CN113718796B - 一种具有基坑支护功能的地下结构体系与施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有基坑支护功能的地下结构体系与施工方法，其技术方案为：包括至少两层从外到内依次设置的主体单元，所述主体单元包括若干间隔分布的主体桩，主体桩能够承受竖向载荷和水平载荷；每个主体单元的相邻两主体桩通过第一支承梁连接形成封闭结构，相邻主体单元对应的主体桩通过第二支承梁相连，通过第一支承梁和第二支承梁使各主体单元连接形成主体框架结构。本发明在设计阶段就将支护结构的设计与主体结构的设计合二为一，主体桩即能作为支护结构也作为主体结构的一部分，节约主体结构的材料；且能够有效利用施工面积，缩短施工周期。

Description

一种具有基坑支护功能的地下结构体系与施工方法

技术领域

本发明涉及基坑工程领域，尤其涉及一种具有基坑支护功能的地下结构体系与施工方法。

背景技术

地下结构体系一般由主体结构与支护结构组成，其中支护结构仅在施工阶段发挥支护作用，主体地下结构施工完毕，基坑支护结构便不再起作用，土压力改由主体结构(地下室外墙)承担。这样造成地下结构体系的支护结构只是临时的承担土体荷载，其所起的作用是非常有限的。

地下结构体系的施工过程为：首先进行支护桩的施工，并在支护桩侧面施工止水帷幕；之后将土体全部开挖，处理基底，在支护结构和主体结构之间留出肥槽；然后架设主体结构模板，浇筑主体结构框架；进行地下室外墙的施工，施工完成后进行土体回填。

发明人发现，现有地下结构体系的架构及施工方法存在以下问题：

(1)在主体地下结构完成之前，支护结构承担土体水平载荷，支护桩、墙仅在地下结构施工阶段发挥作用，地下结构施工完毕肥槽回填后主体结构如地下室外墙发挥相应作用，承担土压力，导致现有的支护结构功能太过单一；

目前，为了避免支护桩浪费于地下，一些工程将支护桩与主体结构连接使其作为主体结构的一部分，但是由于支护桩都是按照抗侧力桩的临时受力进行设计，其配筋和材料选择都是为满足其承担水平荷载的临时功能，不能代替主体结构，也没有承担主体竖向荷载的计划和方法；

(2)为了架设主体结构的模板必须留出一定的工作空间，由于支护结构的存在，必须在用地面积中留出一部分作为肥槽，且施工完成后还要对肥槽进行回填，即支护结构与主体结构之间的空间是完全浪费的，肥槽的存在也使施工过程变得繁琐、复杂，施工质量不易保证；

(3)基坑内土体需要全部开挖，各支护桩受到土体由外向内的单向水平荷载，对单根桩的水平承载力要求较高，材料投入大，发挥作用时间短，是重要的浪费表现；

(4)施工工序复杂，现施工支护结构，再开挖土方，再浇筑地下室外墙，再回填土等等，不仅浪费，而且效率低。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种具有基坑支护功能的地下结构体系与施工方法，在设计阶段就将支护结构的设计与主体结构的设计合二为一，主体桩即能作为支护结构也作为主体结构的一部分，节约主体结构的材料；还可以取消肥槽，有效利用施工面积，缩短施工周期。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了一种具有基坑支护功能的地下结构体系，包括至少两层从外到内依次设置的主体单元，所述主体单元包括若干间隔分布的主体桩，主体桩能够承受竖向载荷和水平载荷；

每个主体单元的相邻两主体桩通过第一支承梁连接形成封闭结构，相邻主体单元对应的主体桩通过第二支承梁相连，通过第一支承梁和第二支承梁使各主体单元连接形成主体框架结构。

作为进一步的实现方式，所述主体桩的横截面为矩形，其与第一支承梁、第二支承梁分别形成工字型单元，以工字型单元为基准计算对应的土体载荷。

作为进一步的实现方式，所述主体桩内部钢筋预留有用于连接第一支承梁、第二支承梁的接头，或预埋用于连接第一支承梁、第二支承梁的钢构件。

作为进一步的实现方式，所述主体桩在设定位置间距缩小以形成加密区。

作为进一步的实现方式，所述第一支承梁、第二支承梁沿主体桩高度方向间隔布置多个。

作为进一步的实现方式，最外层主体单元的内侧表面设置止水帷幕。

第二方面，本发明实施例还提供了一种具有基坑支护功能的地下结构体系的施工方法，包括：

按照主体结构的标准设计主体桩；

确定最外层主体单元的施工位置，并在场地内施工主体桩；

在地面进行最外层主体单元的相邻主体桩之间开槽，制造第一层第一支承梁的施工空间；

施工最外层主体单元中第一层第一支承梁；

开挖主体桩之间的土体至地下室一层底面，并施工第二层第一支承梁；

重复开挖和相应层第一支承梁的施工，直至土体开挖至基坑底部，并完成最底层第一支承梁的施工，形成外围框架；

依次进行内层主体单元的施工，并通过第二支承梁连接相邻主体单元，形成地下结构体系。

作为进一步的实现方式，设计主体桩时，以主体桩与第一支承梁、第二支承梁构成的工字型单元为基准计算土体荷载，根据土体载荷进行主体桩内部钢筋布置；

施工主体桩后，在主体桩与土体之间施工止水帷幕。

作为进一步的实现方式，第一支承梁、第二支承梁可以与预埋在主体桩中的连接构件形成刚性连接；

也可以使用现浇钢筋混凝土制作支承梁，模板直接安置在土体的开槽中，主体桩侧面凿空，露出其中的预留钢筋，支承梁与预留钢筋连接成一体后进行浇筑，使主体桩与支承梁连接为整体。

作为进一步的实现方式，最外层主体单元的内侧土体可以与外围土体同时在同一阶段开挖，但不能进行内部主体单元的施工；也可以在最外层主体单元的主体桩和支承梁全部施工完成后再开挖；内部土体开挖后，施工内层主体单元。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明的主体桩按照主体结构的标准设计，其既能够承受水平载荷，也能够承受竖向载荷；最外层主体单元的主体桩能够起到支护作用，且在施工内层主体单元后，又与内层主体单元通过支承梁连接共同作为主体结构，因此，能够节省主体结构的材料用量。

(2)本发明施工时先开挖主体桩之间的土体，两侧的主体桩都受到土的水平力，通过支承梁连接在一起，两侧主体桩受到的水平力的方向是相反的，可以抵消一部分水平力；内部土体开挖完成后，外层支护单元形成封闭框架结构，不同方向的土体荷载通过各个支承梁和主体桩仍能相互抵消一部分，从而降低对其水平承载能力的要求，使其作为主体结构使用的同时仍然能够承担水平的土体荷载。

(3)本发明以外层主体单元作为框架柱，外层主体结构作为地下主体结构的最外围可紧贴用地红线设置，完全利用红线以内的所有用地面积；不需要设置肥槽，使建筑物可以最大化的利用用地面积，也不需要有土体回填的步骤，简化施工过程，缩短施工周期，降低施工成本。

(4)本发明的主体桩从土体开挖以后就承担了土体的荷载，已经阻挡了土的变形，因此后续施工的隔断墙不需要承担相应的荷载，只需起到隔断作用即可。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的俯视图；

图2是图1中A-A截面的示意图；

图3是本发明根据一个或多个实施方式的部分结构放大图；

其中，1.主体桩，2.止水帷幕，3.第一支承梁，4.加密区，5.嵌固端，6.土体，7.第二支承梁。

具体实施方式

实施例一：

本实施例提供了一种具有基坑支护功能的地下结构体系，如图1和图2所示，包括至少两层从外到内依次设置的主体单元；所述主体单元包括若干间隔分布的主体桩1，每个主体单元的相邻两主体桩1通过第一支承梁3连接形成封闭结构。

其中，主体桩1按照主体结构的标准设计，即其承担的主要荷载为上部结构传递下来的竖向荷载，而一般工程中的支护桩，无论是临时性还是永久性支护桩，其主要功能都是承担水平方向的土体荷载，因此在设计、施工和使用中本实施例的主体桩1都是与一般支护桩完全不同。最外层主体单元的主体桩1在承担上部主体荷载(竖向载荷)的同时可承担土体的水平荷载，无需单独设置基坑支护结构。

本实施例的主体桩1采用矩形桩，这是由于同等面积下，矩形截面的惯性矩要大于圆形截面的惯性矩，因此等量材料的矩形桩承载能力要强于圆形桩的承载能力；而且由于框架结构中的构件截面多为矩形，矩形桩更易与其他构件连接。矩形桩的嵌固端5长度应为上部桩长的30％-50％(取决于土体质量)，以保证其承载能力。

具体的，本实施例以两层主体单元进行详细描述，即，外层主体单元和内层主体单元。外层主体单元和内层主体单元均为矩形框架结构，主体桩1沿周向间隔排布，主体桩1之间的间距不需要统一，土体质量好的区域可增大间距，质量差的区域减小间距，间距小的若干主体桩1形成加密区4。

进一步的，外层主体单元、内层主体单元的主体桩1分别通过第一支承梁3连接，且第一支承梁3沿主体桩1的长度方向间隔设置多根，即外层主体单元、内层主体单元分别设置多层第一支承梁3。

外层主体单元和内层主体单元对应位置的主体桩1通过第二支承梁7相连，且第二支承梁7沿主体桩1高度方向间隔布置多个；通过第二支承梁7将外层主体单元和内层主体单元连接在一起，使外层主体单元构成主体结构的一部分。在施工内层主体单元之前，外层主体单元作为支护结构起作用，施工内层主体单元之后，外层主体单元与内层主体单元共同作为主体结构的支撑部分。

传统的支护结构施工之后留在地下，只能在地下结构施工阶段发挥作用；或者支护结构通过地下连续墙、水平支撑等与主体地下结构相结合；虽然传统支护结构通过水平支撑等与主体结构连接，但由于其与主体结构并不是同一标准设计，也仅能承载水平载荷，不能承载纵向载荷；即，传统支护结构上方不能够在搭建主体结构。

传统支护桩可以将其看作受单向水平力的悬臂梁，对桩的水平承载能力要求较高，因此必须以承担水平荷载为要求设计其内部的钢筋，而这也导致其竖直承载能力的削弱，因此很难利用支护桩作为主体构件，即使将其与主体结构连接，也不能当做主体构件使用，不能替主体结构分担上部荷载，也就不能节约主体结构的材料。

进一步的，所述主体桩1内部钢筋预留有用于连接第一支承梁3、第二支承梁7的接头，或预埋用于连接第一支承梁3、第二支承梁7的钢构件。第一支承梁3、第二支承梁7可以用装配式钢筋混凝土构件或者装配式钢构件与预埋在主体桩1中的连接构件形成刚性连接，或者使用现浇的钢筋混凝土制作第一支承梁3、第二支承梁7。

如图3所示，所述主体桩1与第一支承梁3、第二支承梁7分别形成工字型单元，单根主体桩1承受周围一部分土体6的荷载，传递给工字型单元，工字型单元作为计算单元，承担对应土体的荷载，所有工字型单元共同组成主体结构。本实施例以单个工字形单元承担相应的一部分土体水平荷载，在设计时对这部分土体荷载进行计算，作为设计主体桩1配筋的考虑条件，从而设计出符合主体结构标准的主体桩1。

进一步的，外层主体结构的主体桩1可紧贴用地红线设置，完全利用红线以内的所有用地面积，不需要设置肥槽。外层主体单元的内侧表面设置止水帷幕2，止水帷幕2用于挡住地下水，避免地下水向基坑内渗入且止水帷幕2沿周向连接为一体。

实施例二：

本实施例提供了一种具有基坑支护功能的地下结构体系的施工方法，包括以下步骤：

步骤一：沿场地边界与外围框架柱的位置进行主体桩1的施工，以形成外层主体单元。

其中，主体桩1预先按照主体结构标准设计；传统的支护桩主要承担水平方向的土体荷载，由于需要有施工的操作空间(支模板)，一般的框架柱必须要在基坑开挖以后才能进行施工。本实施例采用桩柱一体技术(即以主体桩作为框架柱)，用打桩的方式在基坑开挖之前完成柱的施工。

进一步的，主体桩1内部的钢筋需预留出用于连接支承梁的接头，或预埋用于连接的钢构件。主体桩1的布置需根据土体6质量情况和主体框架的设计情况确定，待框架柱的位置都完成了主体桩1施工后，视土体质量的好坏，在主体桩1之间可增加主体桩1，即土体质量差的区域形成加密区4。

步骤二：在主体桩1与土体之间进行止水帷幕2的施工，避免水对基坑稳定性的影响。

步骤三：待止水帷幕2与主体桩1养护完成后，在地面对外层主体单元的相邻主体桩1之间的土体开槽，进行第一层第一支承梁3的施工。

进一步的，第一支承梁3可以用装配式钢筋混凝土构件或者装配式钢构件，与预埋在主体桩1中的连接构件形成刚性连接；通过预埋连接钢筋和连接构件可以实现梁柱的刚性连接，不会存在安全隐患。也可以使用现浇的钢筋混凝土制作第一支承梁3，模板直接安置在土体的开槽中，主体桩1相对的侧面凿空，露出其中的预留钢筋，与主体桩钢筋连接成一体，之后进行浇筑，主体桩与支承梁连接为整体。

步骤四：第一层第一支承梁3施工完毕后，继续开挖相邻主体桩1之间的土体，挖至设置第二层第一支承梁3的位置，在本实施例中，第二层第一支承梁3位置对应于地下室一层底面；进行第二层第一支承梁3的施工，施工方法与第一层第一支承梁3一致，此时挖出的空间即为地下室一层。

由于土体自身性质(黏性、黏聚力等)，只需要主体桩1和第一支承梁3即可承担其水平荷载，保证土不会坍塌，而不需支挡所有的土；本实施例使用的每一根主体桩1都可以挡住一部分的土，主体桩1之间只需要用混凝土砌块或其他构件制作一道起隔断作用的墙即可，隔断墙不承担水平荷载和竖向荷载(主体桩1与第一支承梁3组成的框架结构已经承担了水平和竖向荷载)，其不需要具有很强的承载能力。

现有支护桩在支护时一般都要覆盖所有的土，施工完毕回填后的使用阶段，也是地下室外墙挡住所有的土，地下室外墙需要承担水平和竖向载荷；本实施例相比现有技术中的地下室外墙可节约大量材料。

步骤五：重复开挖土体、施工第一支承梁3的步骤，直至开挖到底，此时外围土体全部开挖完毕，(内部土体可以跟外围土体同时在同一阶段开挖，但不能进行内部主体单元的施工，也可以等外围主体结构的主体桩1和第一支承梁3全部施工完成后再开挖)。

内层主体单元从下往上依次施工即可，内层主体桩1不需要使用打桩的方式施工；内、外主体单元通过在预留的施工缝中设置第二支撑梁7连接为一体，共同承担所有的荷载。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有基坑支护功能的地下结构体系的施工方法，其特征在于，所述地下结构体系包括至少两层从外到内依次设置的主体单元，所述主体单元包括若干间隔分布的主体桩，主体桩能够承受竖向载荷和水平载荷；

每个主体单元的相邻两主体桩通过第一支承梁连接形成封闭结构，相邻主体单元对应的主体桩通过第二支承梁相连，通过第一支承梁和第二支承梁使各主体单元连接形成主体框架结构；

以外层主体单元作为框架柱，外层主体结构作为地下主体结构的最外围紧贴用地红线设置，完全利用红线以内的所有用地面积；不需要设置肥槽；

施工方法包括：

按照主体结构的标准设计主体桩；采用桩柱一体技术，用打桩的方式在基坑开挖之前完成柱的施工；设计主体桩时，以主体桩与第一支承梁、第二支承梁构成的工字型单元为基准计算土体荷载，根据土体载荷进行主体桩内部钢筋布置；

确定最外层主体单元的施工位置，并在场地内施工主体桩；施工主体桩后，在主体桩与土体之间施工止水帷幕；

在地面进行最外层主体单元的相邻主体桩之间开槽，制造第一层第一支承梁的施工空间；

施工最外层主体单元中第一层第一支承梁；

开挖主体桩之间的土体至地下室一层底面，并施工第二层第一支承梁；

重复开挖和相应层第一支承梁的施工，直至土体开挖至基坑底部，并完成最底层第一支承梁的施工，形成外围框架；

依次进行内层主体单元的施工，并通过第二支承梁连接相邻主体单元，形成地下结构体系。

2.根据权利要求1所述的一种具有基坑支护功能的地下结构体系的施工方法，其特征在于，所述主体桩的横截面为矩形，主体桩内部钢筋预埋用于连接第一支承梁、第二支承梁的钢构件。

3.根据权利要求1所述的一种具有基坑支护功能的地下结构体系的施工方法，其特征在于，所述主体桩在设定位置间距缩小以形成加密区。

4.根据权利要求1所述的一种具有基坑支护功能的地下结构体系的施工方法，其特征在于，所述第一支承梁、第二支承梁沿主体桩高度方向间隔布置多个。

5.根据权利要求1所述的一种具有基坑支护功能的地下结构体系的施工方法，其特征在于，最外层主体单元的内侧表面设置止水帷幕。

6.根据权利要求1所述的一种具有基坑支护功能的地下结构体系的施工方法，其特征在于，第一支承梁、第二支承梁与预埋在主体桩中的连接构件形成刚性连接；

或者使用现浇钢筋混凝土制作支承梁，模板直接安置在土体的开槽中，主体桩侧面凿空，露出其中的预留钢筋，支承梁与预留钢筋连接成一体后进行浇筑，使主体桩与支承梁连接为整体。

7.根据权利要求1所述的一种具有基坑支护功能的地下结构体系的施工方法，其特征在于，最外层主体单元的内侧土体与外围土体同时在同一阶段开挖，但不能进行内部主体单元的施工；或者在最外层主体单元的主体桩和支承梁全部施工完成后再开挖；内部土体开挖后，施工内层主体单元。

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