CN113006084A - 一种无支撑基坑支档系统的施工方法及其动态设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无支撑基坑支档系统的施工方法及其动态设计方法，该施工方法包括：沿开挖区的周围施作地连墙形成连续的挡土结构；在开挖区内紧邻地连墙施作扶壁墙，扶壁墙沿着垂直于地连墙和地面方向的截面为直角梯形，且直角梯形的下底边长大大于上底边长；在部分对向设置的两个扶壁墙之间施作隔断墙进行连接；施作垂直于隔断墙的肋墙，使剩余的扶壁墙通过各个肋墙连接至最近的隔断墙；隔断墙和肋墙设置于基坑坑底之下，并嵌入基坑坑底地下一定深度；在开挖区沿着地连墙内侧施作冠梁，在垂直于地面方向冠梁位于地表和扶壁墙之间；施工空间大，施工组织可更便捷，施工过程可节省支撑施作时间，减小基坑暴露时间，提高了开挖效率。

Description

一种无支撑基坑支档系统的施工方法及其动态设计方法
技术领域
本发明涉及土木工程设计和施工技术领域，尤其涉及一种无支撑基坑支档系统的施工方法及其动态设计方法。
背景技术
随着我国铁路和城市建设的快速发展，铁路同周边配套工程的衔接越来越紧密。在施工中将存在着深基坑开挖及稳定问题，基坑的支档填筑工艺具有较为突出的技术特点。
传统基坑支护方法主要有灌注桩+水泥搅拌桩、SMW工法等类围护体结合水平支撑、斜抛撑体系等形成支护结构，水平支撑、斜抛撑支撑体系安装了即可发挥作用，但上述支撑体系不仅需要耗时耗力去构建，而且会因为空间等问题给后续土方开挖、结构施工等带来影响。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种无支撑基坑支档系统的施工方法及其动态设计方法，解决现有技术中的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种无支撑基坑支档系统的施工方法，支档系统包括：地连墙、扶壁墙、肋墙、隔断墙和冠梁；
所述施工方法包括：
沿开挖区的周围施作所述地连墙形成连续的挡土结构；
在开挖区内紧邻所述地连墙施作所述扶壁墙，所述扶壁墙沿着垂直于所述地连墙和地面方向的截面为直角梯形，且所述直角梯形的下底边长大大于上底边长；
在部分对向设置的两个所述扶壁墙之间施作所述隔断墙进行连接；施作垂直于所述隔断墙的所述肋墙，使剩余的所述扶壁墙通过各个所述肋墙连接至最近的所述隔断墙；所述隔断墙和所述肋墙设置于基坑坑底之下，并嵌入基坑坑底地下一定深度；
在开挖区沿着所述地连墙内侧施作所述冠梁，在垂直于地面方向所述冠梁位于地表和所述扶壁墙之间。
一种无支撑基坑支档系统的动态设计方法，所述无支撑基坑支档系统为基于所述施工方法施工生成的无支撑基坑支档系统，所述动态设计方法包括：
基于小应变硬化模型构建土体本构模型；
基于所述土体本构模型和所述无支撑基坑支档系统建立基坑的三维数值模型，实时输出基坑开挖过程中的所述无支撑基坑支档系统的最大变形、最大受力和坑外地表的最大沉降；
实时判断所述最大变形、最大受力和最大沉降有任意一项超过设定范围时进行所述无支撑基坑支档系统的参数的优化，否则判定所述无支撑基坑支档系统各参数满足要求。
本发明的有益效果是：本发明提供的一种无支撑基坑支档系统的施工方法，该无支撑基坑支档系统中，主要通过扶壁墙和隔断墙的组合形成“组合墙”，“组合墙”既具有扶壁墙和隔断墙的优点，又克服了扶壁墙和隔断墙的缺点，“组合墙”能有效地控制开挖引起的变形，保证相邻结构的正常使用，同时成本较低。施工空间大，施工组织可更便捷，施工过程可节省支撑施作时间，减小基坑暴露时间，提高了开挖效率。
本发明提供的一种无支撑基坑支档系统的动态设计方法，采用小应变硬化模型对基坑开挖进行模拟，可对深基坑开挖进行更精细的分析，对复杂环境下的深基坑开挖变形效果能起到较好的模拟和预测结果，同时检验及优化所提新型无支撑基坑支档系统布置的适宜性。也获得了基坑施工期间的受力及变形发展规律，为后续的施工作业提供有益的指导。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述扶壁墙的高度为基坑坑底地面上的高度He加上嵌入基坑坑底地下的深度Dc；该嵌入地下的深度Dc与所述隔断墙和所述肋墙嵌入地下的深度相等。
进一步，Dc/He的取值范围为(0.15，0.2)。
进一步，所述直角梯形的下底边是上底边长度的1.5倍。
进一步，各个所述扶壁墙之间的间隔的距离范围时6～8m。
进一步，所述地连墙的高度为基坑坑底地面上的高度He加上嵌入基坑坑底地下的深度Dc+Hp。
进一步，所述冠梁的宽度等于所述扶壁墙的上底边长度。
进一步，所述土体本构模型的参数的获取方法为：
在基坑开挖前，利用现场原位所取土样，分别进行系列室内土工试验，通过拟合得到软黏土小应变硬化模型参数。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种无支撑基坑支档系统沿平行于地面方向的截面示意图；
图2(a)为图1的局部放大示意图；
图2(b)为图2(a)中A–A向的截面视图；
图2(c)为图2(a)中B–B向的截面视图；
图3为本发明实施例提供的一种无支撑基坑支档系统的动态设计方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示为本发明实施例提供的一种无支撑基坑支档系统沿平行于地面方向的截面示意图，其中图2(a)为图1的局部放大示意图，图2(b)和图2(c)分别为图2(a)中A–A向和B–B向的截面视图，结合图1、图2(a)、图2(b)和图2(c)可知，本发明提供的一种无支撑基坑支档系统的施工方法，其中，该支档系统包括：地连墙、扶壁墙、肋墙、隔断墙和冠梁；该无支撑基坑支档系统的施工方法包括：
沿开挖区的周围施作地连墙形成连续的挡土结构。
在开挖区内紧邻地连墙施作扶壁墙，扶壁墙沿着垂直于地连墙和地面方向的截面为直角梯形，且直角梯形在沿垂直地面方向上的下底边长大大于上底边长。
在部分对向设置的两个扶壁墙之间施作隔断墙进行连接；施作垂直于隔断墙的肋墙，使剩余的扶壁墙通过各个肋墙连接至最近的隔断墙；肋墙的两端牢固地与两端的扶壁墙和隔断墙相连，形成固定的挡土墙系统。隔断墙和肋墙设置于基坑坑底之下，并嵌入基坑坑底地下一定深度。
在开挖区沿着地连墙内侧施作冠梁，在垂直于地面方向冠梁位于地表和扶壁墙之间。
本发明提供的一种无支撑基坑支档系统的施工方法，该无支撑基坑支档系统中，主要通过扶壁墙和隔断墙的组合形成“组合墙”，“组合墙”既具有扶壁墙和隔断墙的优点，又克服了扶壁墙和隔断墙的缺点，“组合墙”能有效地控制开挖引起的变形，保证相邻结构的正常使用，同时成本较低。施工空间大，施工组织可更便捷，施工过程可节省支撑施作时间，减小基坑暴露时间，提高了开挖效率。
实施例1
本发明提供的实施例1为本发明提供的一种无支撑基坑支档系统的施工方法的实施例，结合图1、图2(a)、图2(b)和图2(c)可知，该支档系统包括：地连墙、扶壁墙、肋墙、隔断墙和冠梁。该施工方法的实施例包括：
沿开挖区的周围施作地连墙形成连续的挡土结构。
优选的，地连墙的高度为基坑坑底地面上的高度He加上嵌入基坑坑底地下的深度Dc+Hp，即为He+Dc+Hp。
在开挖区内紧邻地连墙施作扶壁墙，扶壁墙沿着垂直于地连墙和地面方向的截面为直角梯形，且直角梯形的下底边长大大于上底边长。具体的，直角梯形的下底边可以为上底边长度的1.5倍。
优选的，扶壁墙的高度为基坑坑底地面上的高度He加上嵌入基坑坑底地下的深度Dc；该嵌入地下的深度Dc与隔断墙和肋墙嵌入地下的深度相等。
具体的，Dc/He的取值范围可以为(0.15，0.2)。归一化隔断墙深度比Dc/He为0.15～0.2性能最佳。
各个扶壁墙之间的间隔的距离范围时6～8m。
扶壁墙长度的设计取决于目标控制值，沿地下扶壁墙按间隔6～8m安装可产生更好的性能，此外，出于施工安全考虑，扶壁墙间距不应小于8m。
在部分对向设置的两个扶壁墙之间施作隔断墙进行连接；施作垂直于隔断墙的肋墙，使剩余的扶壁墙通过各个肋墙连接至最近的隔断墙；隔断墙和肋墙设置于基坑坑底之下，并嵌入基坑坑底地下一定深度Dc。
在开挖区沿着地连墙内侧施作冠梁，在垂直于地面方向冠梁位于地表和扶壁墙之间。具体的，冠梁的宽度等于扶壁墙的上底边长度。
实施例2
本发明提供的实施例1为本发明提供的一种无支撑基坑支档系统的动态设计方法的实施例，该无支撑基坑支档系统的动态设计方法基于本发明实施例提供的无支撑基坑支档系统，如图3所示为本发明实施例提供的一种无支撑基坑支档系统的动态设计方法的流程图，结合图1、图2(a)、图2(b)、图2(c)和图3可知，该动态设计方法包括：
基于小应变硬化模型构建土体本构模型。
数值模拟对所提新型无支撑基坑挡墙系统进行变形分析及优化设计，数值模拟中采用更先进的小应变硬化模型(hardening soil model with small strain stiffness,简称HSS)土体本构模型。既有现场监测数据发现，大多数重要岩土工程问题中的土体在工作荷载状态下实际上处于小应变状态。HSS模型可以考虑小应变范围内土体剪切模量随应变增大而衰减的特点，同时可以考虑软黏土的压硬性与剪胀性，区分加卸载刚度，因而更适用于模拟复杂环境深基坑开挖。
优选的，土体本构模型的参数的获取方法为：
在基坑开挖前，利用现场原位所取土样，分别进行系列室内土工试验，通过ORGIN软件拟合得到软黏土小应变硬化模型参数。具体的，如下表1所示为本发明实施例提供的小应变硬化模型(HSS)参数示意及取值或获取方式表，小应变硬化模型的参数可以基于下表的取值或是试验确定。
表1：小应变硬化模型(HSS)参数示意及取值或获取方式表
Figure BDA0002966554720000061
Figure BDA0002966554720000071
基于土体本构模型和无支撑基坑支档系统采用岩土工程大型有限元软件PLAXIS3D建立基坑的三维数值模型，实时输出基坑开挖过程中的无支撑基坑支档系统的最大变形、最大受力和坑外地表的最大沉降。
实时判断最大变形、最大受力和最大沉降有任意一项超过设定范围时进行无支撑基坑支档系统的参数的优化，否则判定无支撑基坑支档系统各参数满足要求。
具体实施中，若变形计算值高于变形控制值的85％，则需对基坑挡墙系统进行优化，优化方式包括但不限于提高围护结构刚度、增大围护结构尺寸以及间距，当数值模拟计算值低于控制值的85％时即可。
本发明提供的一种无支撑基坑支档系统的动态设计方法，采用小应变硬化模型对基坑开挖进行模拟，可对深基坑开挖进行更精细的分析，对复杂环境下的深基坑开挖变形效果能起到较好的模拟和预测结果，同时检验及优化所提新型无支撑基坑支档系统布置的适宜性。也获得了基坑施工期间的受力及变形发展规律，为后续的施工作业提供有益的指导。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无支撑基坑支档系统的施工方法，其特征在于，所述支档系统包括：地连墙、扶壁墙、肋墙、隔断墙和冠梁；
所述施工方法包括：
沿开挖区的周围施作所述地连墙形成连续的挡土结构；
在开挖区内紧邻所述地连墙施作所述扶壁墙，所述扶壁墙沿着垂直于所述地连墙和地面方向的截面为直角梯形，且所述直角梯形的下底边长大大于上底边长；
在部分对向设置的两个所述扶壁墙之间施作所述隔断墙进行连接；施作垂直于所述隔断墙的所述肋墙，使剩余的所述扶壁墙通过各个所述肋墙连接至最近的所述隔断墙；所述隔断墙和所述肋墙设置于基坑坑底之下，并嵌入基坑坑底地下一定深度；
在开挖区沿着所述地连墙内侧施作所述冠梁，在垂直于地面方向所述冠梁位于地表和所述扶壁墙之间。
2.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于，所述扶壁墙的高度为基坑坑底地面上的高度He加上嵌入基坑坑底地下的深度Dc；该嵌入地下的深度Dc与所述隔断墙和所述肋墙嵌入地下的深度相等。
3.根据权利要求2所述的施工方法，其特征在于，Dc/He的取值范围为(0.15，0.2)。
4.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于，所述直角梯形的下底边是上底边长度的1.5倍。
5.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于，各个所述扶壁墙之间的间隔的距离范围时6～8m。
6.根据权利要求2或3所述的施工方法，其特征在于，所述地连墙的高度为基坑坑底地面上的高度He加上嵌入基坑坑底地下的深度Dc+Hp。
7.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于，所述冠梁的宽度等于所述扶壁墙的上底边长度。
8.一种无支撑基坑支档系统的动态设计方法，所述无支撑基坑支档系统为基于所述权利要求1-7任一项所述的施工方法施工生成的无支撑基坑支档系统，其特征在于，所述动态设计方法包括：
基于小应变硬化模型构建土体本构模型；
基于所述土体本构模型和所述无支撑基坑支档系统建立基坑的三维数值模型，实时输出基坑开挖过程中的所述无支撑基坑支档系统的最大变形、最大受力和坑外地表的最大沉降；
实时判断所述最大变形、最大受力和最大沉降有任意一项超过设定范围时进行所述无支撑基坑支档系统的参数的优化，否则判定所述无支撑基坑支档系统各参数满足要求。
9.根据权利要求8所述的动态设计方法，其特征在于，所述土体本构模型的参数的获取方法为：
在基坑开挖前，利用现场原位所取土样，分别进行系列室内土工试验，通过拟合得到软黏土小应变硬化模型参数。
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