钢筋混凝土环形支撑在城市大跨度深基坑支护中的应用

钢筋混凝土环形支撑在城市大跨度深基坑支护中的应用

0支护方案确定的影响因素现代城市地下空间的发展越来越深入，环境关系也越来越复杂，对变形控制的要求也越来越严格。因此给地下工程的设计及施工带来了越来越多的难题与挑战,如何选用最合适的支护方案需要考虑的因素也越来越多。钢筋混凝土圆环结构的合理选用,具有施工便利及受力合理的优点,笔者主要针对钢筋混凝土圆环内支撑结构型式在设计及其施工中的若干细节问题进行归纳、探讨,并列举了几个笔者参与的工程实例相关情况介绍,希望能给基坑工作者在类似工程的设计和施工中提供一点参考。1圆形支撑系统的设计1.1支撑刚度的计算基坑工程中,内支撑刚度大小主要影响内支撑结构内力、支护体内力和支护体变形,直观表现为对基坑外侧土体变形的影响。复杂支护体系的刚度如何确定,相关规范中并没有明确的计算方法,但可以从刚度的基本概念出发,考虑刚度的计算。刚度的实际表现是结构在力作用下的位移特征,用公式可简单表示为:kuf03dF/S(k为支撑结构的刚度,F为支撑结构所受到的力,S为支撑结构在力作用下的位移)。复杂体系的刚度计算,需要借助一些结构分析软件。对于基坑围护体系,每一点的刚度都不相等,通过对内支撑结构的试算及施工的分析,可归纳为以下几点:1支撑刚度越大,对变形控制越有利,但当支撑刚度达到一定限值时,增大刚度对这个内支撑及支护体形成的支护体系位移控制的贡献较少;2支撑刚度的大小直接影响支护桩的内力分布,对于单层支撑,刚度越大其内力最大值越大,对于多层支撑,刚度对其内力分布的影响根据各道支撑刚度的不同而不同;3软土地区或者存在极大的不平衡土压力情况,支护体系可能会发生整体“漂移”的情况,此时结构没有破坏,但支撑体系的刚度已经失去了意义,支撑体系已经不能起到保护周边环境的作用。1.2结构变形放大后的表现通过简化结构受力情况,分析角部支撑布置对整个支护体系的影响。如图1,左图4个角部斜撑没有与围檩相连,右图4个角部斜撑则全部与围檩相连,两种结构布置对应结构支撑截面相同,若围檩施加同样的荷载进行计算,通过对结构变形放大后,发现有如下情况:1左图圆环变形较为均匀,最大变形量较小,右图圆环变形则不均匀,对应于角部变形较小,与围檩相切部位变形较大;2左图围檩变形范围基本分布在整个长度范围,变形较为均匀,而右图角部变形较小,主要变形发生在围檩中部区段内。以上这种现象主要是由于沿支护结构各点刚度变化幅度不同造成的,图1左图由于角部支撑未延伸到围檩,刚度变化较为均匀,右图由于角部支撑刚度较大,刚度变化不均匀程度相对较大,实际工程设计当中该如何采用,结合笔者多个工程经验提供如下意见供参考:在基坑深度较大、对位移控制较高的情况,宜采用右图型式,圆环相切部位浇筑加强板带来增强刚度。1.3立柱轴向力计算方法立柱的计算主要分为两部分:1确定立柱所受竖向力;2确定立柱截面尺寸和嵌固深度。《深基坑工程设计手册》及《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120—99)给出了相同的立柱轴向力计算公式如下:式中Nz为水平支撑及柱自重产生的轴向力设计值;Ni为第i层交汇于本立柱的最大支撑轴力设计值;n为支撑层数,但在《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120—2012)中取消了该公式,因此立柱所受竖向力的确定给了设计人员更大的灵活性,由于圆环支撑受力特点,圆环截面轴力很大,按照手册提供公式进行计算会导致立柱所受轴力非常大,不太合理,结合工程实例,对于圆环支撑位置立柱所受竖向力计算,式(1)中的Ni可取最大圆环轴力的1/5带入计算。1.4裂缝发生原因及危害混凝土结构出现裂缝是不可避免的,基坑支撑体系为临时结构,通过对多个工程中混凝土结构出现的裂缝情况分析,支护结构裂缝的产生原因主要有以下几个方面:(1)混凝土自身沉降裂缝:当混凝土拌合物流动性较大时,初凝前混凝土粗骨料在自重的作用下缓慢下沉引起,裂缝的深度一般只达到钢筋表面为止。(2)混凝土干缩裂缝:主要是混凝土拌合物在浇捣完毕后出现失水干缩而发生裂缝。这种裂缝出现的时间较早,且实际工程中较为多见,可拍压抹平处理。(3)混凝土收缩裂缝:主要是指混凝土在散热和硬化过程中体积的收缩受到外界的约束,在混凝土体内产生的收缩应力超过混凝土凝结过程中的极限抗拉强度,在混凝土中产生收缩裂缝的现象。(4)混凝土受荷裂缝:基坑工程中受荷裂缝产生可简单分为以下几种情况:1若支撑结构在开挖后土层面施工,开挖面土层较差,混凝土浇筑后局部超载使土层沉降变形,会造成未形成强度的混凝土结构变形开裂;2施工过程中,支撑结构强度没达到相应强度时,在支撑结构上过度堆载、机械碰撞甚至车辆碾压等造成的裂缝;3正常使用过程中受到荷载产生的裂缝,主要发生在节点位置。裂缝会影响结构的耐久性及安全性。混凝土裂缝产生后,外部环境会影响到结构内部,会造成钢筋锈蚀,若存在冰冻天气,外部水会进入混凝土结构,产生冻胀,混凝土结构会被破坏。临时基坑支撑结构使用时间短,支撑结构裂缝可按照以下方式处理:由于结构设计安全性不足产生的裂缝,应对基坑或支撑结构进行加固处理,排除此种情况,可不进行处理,若存在冻胀破坏,应对裂缝及时封堵,并加以防护。1.5爆破条件分析临时支撑的静态爆破在城市范围工程中使用也越来越广泛。静态爆破孔采用预留方式能最大程度的方便施工、缩短工期,节省造价,但结构上预留孔洞应尽量减少对结构安全性影响,同时也要为静态爆破提供良好的爆破条件,以下建议供参考:1一般膨胀材料的膨胀力能超过30MPa,预留孔洞直径宜按照30~40mm控制较好,间距按照0.3m控制,结构边150mm内不宜预留孔洞,孔洞底应距离结构底面150mm至200mm左右;2结合混凝土材料的自身安全储备及设计安全储备等因素,构件横截面上孔洞面积不宜超过截面面积10%;3为达到静态爆破最佳效果,爆破前应清理孔洞,钢筋混凝土构件的面筋、箍筋应进行割断,确保钢筋的束缚力不影响爆破效果。2项目实例介绍2.1环梁制作结构如图2,3所示,某工程3层地下室,基坑开挖设计深度15.8m,基坑周长约273.0m,采用两道单圆环支撑,第一道环梁截面1.6m×0.9m(宽×高),第二道环梁截面1.8m×1.0m(宽×高)。圆环中线直径约62.0m。最大轴力位于第二道圆环支撑(见表1)。2.2双鞣干支护体系如图4,5所示,某工程为两层地下室,基坑开挖设计深度8.0m至8.5m,基坑周长约418.0m,采用一道双圆环桁架支护体系,内圆环中线直径86.6m,环梁截面1.5m×0.8m(宽×高),外圆环中线直径98.6m,环梁截面1.2m×0.8m(宽×高)。最大轴力位于内圆环梁(见表2)。2.3理论结果与实际监测数据结果对比分析通过对以上工程实例设计及监测结果的对比,有如下分析:(1)案例二中环梁弯矩较小,因为双圆环桁架支撑结构比单圆环支撑结构受力更为合理,结构稳定性更好,但对比单圆环支撑系统,其存在施工相对复杂、基坑覆盖面积增大、土方开挖难度增大等不利条件,在满足安全及位移控制要求的前提下,应首先考虑采用单圆环支撑。(2)各案例中,无论是理论计算结果,还是实际监测数据显示,对于圆环支撑,其与基坑支护围檩相切处刚度较小,变形较大,如果是对于变形控制较为严格的基坑,设计上应在相切部分采用加强梁板的支撑结构形式。(3)理论计算分析结果与实际监测数据结果有较大的差别,分析主要原因可能有以下几个方面:1支撑体系理论计算模型简化后,与实际受力情况有所差别;2一般常规法选用的土压力模式并不能较好的反应实际土压力状态,当选用有限元计算时所得结果往往偏小,即偏于不安全,在使用有限元进行模拟计算时,参数的准确性影响很大,因此实际使用过程中应谨慎;3