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  深基坑工程是随着城市建设事业的发展而出现的一种较类型的岩土工程,基坑支护设计是一个综合性的岩土工程问题既涉及土力学中典型强度与稳定问题,又包含了变形问题,同时还涉及到土与支护结构的共同作用以及结构力学等问题。随着对这些问题的认识及其对策研究的深入,越来越多的新技术在深基坑工程中也得到应用。

 

  1、深基坑支护类型

  1)土钉墙支护。2)搅拌桩支护。3)柱列式灌注桩、排桩支护。4)内支撑和锚杆支护。5)钢板桩支护。6)地下连续墙。

 

  2、深基坑支护的土压力

  2.1土强度指标的选择

  土的抗剪强度指标C,与土的固结度有密切的关系,土的固结过程就是土中孔隙水压力的消散过程,对于同一种土,在不同排水条件下进行试验,可以得出不同的抗剪指标C和,故试验条件的选取应尽可能反映地基土的实际工作状态。在基坑支护设计中应采用三轴试验的指标,才能保证选取参数值的客观性和准确性。对于黏性土,计算围护结构背后由自重应力而产生的主动土压力采用三轴试验的固结不排水剪的指标与实际工作状态较致,但由地面临时荷载而产生的土压力,通常采用三轴不排水剪指标较合理。特别对于软黏性土,最好采用现场十字板的原位测试方法确定c和妒,因为室内试验的扰动影响太明显,强度指标偏低,使设计过于保守。计算基坑内被动土压力时,一般宜采用三轴固结不排水剪。对于砂土,由于排水固结迅速,对于任何情况,均可采用排水剪指标,或采用固结不排水剪经孔隙水压力修正后的c,值来计算土压力。

  2.2土压力计算理论及方法

  1)试验结果证实了太沙基理论的定性结论,土压力大小取决于位移的大小和位移方向;2)实测结果表明,当变形小于5%H(H为开挖深度)时,被动土压力仍然能得到充分发挥,所以说,对于深基坑工程的实际变形情况而言,套用一些经验的位移指标来判断墙前土体是否达到被动极限状态,是有局限性的;3)在黏性土上的许多基坑支护工程,护坡桩钢筋强度未完全发挥,实际钢筋应力还低于钢筋的设计强度,造成很大浪费,而造成钢筋应力低的原因主要是计算土压力大于实际土压力。实验还表明,把基坑支护结构视为平面不合理,因为基坑工程的“角效应”即土压力的空间效应,对墙体位移有明显的抑制作用。利用这种空间效应可以在两边折减桩数或减少配筋量。

  2.3水土压力的合算与分算

  按照有效应力原理,可知“土、水压力分算”比“土、水压力合算”概念要清楚。但由于要测得有效应力强度指标,一般试验难以做好,而且水、土压力合算法在一些软黏土地区的临时性开挖工程中土压力计算值与实测值较为符合。


  土在有水作用时,墙后土压力主要是水、土压力共同作用的结果,在未搞清水、土耦合效应的前提下,水、土压力合算是一个包含一定的实践经验的综合方法,对工程实践来说是有利的。

  为搞清墙后土体在水、土共同作用下的破坏机理,进行水、土压力分算,是符合系统科学原理的方法。

 

  3、支护结构计算方法

  3.1静力平衡法

  静力平衡法亦称自由端支承法,该法假定围护结构是刚性的,并可绕支撑点转动。围护结构的前侧产生被动土压力,后侧产生主动土压力。静力平衡法适用于围护结构的入土深度不太深即底端非嵌固的情况,此时围护结构由于土压力的作用而达到极限平衡状态。利用墙前后土压力的极限平衡条件来求插入深度、结构内力等。

  3.2等值梁法

  单支撑(锚拉)埋深板桩计算,将其视为上端简支、下端固定支承,变形曲线有一反弯点,一般认为该点弯矩值为零,于是可把挡土结构划分为两段假想梁,上部为简支,下部为一次超静定结构,其弯矩图不变,该法称为等值梁法。实践表明,等值梁法计算板桩是偏于安全的,实际设计计算常将最大弯矩予以折减,折减经验系数为0.6~0.8,一般取0.74。等值梁法基于极限平衡状态理论,假定支挡结构前后受极限状态的主被动土压力作用,不能反映支挡结构的变形情况,亦即无法预先估计开挖对周围建筑物的影响,故一般仅作支护体系内力计算的校核方法之一。

  3.3弹性地基梁的m法

  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,支撑简化为与截面面积、弹性模量和计算长度等有关的二力杆弹簧。弹性地基梁法中土对支挡结构的抗力(地基反力)用土弹簧模拟,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。即f=mzy,其中,.f为土对支挡结构的水平地基反力,kN/m2;为比例系数,kN/m4;为计算深度,m;为计算点处挡墙的水平位移m。弹性地基梁的m法优点是考虑了支护结构与土体的变形协调。工程实践表明,在软土中的悬臂桩支护计算采用m法,计算位移与实测位移有很大差异,实测位移是计算值的好几倍。这说明桩后土体变形已不再属于弹性范围。另外,m法无法直接确定支护结构的插入深度,通常假定试算有很大的随意性,有时桩底落在软弱土层中,还需经验来修正。

  3.4弹塑有限元法

  有限单元法作为今后基坑支护设计计算的发展方向,它的优点是考虑了土体与结构的变形协调,而且可以得出塑性区的分布,从而判断支护结构的总体稳定性。但选取合理的本构模型与计算参数,以及塑性区范围与稳定性之间的定量关系均缺乏经验。目前,随着计算机技术及系统科学的发展,为有限单元法的完善提供了更有利的工具。在结构计算方面,建立了能考虑基坑围护结构和土压力的空间非线性共同作用理论及其计算方法,并编成程序,方便高效地完成基坑围护工程的计算。


  4、地下水治理

  4.1明排水治理法

  在填土、浅层黏性土中开挖基坑,经计算和现场试验判断不可能发生坑底突涌或侧壁渗漏、流土,可采用明沟盲沟排水方法。

  4.2井点降水治理法

  降水治理方法适用以下条件:1)地下水位较浅的砂石类或粉土类土层;2)周围环境容许地面有一定的沉降;3)止水帷幕密闭,坑内降水时坑外水位下降不大;4)基坑开挖深度与抽水量均不大,或基坑施工期较短;5)有有效措施足以使邻近地面沉降控制在容许值以内;6)具有地区性成熟经验,验证降水对周围环境不产生大的不良影响。填土、粉土及含薄层粉砂的粉质黏土含水层涌水量不大时,适用轻型井点降水。黏性土、淤泥质土和粉土,适用电渗井点降水。砂土、粉土地层适用喷射井点降水。砂土、碎石土和岩石地层适用管井井点降水。管井降水可根据水文地质条件,水位降幅要求和环境保护要求采用完整井或非完整井。

  4.3隔渗治理法

  采取隔渗措施治理方法适用以下条件:1)开挖深度以上或坑底以下接近坑底部位分布有粉土、粉砂,有可能产生流土时;2)邻近基坑有地表水体(湖塘、渠道、河流),与基坑之间没有可靠隔水层时;3)有承压水突涌可能,且无降水措施时。

  4.4减小降水不良影响的措施

  1)充分估计降水可能引起的不良影响;2)设置有效的止水帷幕,尽量不在坑外降水;3)采用地下连续墙;4)坑底以下设置水平向止水帷幕;5)设置回灌系统,形成人为常水头边界。回灌系统适用于粉土粉砂土层。

 

  5、动态设计和施工

  深基坑工程是土体与围护结构体系相互作用的一个动态变化的复杂系统,仅依靠理论分析和经验估计是难以把握在复杂等条件下基坑支护结构和土体的变形破坏,也难以完成可靠而经济的基坑设计。通过施工时对整个基坑工程系统的监测,可以了解其变化的态势,利用监测信息的反馈分析,就能较好地预测系统的变化趋势。当出现险情预兆时,可做出预警,及时采取措施,保证施工和环境的安全;当安全储备过大时,可及时修改设计,削减围护措施,通过分析,可修改设计模型,调整计算参数,总结经验,提高设计与施工水平。

 

  6、结语

  我国基坑工程的设计理论有了很大发展,建立了许多新的计算理论和方法。但在工程具体应用中,仍要坚持理论与实践相结合的原则,根据实际选用合理的支护方法。

 

 

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