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挡土结构与基坑工程课程报告2013-2014学年第一学期1、基坑支护结构有哪些类型?请画出常用的基坑支护结构示意简图。答:基坑的总体支护方案主要分为顺作法和逆作法两种基本形式,有时也可组合使用形成顺逆结合法。基坑支护结构类型可分为:(1)钢板桩围护墙 钢板桩是一种带锁口或钳口的热轧(或冷弯)型钢,钢板桩打入后靠锁口或钳口相接咬合,形成连续的钢板桩围护墙,用来挡土和挡水。 (a)U型钢板(b)H型钢板图1 钢板桩围护墙平面示意图(2)钢筋混凝土板桩围护墙 钢筋混凝土板桩围护墙是由钢筋混凝土板桩构件连续沉桩后形成的基坑围护结构。图2 钢筋混凝土板桩立面示意图图3 钢筋混凝土板桩平面示意图(3)灌注桩排桩围护墙 灌注桩排桩围护墙是采用连续的柱列式排列的灌注桩形成了围护结构, 灌注桩排桩外侧可结合工程的地下水控制要求设置相应的隔水帷幕。 工程中常用的灌注桩排桩的形式有分离式、双排式和咬合式。图4 灌注桩与隔水帷幕的立面示意图(a)分离式排桩 (b)双排式排桩(c)咬合式排桩图5 灌注桩排桩围护墙水平示意图(4)水泥土重力式围护墙 水泥土重力式围护墙是以水泥系材料为固化剂,通过搅拌机械采用喷浆施工将固化剂和地基土强行搅拌,形成具有一定厚度的连续搭接的水泥土柱状加固体挡墙。同时可结合重力式挡墙的水泥土桩形成封闭隔水帷幕,止水性能可靠。图6 水泥土重力式围护墙立面示意图(5)型钢水泥土搅拌墙(SMW) 型钢水泥土搅拌墙是一种在连续套接的三轴水泥土搅拌桩内插入型钢形成的复合挡土隔水结构。(a)型钢密插型(b) 型钢插二跳一(c)型钢插一跳一图7 型钢水泥土搅拌墙平面示意图(6)地下连续墙地下连续墙可分为现浇地下连续墙和预制地下连续墙两大类,现浇地下连续墙是采用原位连续成槽浇筑形成的钢筋混凝土围护墙,预制地下连续墙是在常规成槽后,插入预制构件并在构件间采用现浇混凝土将其连成一个完整的墙体。图8 现浇地下连续墙平面示意图(a)一字型槽段 (b)L型槽段 (c)T型槽段图9 地下连续墙不同类型槽段示意图地下连续墙具有挡土和隔水双重作用,适用于开挖深度大于10m的深基坑。地下连续墙既是围护结构,同时也是主体结构的一部分,常可采用逆作法施工。(7)土钉墙 土钉墙主要由密布于原位土体中的细长杆件土钉、粘附于土体表面的钢筋混凝土面层及土钉之间的被加固土体组成,是用于土体开挖时保持基坑侧壁或边坡稳定的一种挡土结构。土钉墙也与各种隔水帷幕、微型桩及预应力锚杆(索)等构件结合起来,又可形成复合土钉墙。图10 土钉墙基本形式剖面示意图2、请阐述边坡稳定性分析方法有哪些?分析时如何考虑支护结构的作用?在处理支护结构时不同类型分析方法是如何考虑的?答:一、边坡稳定性分析方法分为传统分析方法、数值分析方法及边坡稳定性分析新方法。 (1)传统分析方法包括:工程地质类比法属于定性分析方法,综合考虑各种影响边坡稳定的因素,迅速地对边坡稳定性及其发展趋势作出估计和预测,但经验性强,因地而异。主要分为历史分法、因素类比法、类型比较法和边坡评比法等。边坡稳定性图解法属于定性分析方法,分为诺模图法和赤平投影图法,前者主要应用于具有圆弧形破坏面的滑坡,后者主要用于岩质边坡稳定性分析。图11 赤平投影图法示意图极限平衡分析法极限平衡法是最经典的稳定性分析方法,假定边坡的岩土体破坏是由于边坡内产生了滑动面,部分坡体沿滑动面滑动而造成的,具体滑动面形状可以为直线型、圆弧型及折线型等。主要包括整体圆弧滑动法、瑞典条分法、毕肖普条分法、简布法及不平衡推力法。图12 瑞典条分法示意图块体单元法块体单元法介于极限平衡法和有限元法之间,兼有两者的优点,特别适用于如裂隙岩体那样的非连续介质问题中。(2)数值分析方法包括:有限元法有限元法是一种十分成熟的数值方法,最大优点是可分析任何形状的几何体,不但能进行线性分析还可进行非线性分析。目前主要分为基于滑裂面应力的有限元分析及基于强度折减的有限元分析。离散元法离散元法是由Cundall P A首先提出并应用于岩土体稳定性分析的。离散元法将研究区域划分成一个个多边形块体单元,单元间建立接触关系,只利用力的平衡方程来解决问题。原理虽然简单,但在解决非连续介质大变形问题时是非常适用的。无界元法为了克服有限元法在计算时其计算范围和边界条件不易确定的这一缺点,Bettess P于1977年提出了无界元方法。它有效地解决了有限元方法的边界效应,同时显著地减小解题规模,提高求解精度和计算效率,目前常常与有限元法联合使用。其他数值分析方法在边坡稳定性分析的数值方法中,连续介质快速拉格朗日法(FLAC法)、块体介质不连续变形分析法(DDA)、集中质量法、剪切梁法、流形元法等都有所发展,同时各种新技术、新理论不断应用于边坡问题分析中,使其不断丰富与发展。(3)边坡稳定性分析新方法主要包括可靠度评价方法、模糊综合评判方法、灰色统计判别法、模式搜索法、人工神经网络方法及遗传算法。二、边坡稳定性分析中考虑支护结构作用天然边坡一般无支护结构,只有人工边坡为保证其稳定性需要增加支护结构,如各种挡土墙,土钉支护结构等。而传统的边坡稳定性分析方法中,工程地质类比法与图解法均不能很好地考虑支护结构的作用,尤其是定量地计算支护结构的反力。而对于极限平衡分析法,则较容易考虑支护作用。如在不平衡推力法中,计算的剩余下滑力即为支护结构所需提供的抗滑力,即作为设计抗滑桩或者重力式挡墙的依据。在条分法中,沿可能的滑动面考虑土钉或者锚杆的作用力,再进行稳定性计算即可。数值计算方法中考虑支护结构作用较为简便,常采用的是有限元法进行计算,需要定义支护结构的材料特性以及与土体的接触关系,保证两者位移协调,剩余的计算工作与常规一致。但目前研究重点在于土与结构的相互作用,即如何解决土体与支护结构的接触问题,通常的方法是采用接触面单元,将非连续问题转化为连续问题以便于进行有限元计算。3、挡土墙主要有哪些类型?加筋挡土墙相比传统普通挡土墙有什么特点?答:常用的挡土墙的类型包括重力式、悬臂式、扶壁式和板桩式等等。其中(1)重力式挡土墙一般由块石或混凝土砌筑,墙身截面较大,依靠其自重维持墙体的稳定性。其结构简单、施工方便,能就地取材,在建筑工程中应用广泛。图13 三种重力式挡土墙示意图(2)悬臂式挡土墙一般由钢筋混凝土的立壁、墙面板、墙趾板或墙踵板构成。墙的稳定主要依靠墙趾或墙踵悬臂以上土重维持。图14 悬臂式挡土墙示意图(3)扶壁式挡土墙其结构型式与悬臂式挡土墙相似。当墙高大于10m时,为增加立壁的抗弯性能,常在墙的纵向一定距离设置一道扶壁,使它与立壁、墙面板、墙趾板或墙踵板连在一起减少墙的剪力和弯距,增加扶壁的抗弯刚度。(4)板桩式挡土墙按结构形式可分为悬臂式和锚定式两大类:悬臂式板桩墙的顶部为自由端,下部固定在地面以下,利用插入土中部分维持整体平衡;锚定式板桩墙在顶部或顶部附近加一道锚定拉杆则插入土中的长度和断面可大大减小。图15 板桩式挡土墙 加筋挡土墙相比于传统挡土墙的特点:(1)加筋土的各种构件均可以预先制作,在现场分层填筑。施工简便,对施工机械要求低,施工简便快速,并且节省劳力和缩短工期;图16 加筋挡土墙示意图(2)加筋土挡土墙占地面积和建设过程中所需场地小。由于墙面板可以垂直砌筑,从而可以大量减少占地,这在土地珍贵或场地受限的地区有着重要意义;(3)加筋土结构能够适应一定的地基变形,允许发生不均匀沉降。软土地基可以不作处理,或者简单处理即可;(4)加筋土结构是柔性结构物,能吸收地震的能量,因而抗振动性强,防震性能好;(5)加筋土挡土墙造价低廉。与钢筋混凝土挡土墙相比,可减少造价一半左右,与石砌重力式挡土墙相比,也可节约20%以上。(6)挡土墙的总体布设和墙面板的形式图案可根据周围环境特点和需要进行设计,并使之拼装成造型美观的建筑物,改善道路景观。4、请通过查阅文献等方式调查上海和北京的地铁基坑施工资料,对比两地铁车站基坑支护方式的各自特点。(提示:请考虑常用的基坑支护结构类型有哪些?分别适用于何种地质条件和工程类型?计算方法和理论的特点是什么?施工时应注意哪些问题?)答:一、上海与北京两地的地质条件 上海与北京两地的地层地质条件差异很大,从总体上来说,北京地区的地质条件优于上海地区,但两地的典型地层分布均有其特点,所产生的基坑工程中的问题也有差异,因此应当区别对待。下面两张图为北京与上海的典型地层分布示意图: (a)北京地区 (b)上海地区图17 典型土层分布示意图从获取资料中总结分析可以得出:(1)北京与上海的地层分布无论从土性上还是厚度分布上均有很大的差异。北京地区以砂卵石层为主,地基承载力高且渗透系数大,而上海地区以粉质黏土、淤泥质黏土为主,夹有粉细砂层,地基承载力低且多处于软塑、流塑状态,具有流变性。(2)两地的地下水位差别也十分明显,这在基坑工程中是一个重要因素:北京地区地下水位主要在20m至25m,而上海地区地下水位多处在1.0m-2.0m。因此,在北京地铁基坑施工过程中常较少考虑地下水的影响,而上海基坑工程几乎都要针对地下水采取相应的降水或隔水措施。(3)下面的表格总结了北京与上海地区的典型地层特性:地区典型地层特点北京粉质黏土、粉砂、砂卵石粉质黏土:土体密实度高,渗透系数小,自稳能力好,但黏结力较大;粉砂和砂卵石:中密-密实,渗透系数大,土体间胶结力小,自稳能力较弱,易产生流砂、涌水等。上海淤泥质土层、粉质黏土、粉细砂淤泥质粉质黏土:孔隙比大,含水量高,土层渗透系数小,流塑、土质不均,属高压缩性土;粉质黏土:高灵敏度,高压缩性土,土质较差;粉细砂:含水率高,孔隙比大。表1 两地典型土层特点对比二、两地地铁车站基坑的支护结构的类型基坑工程具有很强的区域性与综合性 ,多为临时性结构且工程风险程度大,具有较强的时空效应。同时城市中基坑工程的周围环境一般较为复杂,需考虑施工对周边建筑及地下管线的影响。上述问题及特性在深基坑工程中则更加明显,地铁车站基坑一般属于深基坑工程,而两地在地铁车站深基坑项目中均积累大量的经验,提供充足的工程案例。从所获取地铁车站基坑工程实例中,可以总结出两地在支护结构选择上的主要差异:上海地铁基坑工程多采用地下连续墙+内支撑的形式,如地铁1号线上海体育馆站(钢支撑)、6号线东方体育中心站(三线换乘)、11号线隆德路站(钢支撑+混凝土支撑);也可使SMW搅拌桩、钻孔灌注桩或高压旋喷桩,但多用于端头井地基加固,如1号线常熟路站,9号线漕河泾开发区站(双线换乘+控制中心)。北京地铁基坑工程一般采用灌注桩+内支撑的形式,如地铁4号线西四车站,14号线平乐园站;也部分基坑采用桩锚支护体系,可使用一桩一锚或两桩一锚,如4号线大兴线义和庄站;另外常采用明挖法与暗挖法相结合的方式,如10号线光华路站(洞桩法施工)及亮马桥站(两端明挖+中间暗挖)。现以两个具体的工程案例加以分析,了解两地典型的支护结构类型及相关设计问题:(1)上海地铁4号线西藏南路站上海地铁4号线二期西藏南路站位于黄浦区西南部西藏南路与中山南路交汇处。车站东西向布置本车站主体结构为地下三层三跨结构,覆土厚度3.9m。车站外包长约 171.62m,宽约23.12m,车站标准段基坑开挖深度约23m,端头井开挖深度约25 m。车站主体结构采用1000mm 厚地下连续墙标准段,墙深38m,端头井墙深40m。支撑体系采用60916钢管支撑,标准段6道,端头井7道,钢支撑安装过程中需预加支撑轴力。基坑中间位置设钻孔灌注桩带格构柱,共计16根。车站主体结构基础底部及-11.85m标高处,各有一层2.5m厚抽条加固区,加固宽度3000mm,端头井部分“井”字型布置,加固采用三重管旋喷,在车站开挖前应对端头井圆洞门外土体进行加固。(2)北京地铁14号线平乐园站北京地铁14号线平乐园站是北京市地铁十四号线工程的一个中间站,车站位于北京市朝阳区西大望路与南磨房路交叉口北侧,沿西大望路南北向布置。车站为地下3层,双柱三跨岛式站台车站,站台宽度12m。本车站基坑周边环境条件复杂,环境保护要求条件较高,道路下方管线密集。若采用常规的明挖顺做法设计,交通疏解、管线迁改需分多期进行,工期上不可控,也难以满足现状通行能力,综合考虑确定本基坑采用盖挖逆筑法施工。车站基坑深度为22.924.25m,车站中心覆土约为3.1m,标准段宽度为21.1m。车站基坑围护结构采用钻孔灌注桩+内支撑形式,主体基坑围护结构采用10001400mm钻孔灌注桩,其余部位采用10001500mm钻孔灌注桩;钻孔桩的插入深度根据基坑的变形、稳定性、周边建筑物的保护确定。由于基坑底进入层间水微承压水层,本站采用基坑内、外降水。为防止水土流失导致楼房产生较大沉降,拟在楼房范围内的围护桩间施做800mm旋喷桩防止由于层间水的降水效果不好引起土体涌水涌砂。三、两地深基坑计算方法及理论基坑工程的设计计算一般包括三方面的内容,即稳定性验算、支护结构强度设计和基坑变形计算。其中:(1)稳定性计算包括边坡整体稳定性验算、支护结构抗滑移及抗倾覆稳定性验算、坑底土体抗隆起及抗渗流稳定性验算等,根据常规稳定性计算方法即可。其中稳定性分析中应当重视地下水的作用,尤其是具有承压性的地下水。(2)支护结构的内力变形计算方法主要包括极限平衡分析法,弹性地基梁法以及有限元方法。同时根据不同支护结构类型,包括悬臂式支护结构、单(多)层支点混合支护结构、重力式支护结构及拱式支护结构,具体计算方法有所不同,可查相关实用内力计算手册。(3)基坑变形计算包括围护墙体变形(水平变形与竖向变位)、坑底隆起变形、地表沉降变形以及坑外土体位移场。基坑变形的估算方法分为理论、经验算法与数值计算方法,前者利用基坑变形机理的理论研究和监测数据为设计提供理论和实测依据,而数值计算方法在现在的基坑工程应用也越来越广泛。 上海因其特有的流变性软土,在基坑开挖工程中不仅要求基坑支护结构具有足够的强度以及基坑稳定,而且对于变形也提出了严格的限制,而且很多情况下变形控制往往起决定作用。上海地区经多年实践表明,时空效应理论是进行基坑变形控制和预测的一种行之有效的方法:在软土基坑开挖中,适当减小每步开挖土方的空间尺寸,并减少每步开挖所暴露的部分基坑挡墙的未支撑前的暴露时间,是考虑时空效应、科学地利用土体自身的控制地层位移的潜力,解决软土深基坑稳定和变形问题的基本对策。此方法的主要特点是设计与施工密切结合,把施工工序和施工参数作为必需的设计依据,并以切实执行施工工艺和施工参数作为实现实际要求的保证。其核心在于合理可靠地选取施工工序和施工参数,就能再设计中科学定量地考虑以时空效应为主要特征的施工因素。考虑时空效应的开挖与支撑施工工艺如图所示:图18 基于时空效应的开挖与支撑施工流程图由于基坑设计计算是一个十分复杂的工程,需要不断通过观测数据进行参数反演进而优化设计方案,在如今的工程应用中,越来越多的计算软件的运用为工程设计人员提供便利,其中较为有名的包括同济启明星软件,PKPM深基坑支护软件,FLAC3D数值软件等。四、两地地铁车站基坑施工注意问题及影响两地的基坑工程在围护结构以及设计计算理论上均有所差异,在施工过程中可能产生的问题也是各有不同。上海深基坑工程经过多年工程实践以及实测数据,已积累了大量的施工经验,但在这个过程中仍不可避免地产生不少基坑事故。在施工所产生的问题中,最主要的原因还是地下水,包括由基坑降水引发的地面沉降、地下水流动引起的管涌及流砂现象、承压水引起的坑底变形隆起。当然基坑工程中还应注意支撑结构的内力及变形情况,及时进行支撑、随时进行监测,并且根据实测数据对基坑进行安全评价。对于上海的地铁基坑工程项目,降水工程设计是十分重要的一部分,通常采用井点降水设计。由于降水工程会引发周围的地面沉降,因此现在的降水工程常需运用的合理的地下水渗流模型进行数值模拟。而且近来基坑工程在降低坑内水位同时,为保护周边环境安全越来越多地采用地下水回灌保证坑外一定区域内水位下降较小,从而减小对周围建筑的影响。北京地区因其地质条件较好,在地铁车站基坑工程中所产生的问题大多没上海地区严重,但对于基坑变形问题也是十分重视的。另外由于北京地下常见砂卵石层,其渗透系数大、常含粉细砂,因此流砂问题也是值得考虑的。北京地区与上海在施工过程中另一个不同在于北京冬季温度最低可至零下15到20度,因此冬季施工应当受到更多重视。一般施工时需采用大棚覆盖加热措施,以防混凝土受冻,保证施工质量,同时模板加工、安装均在棚内进行。而混凝土工程施工措施主要从原材料的选用、温度控制,混凝土的拌和、运输、测温养护以及温度裂缝的控制等进行考虑。、由于北京与上海两地都是一线城市,市内建筑群密集、交通繁忙,而传统的地铁基坑施工有不可避免地对市政交通产生影响,因此两地近年来越来越多地关注盖挖法施工。盖挖法是首先修筑临时路面系统、然后在路面系统下修建地下结构的施工方法的通称。采用盖挖法施工, 既能减少对地面交通和周围环境的影响, 又保证施工进度和预期的技术经济效益,可以满足工程实施的要求。上海11号线愚园路站,以及北京14号线平乐园站均采用盖挖法施工,均取得不错的施工效果。五、参考文献1.刘建航,候学渊. 基坑工程手册M. 中国建筑工业出版社, 2009.2. 基坑工程实例M. 中国建筑工业出版社, 2008.3. 2012 JGJ. 建筑基坑支护技术规程 SD. , 2012.4. 61-2010 DGTJ. 上海市工程建设规范/基坑工程技术规范 SD. , 2010.5. 深基坑支护结构实用内力计算手册M. 中国建筑工业出版社, 1995.6. 王玉平, 曾志强, 潘树林. 边坡稳定性分析方法综述J. 西华大学学报 (自然科学版), 2012, 2: 028.7. 姜德义, 朱合华, 杜云贵. 边坡稳定性分析与滑坡防治M. 重庆大学出版社, 2005.8. 上海地区深基坑设计、施工方案技术评审选编M.上海市建设和交通委员会科学技术委员会(内部资料),2007.9. 魏芳, 冯志, 李祎. 北京地铁工程深基坑支护技术研究J. 市政技术, 2012, 30(6): 89-93.10. 宋卫东, 冯瑞芳, 马伟斌. 北京地铁 10 号线光华路站桩基础控制地表沉降J. 中国铁道科学, 2011, 32(4): 60-65.11. 张明聚, 由海亮, 杜修力, 等. 北京地铁某车站明挖基坑施工监测分析 JJ. 北京工业大学学报, 2006, 32(10): 874-878.12. 王志红. 北京地铁平乐园站盖挖逆筑深基坑设计J. 岩土工程学报, 2012
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