高层建筑基坑支护设计

高层建筑基坑支护设计内容摘要：

5）土钉钢筋宜为Ⅱ级以上变形钢筋，钢筋直径在 16~32mm 之间，常用25mm；钻孔直径一般为 70~120mm，常用 100mm。 （ 6）注浆材料宜用 1： 水泥浆，强度等级不宜低于 M10，可加入各种外加剂。 （ 7）喷射混凝土面层厚度一般为 80~200mm，常用 100mm，喷射混凝土强度不宜小于 C15。 面层中宜配置直径 6~10mm的钢筋网，间距宜为 150~300mm。 （ 8）为保证土钉与喷射混凝土面层的连接和锚固，常采用设置承压垫板和焊接钢筋骨架等方法，垫板下常配置分布钢筋和加强连接钢筋，以分散喷射混凝土面层的应力。 （ 9）沿土钉长度应设置定位器，定位器件距宜为 1~2m。 （ 10）土钉可为临时性土钉和永久性土钉。 对永久性土钉来说，要做好防腐工作，因此其构造与临时性土钉有所不同。 打入式土钉一般用于临时性工程，其端头构造与注浆土钉相似。 其典型的构造如图 22 所示。 土钉钢筋注水泥浆喷射混凝土垫板钢筋网螺母钻孔定位器注浆管 （ a）临时性土钉构造 中南大学毕业设计 8 第一层喷射混凝土水泥注浆钢筋网第二层喷射混凝土垫板螺帽土钉塑料套管（内空距50mm ）套管定位器（间距2m)注浆管钻孔 （ b）永久性土钉构造 图 22 土钉的典型构造 中南大学毕业设计 9 第 3 章 土钉支护原理与方案设计概则 土钉支护原理 在非支护与支护条件下土体单层、多层及整体稳定性分析、校核基础上，通过逐层下挖基坑，逐层进行土钉超前支护，以尽可能保持、显著提高、最大限度地利用基坑边壁土体固有力学强度，变土体荷载为支护结构体系的一部分，最终达到安全、经济的围护深基坑边壁整体稳定性之目的。 假设一般土层是由较均匀、疏松的各向同性介质所构成。 基坑开挖产生 临空面后，非支护条件下的边壁土体随后产生变形直至滑移破坏、其破坏模式为圆弧型。 层状结构岩体稳定主要受层面结构面控制，可能产生平面或崩塌破坏模式。 节理裂隙岩体的稳定主要受裂隙结构面所控制，可能产生契形破坏模式等。 实验研究证明，圆弧滑移面的最终形成有一个萌生 — 发展 — 完成的演变过程，它受控于介质物理学性质，并与掘支方法及效率、基坑空间尺度、水患条件、施工质量和管理水平等密切相关。 由地幔形成机制及地层地质历史差异的原因，任一深基坑边壁几乎都不是由某单一介质所构成。 但坑壁的稳定主要为某一层或某几层相对最软弱介质的 稳定所制约，故任一深度基坑边壁均可以该介质为基础进行近似的偏于安全的稳定性分析。 在某一开挖深度条件下，坑壁产生滑移具有某种随机性，即可能出现滑移线簇。 但最危险和最先产生的滑移线只有一条，称之为优势滑移线，相应的滑移面称为优势滑移面。 H优势滑移线y 图 31 滑移线簇 优势滑移线随基坑下挖而转移，因而在不同开挖深度上具有不同的优势滑移线，从而形成优势滑移线簇。 但任一确定深度的基坑边壁之最先产生、也是最危险的优势滑移线只有一条，称之为优势滑移控制线，相应的滑 移面称为优势滑移中南大学毕业设计 10 控制面。 如图 32： k优势滑移控制线优势滑移线簇y 图 32 优势滑移线族 滑移体实际下滑以优势滑移控制面的最终形成为前提。 优势滑移控制面产生初期，以地面出现滑移性裂缝和区间高变形速率为先导，并以一定的变形速率发展变化。 采用具有足够“缝合强度”的土钉（管、索、栓）逐次超前“缝合”优势滑移控制面，则此滑移面将不会萌生，或不致发展和形成（如图）。 下图是由优势滑移线簇与土钉（管、索、栓）共同组成的一张网格图，称为经纬图。 k土钉（管、索、拴）优势滑移控制面的(n 1)次超前缝合y 图 33 经纬图 稳定性分析是做出工程支护参数设计及典型经纬图的基础。 稳定分析要考虑单层、多层和整体稳定性，前者依次为后者所包容。 多层稳定和整体稳定均须考虑（ n1）次超前缝合效应。 监控是深基坑土钉支护法不可或缺的组成部分。 监控的目的是验证设计的科学性和合理性，以及施工的可行性和可靠性。 其综合目标是达到基坑边壁满足设计要求的整体稳定性，以便必要时进行设计、施工修改。 检测参数有多种：支护结构应力、应变、土体压力、边壁变形以及临近建筑物倾斜等。 其中边壁变形是控制性的。 依参照点设在 地面或坑内，理想的变形时程曲线有对称的两支，如图 34（ a）所示。 否则就是反常的或不收敛的，如图 34（ b）所示。 对此，需引起设计施工人员充分注意。 中南大学毕业设计 11 0（ a )收敛地面坑内t( b )不收敛t0 图 34 理想（反常）变形时程曲线 土钉方案设计的必要条件 工程地质及区域地质勘察数据 它包括 ~ 倍基坑深度范围内各类岩、土层的物理力学性质，主要是介质类别、岩性、天然含水量（ W）、天然密度（ ρ）、饱和度（ St）、孔隙比（ e）、液限（ Wl）、塑限（ ωp）、塑性指数（ Ip）、液性指数（ Il）、压缩模量（ Es）、粘聚力（ c）、内摩擦角（ φ）、波速（ vs）、标准贯入（ N）、地下水状况及其渗透性、岩石结构面充填状况及其性质、区域地震的震级及地震烈度资料等。 这些是方案设计的最基本集料。 工程条件及周围环境 它包括： ① 基坑几何尺寸或特征尺寸； ② 地下管线分布情况（尺度、埋深、距边壁的距离等）； ③ 邻近已建高层建筑物或民房分布状况及相应基础形式； ④ 邻近市政工路等级，最大车载及其它特殊建筑如铁塔、高压电线杆、桥墩等的情况；⑤ 邻近山体或江河湖泊条件等。 确定拟建工程基坑边 壁破坏模式 不同的介质、不同的工程环境及地下水条件，可产生不同的边坡破坏模式。 不同的破坏模式决定不同的稳定分析方法和不同的支护参数设计。 因此，在方案设计之前，须认真分析并确定相应的边壁（坡）破坏模式。 中南大学毕业设计 12 工程保养期 工程保养期由投资方根据拟建工程需要提出。 保养期与支护参数密切相关。 保养期愈长，支护参数一般应愈强，因而造价愈高。 基坑边壁保养期一般较短，为 3~6 个月，最长不宜超过 12 个月。 边坡保养期一般较长，通常是永久性的。 这是基坑边壁与岩土边坡支护的重要区别之一。 基坑边壁最大允许变形量 一 般城建管理部门对基坑边壁最大允许变形量有明确要求，特殊情况下，投资方可根据本身工程需要提高或放宽这一要求，已达到特定目的或获得更好的经济效果。 一般而言，工程愈需要，环境愈复杂，允许变形量便愈小，支护参数因之愈强，工程造价愈高。 现场试验资料 它包括土钉或锚杆（管、索、栓）拉拔试验数据，喷射混凝土抗压强度试验数据，喷层圆盘拉拔试验数据，钢筋抗拉强度试验数据，砂、石筛分曲线，预应力松弛和蠕变数据以及外加剂凝结时间、效果数据等。 一般情况下，上述数据应从现场试验获得。 特殊情况下，经论证、协商认可，也可取自 类似工程的试验成果。 确定边壁临界自稳高度、临界自稳长度和临界自稳时间 这是设定一次开挖深度和一次开挖长度的基础，由计算和试验确定。 一般一次开挖高度要小于或等于边壁临界自稳高度；一次开挖长度要小于或等于临界自稳长度；临界自稳时间过短或为零时，须先作超前支护，而后开挖。 这是设定一次开挖深度和一次开挖长度的基础，由计算和试验确定。 一般一次开挖高度要小于或等于边壁临界自稳高度；一次开挖长度要小于或等于临界自稳长度；临界自稳时间过短或为零时，须先作超前支护，而后开挖。 降雨和疏水条件 它包括年 降雨量值，雨季最大降雨量值，基坑所处地形、地貌、排水、疏水条件等。 历史经验表明，水患是许多基坑边壁（坡）失事的主要原因或重要原因。 方案设计中重视水患作用是工作成功的极重要因素。 水患包括地上水及地下水，中南大学毕业设计 13 这里仅是强调地上水危害。 实际上，对地下水的处理是同等重要的。 监控与回馈设计 鉴于工程地质条件千差万别，设计不可能一成不变。 通过监测，将所得信息回馈于原设计中，必要是对其进行修改，使之更加科学合理、安全经济。 检测参数和方法很多，其中最重要的是位移及质点运动速率的检测和相应的稳定性判断准则。 土 钉墙设计的基本程序 该设计在具备方案设计必要条件基础上进行。 非支护条件下边壁稳定性分析 非支护条件下的稳定性分析包括单层、多层和整体稳定性分析。 （ 1） 单层稳定性分析 单层稳定性分析的目的在于保证开挖过程中的稳定，并为相应的支护参数设计提供依据。 单层稳定性分析方法是以该层深度为依据，考虑其它附加荷载和不利因素，通过计算和试验确定单层临界深度、临界长度、临界自稳时间、优势滑移线、优势滑移半径和优势滑移角等 （ 2） 多层稳定性分析 多层稳定性分析的目的在于保证掘支过程中边壁的稳定，并为相应的支护参数设 计提供依据。 多层稳定性分析的方法是以多层深度为依据，考虑其它附加荷载和不利因素，计算确定相应的优势滑移面、优势半径和优势滑移角等。 （ 3） 整体稳定性分析 整体稳定性分析的目的在于确保基坑挖至底板时整个边壁的稳定性，并为支护体系的总体设计提供依据。 整体稳定性分析的方法是以基坑深度为依据，考虑其它附加荷载和各种不利因素，计算确定相应的优势滑移控制面、优势半径和优势滑移角等。 计算确定支护参数 根据非支护条件下单层、多层和整体稳定性分析结果，计算确定相应的土钉（包括锚管和面层、喷层和钢筋网）支护参数。 中南大学毕业设计 14 支护条件下边壁稳定性校核 支护条件下边壁稳定性校核，按单层、多层和整体稳定性状况分别进行。 （ 1） 单层稳定性校核 所设计的支护参数，在保证单一土层稳定同时，尚须保证对所确定的优势滑移面和优势滑移控制面以内的不稳定体满足一定安全系数的超前缝合强度。 （ 2） 多层稳定性校核 所设计的支护参数，应满足多层土体的稳定，即保证施工过程中边壁的稳定。 其强度校验需考虑此前支护的（ n1）次超前缝合效应 （ 3）整体稳定性校核 所设计的支护参数，应满足整个边壁的稳定，即：使相应的优势滑移控制面不致产生、发展和形成，其 强度校验需考虑此前支护的（ n1）次超前缝合效应。 设计注意事项 稳定性系数 （ 1） 稳定性系数原则上应根据设计必要条件选定。 （ 2） 对一般使用要求的边壁 ,稳定性系数可不小于。 对于中等要求的边壁 ,稳定系数可取 ～。 对中等以上使用要求的边壁 ,稳定系数可取 ～。 对特殊使用要求的边壁 ,稳定性系数不小于。 拉应力 （ 1） 在任意两根高预应力长锚索之间 ,会产生拉应力区域 ,设计时必须予以考虑。 （ 2） 在拉应力区域 ,设置非预应力土钉短锚杆 ,可消除该区域的拉应力集中效应。 （ 3） 非预应力短锚杆等应设置与拉应力的土钉及位于该区域设置在拉应力区的对称中心。 超前土钉 （ 1） 超前土钉用于单层自稳时间为零或极短 ,即随挖随塌的场合。 （ 2） 超前土钉的长度不小于单层开挖深度的 2 倍 ,其与垂直壁面的夹角以 5186。 中南大学毕业设计 15 ~10186。 为 宜。 （ 3）超前土 钉 的中上 部须 与已完成的 支护连 成一体。 （ 4）超前土 钉 的 间 距 应根 据 现场试验 确定。 （ 5）用作超前土 钉 的材料可以是角 钢 ,槽 钢 ,钢 管 ,螺 纹钢 筋 ,预 制 钢 筋 ,混凝土杆件等。 预应力土钉 土钉一般不施加预应力 ,这样工序更加快捷。 预应力土钉一般用 于对边壁变形需严格控制的场合。 施加预应力的方式可以是张拉式或螺旋式。 在土质边壁 (坡 )宜采用低预应力张拉吨位。 在岩石中可设计较高的张拉吨位。 一般而言 ,设计预应力吨位宜控制在每延米极限抗拔力的 30%左右。 对土钉预应力损失或超载情况 ,应密切注意观察 ,或分区域采用应力传感器进行监测 ,必要时应对语言能够里进行调整 ,或作加强支护。 预应力土钉的张拉段必须能自由伸缩。 应根据不同的地层选择预应力土钉的型式。 基坑壁脚移位 ,基础隆起防治 基坑壁脚移位 ,地基隆起是壁脚附近土层介质在上覆土体自重荷载及侧压力作用 下 ,连续置换邻近底板下部土层 ,并将其置于底板上部空间的塑流现象。 在基坑壁脚附近采用垂直或近乎垂直向下的土钉截断塑流线 ,可防止地基隆起现象发生。 设置防地基隆起的土钉的 (密度 ,长度 )材料及其上部处理。 附加荷载 附加荷载指在基坑边壁优势滑移线以内可能滑移体外的一切地面荷载和其它荷载。 各类附加荷载均应纳入边壁稳定性分析和相应的支护参数强度校核。 各类附加荷载均按等效静载考虑。 边壁滑塌防治 边壁滑塌防治方案设计应在分析确定滑塌成因及破坏模式基础上进行。 中南大学毕业设计 16 边壁滑塌防治应按设计程序 ,进行非支 护条件下的单层 ,多层和整体稳定分析 ,以及相应支护条件下的稳定性校核。 采用自上而下逐层清渣到底。 在清理滑塌区前 ,须在关键部位设置监控点 ,进行监测 ,并于必要时进行回馈设计。 滑塌区是否回填视使用要求而定。 水患防治 水患是基坑边壁稳定的大忌 ,方案设计中须慎重考虑。 优势滑移控制线以内及其附近的各种积水或水源均可能对基坑边壁稳定构成危害。 这些水患指 :地面雨水 ,生活用水 ,施工用水。