一、技术背景及工程意义
随着城市建设的飞速发展,高层建筑及地下空间工程大量兴建,大规模超深基坑越来越多,支护难度越来越高。
长沙国金中心基坑深43m,面积约7.5万m²
天津宝龙中心基坑面积约3.8万m²
而城市深基坑工程地质条件及周边建筑环境极其复杂,一旦设计或施工不当,将导致重大工程事故,造成巨大经济损失和人员伤亡,并产生恶劣的社会影响。
2005年,广州海珠城广场基坑事故,至少3人死亡,海员宾馆倒塌,多栋居民楼严重受损,直接经济损失2亿多元。
2008年,杭州地铁湘湖站基坑大面积坍塌,造成21人死亡,24人受伤,道路瘫痪,直接经济损失达5000万元。
深基坑支护技术一直是学术界和工程界关注的热点和难点。深基坑支护新技术具有重要现实意义!
基坑支护工程具有两个典型特点:
(1)风险大:基坑岩土力学性质、周边荷载、建筑环境以及地下管网设施极其复杂;
(2)区域性强:如上海、江浙等地区多为淤泥软土;兰州地区多为黄土;大连、青岛、重庆等地区多为软岩。
因此,不同岩土层地区的基坑支护形式也有所不同。
传统深基坑支护技术为:
(1)灌注桩+锚杆(或内支撑)
(2)地下连续墙+锚杆(或内支撑)
在软岩及中风化岩层:
(1)传统深基坑支护技术成孔十分困难,施工速度相当缓慢;
(2)大型起吊设备占用很大的场地。
传统深基坑支护技术存在缺点:
(1)工期长;(2)造价高;(3)不适用于软岩地层。
寻求适用于软岩地区深基坑支护的新技术是工程建设的迫切需求!
二、技术内容及主要优点
课题组:针对软岩地质条件下,传统深基坑支护技术(桩支护及地下连续墙支护)工期长、造价高、施工困难的缺点,在国内外首次提出了预应力锚杆柔性支护技术。
预应力锚杆柔性支护基坑工程照
技术主要组成:
1、预应力锚杆
2、锚下承载结构
3、喷射混凝土面层
4、排水系统
预应力锚杆柔性支护法基本组成
技术机理为:对所有的系统锚杆施加预应力,通过锚下承载结构和面层在基坑侧壁形成强大的压力场,实现主动约束,减小基坑变形,提高基坑整体稳定性。
本技术适用于硬质粘性土、软岩、风化岩等地质条件的深基坑工程。
具有以下显著优点:
(1)造价低;(2)工期短;(3)安全可靠;(4)支护深度大;(5)施工便捷。
(1)造价低:
使用少量的钢材和混凝土,比传统支护技术节省工程造价约60%~70%。
(2)工期短:
本技术可以边开挖边支护,使土石方开挖与基坑支护同步进行,与传统支护技术相比,工期可缩短约50%。
(3)安全可靠:
①锚杆数量众多,个别锚杆失效对基坑的整体影响较小;
②锚杆预应力在土体中产生的压应力,可以减小土体的剪切变形,延缓塑性区的开展,从而大大减小基坑侧壁的变形;
③锚杆预应力形成的强大压力场,延缓了土体单元发生剪切破坏或主拉应力破坏的过程,提高了基坑的整体稳定性。
(4)支护深度大:
采用本技术支护基坑最深达30m(大连国贸中心基坑)。
(5)施工便捷:
本技术全部使用小型设备,占地小,操作简便,施工简单。
三、主要研究内容
1、针对该技术,提出了一套完整的设计及计算方法。主要研究内容包括:
(1)基坑稳定性计算
(2)锚杆内力计算
(3)喷射混凝土面层计算
(4)锚下承载结构计算
(5)力学行为研究
2、提出了一套全新的支护体系及工法,且该技术作为一种独立的工程技术已广泛应用实际工程中。
四、主要研究成果
(1)基坑稳定性计算:提出了考虑锚杆预应力影响的、基于条分法的基坑稳定计算公式。
(2)锚杆内力计算:
采用改进的杆系有限元法,考虑土体逐层开挖工况的影响,得出了锚杆内力的计算方法。
(3)喷射混凝土面层土压力计算:目前:《建筑基坑支护技术规范》、《边坡支护技术规范》等国家规范、行业标准对土钉支护、桩锚支护等技术中的喷射混凝土面层的规定均采用构造及经验措施。
•《重庆市地质灾害防治工程设计规范》简仓法:
•《基坑土钉支护技术规程CECS96:97》面层上土压力:
基于土拱效应,建立了作用在喷射混凝土面层上的土压力分析模型,推导出了面层土压力计算公式,提出了简化计算公式。对现行规范存在的问题进行了修订,并将其编入修订的规范中。
土拱效应存在的充分条件:
(1)土体相对位移
(2)拱脚
土拱为承压拱。
基于土拱理论的分析模型
•理论分析模型
两种情况:
(1)滑裂面中线OB′′不切割地面;
(2)滑裂面中线OB′′切割地面。
•理论推导
•参数影响分析:
•简化计算(双直线分布):
(4)锚下承载结构计算:
采用数值分析方法,建立了锚下承载结构的数值计算模型,重点分析了不同型号槽钢组成的锚下承载结构在喷射混凝土无约束、半约束和全约束三种工况时的承载能力。
锚下承载结构的主要破坏为强度破坏,失稳或屈曲。
•数值计算参数
岩体:为3.0m×3.0m×3.0m;面层为3.0m×3.0m×0.1m,等级C20;
型钢:采用两品槽钢,主要分析型号为[10,[12.6,[14和[16,腹板间距60mm,长度具体分析;
加筋肋:采取HRB335级钢筋,直径取20mm,22mm,25mm;
垫板:尺寸为150mm×150mm,开孔直径46mm,厚度取20mm,25mm,30mm和40mm;锚具加载直径68mm。
材料参数表
•数值计算模型及内容
•无约束:([10计算结果)
•槽钢相对侧向变形规律。
整体呈M形分布,中心两侧0.4m设置水平连接筋后,侧向变形显著降低。减小约69%。
•无约束:侧向变形数值计算结果
•不同约束情况下的槽钢变形对比。
•约束情况下承载力对比([10有肋筋结果):
结论:
1、半约束不提高承载力,但可以有效减小腹板变形;
2、全约束时,约束混凝土和槽钢形成复合承载结构,不仅可有效约束槽钢变形,还能显著提高锚下结构的承载力。
•[10 锚下承载结构承载力汇总——建议值。
•[12.6 锚下承载结构承载力汇总——建议值。
•[14b 锚下承载结构承载力汇总——建议值。
•[16b 锚下承载结构承载力汇总——建议值
(5)力学行为研究(大连远洋大厦基坑案例):
①滑移场分析
采用有限差分法,分析了不同锚杆预应力对基坑滑移场的影响,并与土钉支护结构的滑移场进行了对比分析。
研究结果表明:随着预应力的加大,滑移场明显减小,稳定性大大提高。
②塑性区分析
采用有限差分法,分析了不同锚杆预应力对基坑塑性区的影响。研究结果表明:随着预应力的增加,塑性区明显减小,变形大大减小。
③变形分析
研究了不同锚杆预应力作用下的基坑水平变形和竖向沉降,预应力能有效控制并大大减小基坑的变形。水平变形从90mm减小到20mm,减小77.8%;竖向沉降从55mm减小到15mm,减小72.7%。
四、其余成果
(1)主 编:《预应力锚杆柔性支护技术规范》(正在编制)
(2)出版专著:《预应力锚杆柔性支护法的理论与实践》
(3)获 奖: 2013年辽宁省技术发明一等奖
(4)发明专利:《一种基坑侧壁的柔性支护方法》
(5)技术编入:《建筑地基基础技术规范》全文强制标准(正在编制)
(6)作为主要起草人,将本技术研究成果编写入:《建筑边坡工程技术规范》、《岩土锚固与喷射混凝土支护工程技术规范》等其余 5 部国家规范和标准中。
五、技术应用及推广
大连胜利广场基坑深22.2m,总支护面积约14000 m2 ,其中桩锚支护7000 m2 ,总造价1200万元,预应力锚杆柔性支护面积7000 m2 ,总造价为470万,仅约桩锚支护造价的39%,节省730万元,经济社会效应十分显著。
大连远洋大厦基坑深25.6m,总支护面积9050 m2 ,原设计桩锚支护方案支护单价约1500元/m2 ,总工程造价约1492万;而采用本技术后,支护单价仅为605元/m2 ,总工程造价为548万,节省工程造价近1000万。
大连奥林匹克广场深基坑18.8m
大连海昌名城基坑
大连五一路某基坑
目前,本技术已正在全国范围内推广应用,如深圳、厦门、昆明、兰州、青岛、重庆、广州等地区,已有上百项基坑工程成功使用预应力锚杆柔性支护法,并获得了显著的经济效益。
(来源:大连理工大学 • 建设工程学部)
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