可塑及硬塑以上的软土、中密以上的砂士。加固区地下如有大量条石、碎砖、混凝土块、木桩等障碍时,一般也不适用。对于泥炭土、泥炭质土及有机质土或地下水具有侵蚀性时,应通过试验确定其适用性。

1.水泥土的主要物理力学性质

水泥土是通过搅拌机械钻进、喷浆,将水泥浆与土强制搅拌而形成的,它的物理力学性能比原状土改善很多。

(1)水泥土的物理性质。水泥土的重度与水泥掺入比及搅拌工艺有关,水泥掺入比大,水泥土的重度也相应较大。水泥掺入比是单位重量土中的水泥掺量。当水泥掺入比在8%~20%,水泥土重度比原状土增加2%~4%,而其含水率w比原状土降低7%~15%。

水泥土具有较好的抗渗性能,其渗透系数k一般在10-7~10-8cm/s,水泥土的抗渗性能随水泥掺入比提高而提高。

(2)水泥土主要力学性质。

1)抗压强度和抗拉强度。实验室试验在水泥掺量12%~15%的情况下,水泥土无侧限抗压强度qu可达0.5~2.0MPa,工程中在原位钻心取样的试验强度一般在0.5~0.8MPa,比原状土提高几十倍乃至几百倍。水泥土强度随龄期的增长而提高,可持续增长至120d,以后增长趋势才成缓慢趋势。

水泥土抗拉强度qt与抗压强度有一定关系,一般情况下,q=(0.15~0.25)qu。

2)抗剪强度。水泥土抗剪强度随抗压强度增加而提高,但随着抗压强度增大,抗剪强度增幅减小。当水泥土qu-0.5~2.0MPa时,其黏聚力c在0.1~1.1MPa,即为qu的20%~50%。

其摩擦角p在200~30°。

3)变形特性。试验表明,水泥土的变形模量与无侧限抗压强度有一定关系,当qu=0.5~

2.0MPa时,其50d的变形模量E=(120~150)qu。

2.重力式水泥土墙的设计

(1)稳定性验算。重力式水泥土墙稳定性验算包括倾覆稳定性、滑移稳定性和整体稳定性等的验算。水泥土墙的倾覆和滑移稳定都有赖于重力和主、被动土压力的平衡,因此,重力式水泥土墙的位移一般较大,有时会达到开挖深度的1/100甚至更多。

(2)位移计算。重力式支护结构的位移在设计中应引起足够重视,由于重力式支护结构的倾覆和滑移稳定都有赖于被动土压力的作用,而被动土压力的发挥是建立在挡土墙一定位移基础上的。因此,重力式支护结构发生一定量的位移是必然的,设计的目标是将该位移量控制在工程许可的范围内。水泥土墙的位移可用“m”法等计算,但其计算较复杂。

3.水泥土搅拌桩的施工

(1)施工机械。水泥土搅拌桩机的组成由深层搅拌机(主机)、机架及灰浆搅拌机、灰浆泵等配套机械组成,如图6-6所示。

图6-6水泥土搅拌桩机

图6-6水泥土搅拌桩机

1一主机;2一机架;3一搅拌轴;4一搅拌叶;5一注浆孔;6一灰浆拌制机组;

7一灰浆泵;8一储水池;9一电缆;10一输浆管;11一水管

水泥土搅拌桩机常用的机架有三种形式:塔架式、桅杆式及履带式。前两种构造简便、易于加工,在我国应用较多,但其搭设及行走较困难。履带式的机械化程度高,塔架高度大,钻进深度大,但机械费用较高。

(2)施工工艺。搅拌桩成桩工艺可采用“一次喷浆、二次搅拌”或“二次喷浆、三次搅拌”工艺,主要依据水泥掺入比及土质情况而定。水泥掺量较小,土质较松时,可用前者,反之可用后者。

“一次喷浆、二次搅拌”的施工工艺流程,如图6-7所示。当采用“二次喷浆、三次搅拌”

工艺时可在图示步骤5作业时也进行注浆,以后再重复步骤4与步骤5的过程。

水泥土搅拌桩施工中应注意水泥浆配合比及搅拌速度、水泥浆喷射速率与提升速度的关系及每根桩的水泥浆喷注量,以保证注浆的均匀性与桩身强度。施工中还应注意控制桩的垂直度及桩的搭接等,以保证水泥土墙的整体性与抗渗性。

图6-7“一次喷浆、二次搅拌”施工流程

图6-7“一次喷浆、二次搅拌”施工流程

1一定位;2一预埋下沉;3一提升喷浆搅拌;4一重复下沉搅拌;5一重复提升搅拌;6一成桩结束

2板桩式围护结构

板式支护结构由两大系统组成:挡围护墙和支撑(或拉锚),如图6-8所示,悬臂式板桩支护结构则不设支撑(或拉锚)。

图6-8板式支护结构

图6-8板式支护结构

1一板桩墙;2一围擦;3一钢支撑;4一斜撑;5一拉锚;6一土锚杆;7一先施工的基础;8一竖撑

围护墙系统常用的材料有槽钢、钢板桩、钢筋混凝土板桩、灌注桩及地下连续墙等。钢板桩之间通过锁口互相连接,形成一道连续的挡墙。由于锁口的连接,使钢板桩连接牢固,形成整体,同时也具有一定的隔水能力。钢板桩截面积小,易于打入。U形、Z形等波浪式钢板桩截面抗弯能力较好。

支撑系统一般采用大型钢管、H型钢或格构式钢支撑,也可采用现浇钢筋混凝土支撑。

拉锚系统的材料一般用钢筋、钢索、型钢或土锚杆。根据基坑开挖的深度及挡墙系统的截面性能可设置一道或多道支点。基坑较浅,挡墙具有一定刚度时,可采用悬臂式挡墙而不设支点。支撑或拉锚与挡墙系统通过围檩、冠梁等连接成整体。

以下介绍有关板桩的计算方法,其他形式的板式支护结构计算也与其类似。

1.板桩计算

由于悬臂板桩弯矩较大,所需板桩的截面大,且悬臂板桩的位移也较大,故多用于较浅基坑工程。一般基坑工程中广泛采用支撑式板桩。

总结板桩的工程事故,其失败的原因主要有五个方面(图6-9):①板桩的入土深度不够,在土压力作用下,板桩的入土部分走动而出现坑壁滑坡;②支撑或拉锚的强度不够;③拉锚长度不足,锚碗失去作用而使土体滑动;④板桩本身刚度不够,在土压力作用下失稳弯曲;

⑤板桩位移过大,造成板桩变形及桩背土体沉降。为此,板桩的入土深度、截面弯矩、支点反力、拉锚长度及板桩位移称为板桩的设计五大要素。

图6-9板桩的工具事故

图6-9板桩的工具事故

(a)板桩下部走动;(b)拉锚破坏;(c)支撑破坏;(d)拉锚长度不足;(e)板桩失稳弯曲;(f)板桩变形及桩背土体沉降板桩的精确计算较为困难,主要是插入地下部分属超静定问题,其土压力分布状态难以精确确定,目前的计算方法也有多种,如弹性曲线法、竖向弹性地基梁法、相当梁法等。

2.板桩墙的施工

板桩墙的施工根据挡墙系统的形式选取相应的方法。一般钢板桩、混凝土板桩采用打入法,而灌注桩及地下连续墙则采用就地成孔(槽)现浇的方法。下面介绍钢板桩的施工方法。

板桩施工要正确选择打桩方法、打桩机械和流水段划分,以便使打设后的板桩墙有足够的刚度和良好的防水作用,且板桩墙面平直,以满足基础施工的要求,对封闭式板桩墙还要

求封闭合拢。

对于钢板桩,通常有三种打桩方法,如下。

(1)单独打入法。此法是从一角开始逐块插打,每块钢板桩自起打到结束中途不停顿。因此,桩机行走路线短,施工简便,打设速度快。但是,由于单块打入,易向一边倾斜,累计误差不易纠正,墙面平直度难以控制。一般在

钢板桩长度不大(小于10m)、工程要求不高时可采用此法。

(2)围橡插桩法。要用围橡支架作板桩打设

导向装置,如图6-10所示。围模支架由围橡和围橡桩组成,在平面上分单面围橡和双面围檩,高度方向有单层和双层之分。在打设板桩时起导向作用。双面围擦之间的距离,比两块板桩组合宽

度大8~15mm。

图6-10围橡插桩法

图6-10围橡插桩法

双层围橡插桩法是在地面上,离板桩墙轴线一定距离先筑起双层围橡支架,而后将钢板桩依次在双层围檩中全部插好,成为一个高大的钢板桩墙,待四角实现封闭合拢后,再按阶梯形逐渐将板桩一块块打入设计标高。此法优点是可以保证平面尺寸准确和钢板桩垂直度,但施工速度慢,不经济。

(3)分段复打桩。此法又称屏风法,是将10~20块钢板桩组成的施工段沿单层围橡插入土中一定深度形成较短的屏风墙,先将其两端的两块打入,严格控制其垂直度,打好后用电焊固定在围模上,然后将其他的板桩按顺序以1/2或1/3板桩高度打入。此法可以防止板桩过大的倾斜和扭转,防止误差积累,有利实现封闭合拢,且分段打设,不会影响邻近板桩施工。

打桩锤根据板桩打入阻力确定,该阻力包括板桩端部阻力,侧面摩阻力和锁口阻力。桩锤不宜过重,以防因过大锤击而产生板桩顶部纵向弯曲,一般情况下,桩锤重量约为钢板桩重量的2倍。此外,选择桩锤时还应考虑锤体外形尺寸,其宽度不能大于组合打入板桩块数的宽度之和。

地下工程施工结束后,钢板桩一般都要拔出,以便重复使用。钢板桩的拔除要正确选择拔除方法与拔除顺序,由于板桩拔出时带土,往往会引起土体变形,对周围环境造成危害。

必要时还应采取注浆填充等方法。

3土钉墙

土钉墙具有结构简单、施工方便、造价低廉特点,因此在基坑工程中得到广泛应用。土钉墙是通过钢筋、钢管或其他型钢对原位土进行加固的一种支护形式。在施工上,土钉墙是随着土方逐层开挖、逐层而将土钉体设置到土体中。此外,在土钉墙中复合水泥土搅拌桩、微型桩、预应力锚杆等可形成复合土钉墙。

1.土钉墙的设计

(1)整体稳定性验算。整体滑动稳定性可按图6-11所示,采用圆弧滑动条分法进行验算。

当基坑面以下存在软弱下卧土层时,整体稳定性验算滑动面中尚应包括由圆弧与软弱土层层面组成的复合滑动面。

图6-11土钉墙整体稳定性验算图式

图6-11土钉墙整体稳定性验算图式

1一土钉;2一喷射混凝土面层;3一滑动面

(2)坑底隆起稳定性验算。对基坑底面下有软弱下卧土层的土钉墙坑底隆起稳定性验算(图6-12)是将抗隆起计算平面作为极限承载力的基准面,根据普朗特尔(Prandtl)及太沙基(Terzaghi)极限荷载理论对土钉墙进行验算。

图6-12基坑底面下有软弱下卧土层的隆起稳定性验算

图6-12基坑底面下有软弱下卧土层的隆起稳定性验算

(3)土钉抗拔承载力。土钉极限抗拔承载力由土钉侧表的土体与土钉的摩阻力确定,土钉的锚固段不考虑圆弧滑动面以内的长度。单根土钉的极限抗拔承载力应通过抗拔试验确定,工程中也可按有关经验公式估算,但应通过土钉抗拔试验进行验证。

2.土钉墙的施工

(1)土钉墙的施工步骤。土钉墙的施工一般从上到下分层构筑,施工中土方开挖应与土钉施工密切结合,并严格遵循“分层分段,逐层施作,限时封闭,严禁超挖”的原则。土钉墙基本施工步骤,如图6-13所示。

1)基坑开挖第一层土体,开挖深度为第一道土钉至第二道土钉的竖向间距加作业距离(一般为0.5m)。

图6-13土钉墙的施工步骤

图6-13土钉墙的施工步骤

2)在这一深度的作业面上设置一排土钉、喷射混凝土面层,并进行养护。

3)向下开挖第二层土体,其深度为第二道土钉至第三道的竖向间距,并加上作业距离。

4)设置二排土钉并养护、喷射混凝土面层,并进行养护。

5)重复上述3)~4)步骤,向下逐层开挖直至设计的基坑深度。

每层土钉及喷射混凝土面层施工后应养护一定时间,养护时间不应小于48h。如土钉没有得到充分养护就继续开挖下层土方,则因上层土钉难以达到一定抗拔力而留下隐患。当基坑面积较大时,一般采用“岛式开挖”的方式,先沿在基坑四周内约10m宽度范围内分段开挖形成土钉墙,待四周土钉墙全部完成后再开挖中央土体,

(2)土钉和喷锚网施工。根据土层特性及工程要求可选用不同的施工工艺,土钉按设置的施工工艺可分为成孔注浆土钉和打入钢管土钉。前者是先进行钻孔,而后植入土钉,再进行注浆。钻孔植入的土钉杆体可采用钢筋、钢绞线或其他型材。打入式土钉的杆体多为钢管,我国工程常采用p48/3mm的钢管。

土钉注浆采用压力注浆,注浆材料可选用水泥浆或水泥砂浆。对成孔注浆土钉宜采用二次注浆方法,其中第一次注浆宜采用水泥砂浆,第二次则采用水泥浆。打入式土钉注浆一般采用一次注浆,浆液为水泥浆。浆液的水灰比宜取0.40~0.55,灰砂比宜取0.5~1.0。

喷射混凝土面层的厚度一般为80~100mm,混凝土强度等级不低于C20,钢筋网的钢筋为06~10mm,网格尺寸150~300mm。喷射混凝土一般借助喷射机械,利用压缩空气作为动力,将制备好的拌合料通过管道输送并以高速喷射到受喷面上凝结硬化而成的一种混凝土。

其施工工艺分为干喷、湿喷及半湿式喷射法三种形式。


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