管道基坑預變形支護方法
2023-05-06 12:38:21 1
管道基坑預變形支護方法
【專利摘要】本發明公開了一種管道基坑預變形支護方法，包括以下步驟：A、將終級臺階以上劃分若干個臺階，臺階面上的土體清除，使得土體滑動面上的主動土壓力減少並允許滑動面上的土體滑動；B、在每一臺階的立面上設置鋼板樁或空腔樁，上級臺階的作用力不傳遞給下級臺階，鋼板樁或空腔樁承擔本臺階內主動土壓力或滑動土體的下滑力中的最大值，其變形滿足支護結構材料和整體性要求；C、在每一鋼板樁或空腔樁上預設測點，對預設測點直接進行測量，對變形超過正常極限狀態部位進行補強，及時控制失穩狀態的發生。本發明容許終級臺階以上的各級臺階土體發生大變形，甚至超過幾十釐米以上的變形，因而施工工藝簡單、工序容易實現，造價遠遠低於按照小變形控制的基坑支護設計。
【專利說明】管道基坑預變形支護方法
[0001]
【技術領域】:
本發明涉及一種管道基坑支護技術，特別是涉及一種管道基坑預變形支護方法。
[0002]【背景技術】:
基坑支護是提供地面以下建築物構築時的臨時性工程，其基本功能是確保基坑短時期的運營安全、基坑周邊的建築(或構築物)不受影響或雖然受到影響但是對周邊建築的功能和使用等無影響，即基坑開挖後所產生的變形在既有建築抗變形值範圍內。
[0003]石油和天然氣管道基坑工程與建築基坑工程不同點在於大部分情況下位於無建築物的開闊地帶一田地、河道、河漫灘等地貌單元，其支護結構的變形僅對周邊巖土的條件和應力狀態以及運營有影響。這種影響不導致相應次生地質災害發就應該是安全的。採用建築基坑設計標準時，必然採用小變形設計方法，基坑的安全度雖然提高，基坑工程造價隨之增加，工期增長，施工工藝難度提升。管道基坑工程狹長，屬於線狀基坑工程，與建築基坑工程的形狀完全不同(有很多中形狀等)，也就是在一個方向上，變形量大，即長度方向上，寬度方向上基坑的變形可以不考慮而。
[0004]圖3表示的是傳統基坑支護結構一般設計方法，由於周邊分臺階的空間很小，力口上基坑壁大部分情況由於土方開挖回填經濟代價太高等因素，坑壁經常採用直立方式。基坑支護結構屬於同一結構，沒有斷開的接點，因此坑壁變形性相同屬於整體性變形。基坑變形中未考慮支護結構與土體之間相互作用，土體仍然按照均質體設定條件進行有關計算，因此存在理論上的缺陷。支護結構頂部(因為有冠梁結構的作用)剛度相對於下部結構的剛度而言是足夠大的，工程實踐表明支護結構往往發生中鼓和碟狀變形現象，顯然採用單一頂部變形控制設計不符合管道基坑工程的實際工況。
[0005]該種方法還存在的問題:1、施工工藝複雜，小變形基坑工程對支護結構的施工工藝要求比較高、環節多，支護結構不能夠重複利用，雖然支護結構屬於臨時性的，但是卻永久地埋在建築物的周邊，造成環境汙染或影響相鄰建築的施工。例如:支護結構頂部需要冠梁，中間部分分設錨索或錨杆，這些部分多為預應力結構，基坑開挖深度受制於錨索的層數，每層錨索就是一個工況，需要停止開挖一段時間，待錨索完工並滿足齡期要去後才能開挖下一道土方和錨索施工。因此基坑施工時間長，給出了巖土體和支護結構變形的時間和空間，工藝內容複雜，不適宜快速基坑工程。2、監測經濟昂貴和環節多，元器件屬於一次性埋設，沒有重複利用的機率，例如土壓力盒、鋼筋應力計均是在土中或混凝土中埋設，支護結構功能完成後無法取出來。這些元件價格非常昂貴，屬於一次性使用，也不滿足重複利用的要求。元件的安裝環節比較多，需要施工方和監測方聯手以及採用多種工藝措施進行，大部分情況施工方的焊接、安裝、保護等技術和意識相對薄弱，常常不能按照既定要求完成工作。
[0006]
【發明內容】
:
本發明所要解決的技術問題是:克服現有技術的不足，提供一種新穎獨創、能夠允許大變形量、容易實施且成本較低的管道基坑預變形支護方法。
[0007]本發明的技術方案是:一種管道基坑預變形支護方法，包括以下步驟:
A、將終級臺階以上劃分若干個臺階，臺階面上的土體清除，使得土體滑動面上的主動土壓力減少並允許滑動面上的土體滑動；
B、在每一臺階的立面上設置鋼板樁或空腔樁，上級臺階的作用力不傳遞給下級臺階，鋼板樁或空腔樁承擔本臺階內主動土壓力或滑動土體的下滑力中的最大值，其變形滿足支護結構材料和整體性要求；
C、在每一鋼板樁或空腔樁上預設測點，對預設測點直接進行測量，對變形超過正常極限狀態部位進行補強，及時控制失穩狀態的發生。
[0008]將巖土分層條件和力學性質相近的土體劃分同一個臺階，保持該臺階以上土層具備相同滑動坡角的無折曲滑動面，避免不同土類之間滑動面幾何形狀不同和影響，簡化計算程序，同一個臺階上各層土採用加權平均抗剪強度指標，抗剪強度指標按照實際應力狀態進行試驗和取值。每一臺階應單獨進行支護結構計算和穩定性驗算，每個臺階均是一個穩定單元，不受相鄰臺階的影響，並滿足穩定條件。
[0009]基坑支護
設計應進行整體穩定性驗算，終級臺階除了滿足本臺階穩定性驗算外，尚應進行各種影響穩定性的驗算，包括抗隆起、抗管湧、整體滑移等驗算和深層滑動驗算。從上往下，第二臺階面以下的被動土壓力受到其上土體重力減少的影響導致抗剪強度銳減，被動土壓力按照傳統計算值不符合其特性，計算值應採用折減係數修正。所述鋼板樁或空腔樁為懸臂式結構，其下端插接固定在下一臺階中。
[0010]本發明的有益效果是:
1、本發明容許終級臺階以上的各級臺階土體發生大變形，甚至超過幾十釐米以上的變形，該變形包括垂直變形和水平變形，通過實例揭示這種大變形帶來周邊土體開裂和滑動，支護結構發生明顯的傾斜，然而這些均不影響終級臺階以上各個臺階正常使用，滿足管道基坑支護功能性要求，允許大變形設計方法產生的結果是支護結構施工工藝簡單、工序容易實現，造價遠遠低於按照小變形控制的基坑支護設計。
[0011]2、本發明允許整個基坑各個臺階的預變形量值不同，終級臺階內按照極限狀態中小變形控制，是滿足管道工程最後連接管道接頭操作所需，防止無法安裝管道接頭的現象發生；其它臺階採用正常極限狀態下大變形，對於折線形基坑壁是有利的、可行的、可操作的。每個臺階代表垂直基坑壁一種土方開挖工況，臺階的變形方向傾向基坑內，臺階與臺階之間存在著變形空間，因此允許支護結構發生一定量值的傾斜。只要各臺階基坑的整體穩定性處於正常極限狀態下，這種變形對於終級臺階就是其上部分坑壁的提前變形，由此減少了終級臺階坑壁上的主動土壓力，同時大大減少各臺階坑壁對支護結構的抗變形性要求，導致終級臺階支護結構向著簡單化發展。
[0012]3、本發明預變形臺階的支護仍然採用直立坑壁的方式，目的是減少土方的開挖量，防止大角度放坡條件開挖設計中土方開挖量過大現象發生。採用此類支護設計方法，能夠節約開挖工期，減少對周邊環境影響，同時也縮短土方回填量和工期。直立坑壁採用簡單易行的鋼板樁支護，施工簡單，鋼板樁樁頂不設冠梁，樁中間無需腰梁和錨杆(或錨索)，開挖後鋼板樁處於懸臂狀態，端部不發生位移，只是樁頂部和樁身發生變形。鋼板樁工藝容易滿足河道或河槽內不允許保留永久構築物的要求，當管道基坑工程完成使命後，通過上拔鋼板樁就能實現支護結構的拆除，且鋼板樁之間沒有焊接，所以相應工作比較容易實現。
[0013]4、本發明直接在鋼板樁上預設測點，對測點直接進行測量，解決了傳統監測工作的複雜性，並且經濟和便捷，簡略了安裝元件的施工環節。
[0014]5、本發明將傳統垂直支護設計的總變形量分解為各個臺階，各個臺階之間屬於獨立變形單元，沒有作用力的傳遞，對臺階支護結構實施直接的變形觀測，可掌控和判識支護結構變形所處的狀態，是極限或正常狀態，就能詳知臺階不同部位變形方向，進而確定支護結構上作用力的方向。設計單位根據上述信息，對變形超過正常極限狀態部位進行補強，可及時控制失穩的發生。
[0015]6、本發明將一個垂直基坑壁，分解為臺階式垂直坑壁，每個垂直坑壁是獨立的受力和產生抗力的體系，在任一個檯面上的荷載作用下，由於施工荷載作用點距離支護結構端點距離減短，在支護結構上產生彎矩遠遠小於單一坑壁。所以合理的施工荷載產生彎矩較小，支護結構的變形量增量只要在控制值範圍內，基坑支護結構是安全的。這些有利於處理基坑內發生突發事件和管道接頭的安裝，加快了施工進度。
[0016]7、本發明受到分臺階效應的控制，發生連鎖的應變效應不會在各個臺階貫通，若發生也只在相應的臺階內，這就大大減少次生地質災害影響範圍，可在臺階內進行滲流控制處理，實現對其危害程度的控制和減弱。
[0017]8、本發明對於終級臺階以上的臺階支護結構，可以節約深基坑工程中錨索、腰梁、冠梁等結構；又允許支護結構產生較大的變形和施工時坡肩荷載存在，簡化了支護結構的施工內容和複雜工藝要求。管道基坑工程實例顯示，基坑工程單項經濟上實現節約資金40?45% ;人工成本節約30?35% ;工程管理方面不僅節約管理人員、而且減少管理投入20% ;基坑監測變形控制指標簡單，數據選取適宜，監測工作量因此減少86%的複雜監測方法和項目，實現了快捷預報和準確預報，基坑工程實現快速施工，滿足了河道定期調治調沙的規定，綜合工程價格比傳統的設計方法節約40?42%。
[0018]9、本發明新穎獨創、能夠允許大變形量、容易實施且成本較低，其適用範圍廣，易於推廣實施，具有良好的經濟效益。
[0019]【專利附圖】
【附圖說明】:
圖1為管道基坑預變形支護方法的計算模型圖；
圖2為管道基坑預變形支護方法的設計模型圖；
圖3為現有基坑支護方法的設計模型圖。
[0020]【具體實施方式】:
實施例:參見圖1-圖3，1-基坑滑動面，2-臺階，3-基坑底，4-支護樁，5-支護杆，6-冠梁，7-腰梁，8-錨索，9-支護柱。
[0021]管道基坑預變形支護方法，包括以下步驟:
A、將終級臺階2以上劃分若干個臺階2，臺階面上的土體清除，使得土體滑動面上的主動土壓力減少並允許滑動面上的土體滑動；
B、在每一臺階2的立面上設置鋼板樁或空腔樁，上級臺階2的作用力不傳遞給下級臺階2，鋼板樁或空腔樁承擔本臺階2內主動土壓力或滑動土體的下滑力中的最大值，其變形滿足支護結構材料和整體性要求；
C、在每一鋼板樁或空腔樁上預設測點，對預設測點直接進行測量，對變形超過正常極限狀態部位進行補強，及時控制失穩狀態的發生。
[0022]將巖土分層條件和力學性質相近的土體劃分同一個臺階2，保持該臺階2以上土層具備相同滑動坡角的無折曲滑動面，避免不同土類之間滑動面幾何形狀不同和影響，簡化計算程序，同一個臺階2上各層土採用加權平均抗剪強度指標，抗剪強度指標按照實際應力狀態進行試驗和取值。
[0023]每一臺階2應單獨進行支護結構計算和穩定性驗算，每個臺階2均是一個穩定單元，不受相鄰臺階2的影響，並滿足穩定條件。
[0024]基坑支護設計應進行整體穩定性驗算，終級臺階2除了滿足本臺階2穩定性驗算外，尚應進行各種影響穩定性的驗算，包括抗隆起、抗管湧、整體滑移等驗算和深層滑動驗算。
[0025]從上往下，第二臺階2面以下的被動土壓力受到其上土體重力減少的影響導致抗剪強度銳減，被動土壓力按照傳統計算值不符合其特性，計算值應採用折減係數修正。鋼板樁或空腔樁為懸臂式結構，其下端插接固定在下一臺階2中。
[0026]同一個臺階2的滑動面傾角β計算如下: β—4?—ψ? 2
式中~——土的內摩擦角(°)，應根據固結不排水試驗
I平均值確定，並取各層厚度加權平均值。_
折減係數S按照下式計算:
-1 ^ I, = Ci i
式中I L —I第i層土的被動土壓力強度標準值折減係數；
_Φ' —第i'層土的內摩擦角(°)，應根據基坑工況按照固結不排水試驗平均值確定■』
_^1-—第i層土的粘聚力(kPa)，宜根據基坑工況按照固結不排水試驗平均值確定■』
_enl-—第i層土的被動土壓力強度標準值(kPa) ；_
_ ^1-—第i'層土的抗剪強度(kPa)，應根據基坑工況按照固結不排水試驗平均值確定；
_ Ψ' —第i層土的法向應力修正係數，一般土取靜止土壓力係數4，老粘土取值為1.0 ；
_h1-第i層土的厚度(m) ;_
I Y ^ I——I第i層土的重度(kN/m3)。
【權利要求】
1.一種管道基坑預變形支護方法，包括以下步驟: A、將終級臺階以上劃分若干個臺階，臺階面上的土體清除，使得土體滑動面上的主動土壓力減少並允許滑動面上的土體滑動； B、在每一臺階的立面上設置鋼板樁或空腔樁，上級臺階的作用力不傳遞給下級臺階，鋼板樁或空腔樁承擔本臺階內主動土壓力或滑動土體的下滑力中的最大值，其變形滿足支護結構材料和整體性要求； C、在每一鋼板樁或空腔樁上預設測點，對預設測點直接進行測量，對變形超過正常極限狀態部位進行補強，及時控制失穩狀態的發生。
2.根據權利要求1所述的管道基坑預變形支護方法，其特徵是:將巖土分 層條件和力學性質相近的土體劃分同一個臺階，保持該臺階以上土層具備相同滑動坡角的無折曲滑動面，避免不同土類之間滑動面幾何形狀不同和影響，簡化計算程序，同一個臺階上各層土採用加權平均抗剪強度指標，抗剪強度指標按照實際應力狀態進行試驗和取值。
3.根據權利要求2所述的管道基坑預變形支護方法，其特徵是:每一臺階應單獨進行支護結構計算和穩定性驗算，每個臺階均是一個穩定單元，不受相鄰臺階的影響，並滿足穩定條件。
4.根據權利要求3所述的管道基坑預變形支護方法，其特徵是:基坑支護 設計應進行整體穩定性驗算，終級臺階除了滿足本臺階穩定性驗算外，尚應進行各種影響穩定性的驗算，包括抗隆起、抗管湧、整體滑移等驗算和深層滑動驗算。
5.根據權利要求1所述的管道基坑預變形支護方法，其特徵是:從上往下，第二臺階面以下的被動土壓力受到其上土體重力減少的影響導致抗剪強度銳減，被動土壓力按照傳統計算值不符合其特性，計算值應採用折減係數修正。
6.根據權利要求1所述的管道基坑預變形支護方法，其特徵是:所述鋼板樁或空腔樁為懸臂式結構，其下端插接固定在下一臺階中。
【文檔編號】E02D17/04GK104196035SQ201410207780
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年5月17日 優先權日:2014年5月17日
【發明者】吳保全, 李國良, 張雲福, 郭振軍, 王擎, 張吉坤, 李軍海, 彭武, 劉卓, 吳歌, 劉鳳利 申請人:吳保全, 吳歌, 河南大學