CN113737813A - 一种结构工程主导的岩土结构化永久支护体系及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种结构工程主导的岩土结构化永久支护体系及设计方法，属于地下结构技术领域，其技术方案为：包括基于永久荷载分项系数设计的支护结构，所述支护结构通过多个间隔设置的连接构件连接主体结构的框架柱，相邻框架柱之间设有用于阻隔土体的隔断墙，形成仅以支护结构承担水平方向土压力的永久支护体系。本发明在设计时就考虑主体结构和支护结构连接后产生的共同作用，从而减少材料的使用，降低成本。

Description

一种结构工程主导的岩土结构化永久支护体系及设计方法
技术领域
本发明涉及地下结构技术领域，尤其涉及一种结构工程主导的岩土结构化永久支护体系及设计方法。
背景技术
目前，基坑支护设计属岩土工程专业，地下结构设计属结构工程设计。基坑支护结构以服务地下结构建设为目标，为地下结构施工提供安全稳定空间。因此基坑支护结构和主体地下结构是在同一场地不可分割的整体。现阶段由于两个专业的分离使得基坑支护结构作为临时性措施出现，浪费了大量材料，导致了环境污染。
现有地下结构体系存在以下问题：
(1)设计过程中，结构工程师设计主体结构，岩土工程师设计支护结构，主体结构与支护结构在设计上的割裂导致两部分结构在功能上存在了一种结构的重复。支护在地下结构施工阶段承担土压力，地下结构施工完毕，肥槽回填后支护结构就失去作用，由主体结构中地下室外墙承担同样的土压力。但支护结构并没有回收出来，研究表明实际遗留在地下的支护结构依旧发挥着作用，忽视支护作用只是结构工程师不考虑支护结构存在的主观不作为行为，因此地下室外墙至少部分重复了支护结构的永久功能。
这样一个项目中同一个荷载—土压力，岩土和结构两种专业的设计任务分别设计了两种结构承担，浪费是必然的，显然不合理。
(2)目前考虑支护结构与主体结构的共同作用的有关结构体系中，存在利用一些连接构件将支护桩、墙改造为永久支护的案例，但那是岩土工程专业主动联系结构工程专业的一种做法，实际上是被动的、一箱情愿的好心，这种方法，可以叫做“结构岩土化”，就是岩土工程专业设计基坑支护结构时，利用主体地下结构构件，让结构构件在基坑开挖阶段发挥了岩土工程专业的功能。实际上，这种方法能够节省造价，减少环境污染。但由于结构工程专业增加了工作量，结构专业不是很积极、配合、主动，成功的案例不多。
所以，基坑工程几十年的发展，浪费的情况越来越严重，现在举国上下高质量发展、实施低碳战略，基坑工程的临时性人为浪费亟待改变。
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结构工程主导的岩土结构化永久支护体系及设计方法。这种方法是在设计开始时，结构工程专业主动作为明确岩土工程专业设计支护结构比如支护桩、地连墙等构件作为主体结构的一部分，永久使用，总是承担土压力；结构工程专业的设计地下室外墙，确定不再承担土压力，可以只承担肥槽内回填土的侧压力。结构工程专业构造支撑、连梁等与支护结构连接，将支护桩墙和地下结构连接在一起。这样的主动作为和担当，只让支护桩、墙承担土压力；地下室外墙构造设置，不再承担土压力，减薄了外墙厚度(条件适当还可以不做外墙)从而减少材料的使用，降低成本，减少了污染。这也可以叫“岩土结构化”设计方法，就是在结构专业主动作为下，让岩土工程专业设计的基坑支护结构，成为主体结构的组成部分。
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结构工程主导的岩土结构化永久支护体系，包括基于永久荷载分项系数设计的支护结构，所述支护结构通过多个间隔设置的连接构件连接主体结构的框架柱，相邻框架柱之间设有用于阻隔土体的隔断墙，形成仅以支护结构承担水平方向土压力的永久支护体系。
作为进一步的实现方式，所述隔断墙与支护结构之间填充回填土。
作为进一步的实现方式，所述支护结构的材料强度与主体结构一致或高于主体结构。
作为进一步的实现方式，所述回填土为夯实后的回填土，支护结构远离回填土的一侧为天然土。
第二方面，本发明的实施例还提供了一种结构工程主导的岩土结构化永久支护体系的设计方法，包括：
预先按照永久荷载分项系数设计支护结构；设计不包含地下室外墙的主体结构，并设计连接构件；
施工支护结构，开挖基坑内部土体并处理基底；
施工主体结构，将主体结构与支护结构通过连接构件连接；
在肥槽内施工隔断墙，之后回填肥槽土体。
作为进一步的实现方式，支护结构设计时考虑后期主体结构与支护结构共同作用的影响，按照主体结构能够永久承担土压力进行设计。
作为进一步的实现方式，以主体结构设计为主导，支护结构配合主体结构进行设计。
作为进一步的实现方式，对支护结构内侧、隔断墙外侧及连接构件均做防水、防腐处理。
作为进一步的实现方式，进行肥槽土体回填后，对回填土分层夯实。
作为进一步的实现方式，所述支护结构的支护构件为支护桩或地连墙。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明以结构工程为主导，岩土工程作为配合，从设计开始就考虑后期主体结构与支护结构共同作用的影响，按照永久荷载分项系数设计支护结构，将原有的临时性支护提升为永久发挥作用的支护结构；省去了地下室外墙，并以隔断墙作为替代，将普通支护结构和地下室外墙的功能合二为一；达到合并支护结构与主体结构中功能重复或相似的构件的目的，从而减少材料的使用，降低成本，减少对地下空间的污染。
(2)本发明在原地下室外墙的位置设置隔断墙，隔断墙只阻隔回填土，承担其土压力；通过连接构件将主体结构连接到支护结构，并分层夯实回填土，回填土对其两侧的支护结构以及主体结构产生水平的作用力，实现土体对地下结构的嵌固作用，此时支护结构、连接构件与主体结构形成完全的共同作用，回填土、支护结构与主体结构完全形成一个整体，外部土体对整个结构的水平作用力先施加给支护结构，支护结构通过连接构件和回填土传递给主体结构，整个地下结构体系实现共同作用。
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是现有地下结构设计框图；
图2(a)是现有支护桩作为主要支护构件示意图；
图2(b)是现有地连墙作为主要支护构件示意图；
图3是本发明根据一个或多个实施方式的地下结构体系示意图；
图4是本发明根据一个或多个实施方式的地下结构体系设计框图；
图5是本发明根据一个或多个实施方式的施工流程图；
其中，1、天然土，2、支护桩，3、地下室外墙，4、回填土，5、地连墙，6、框架柱，7、隔断墙，8、连接构件。
具体实施方式
实施例一：
本实施例提供了一种结构工程主导的岩土结构化永久支护体系，如图3所示，包括支护结构、主体结构、隔断墙7和回填土4，为了合并支护结构与主体结构中功能重复或相似的构件，以隔断墙7代替地下室外墙3，隔断墙7只阻隔回填土，承担土压力。取消了地下室外墙，形成仅以支护结构承担水平方向土压力的永久支护体系。
如图2(a)和图2(b)所示，现有技术结构体系在施工和使用中受到的水平力实际为天然土1对其施加的土压力，在支护结构中由支护桩2(地连墙5)承担水平方向的土压力，在主体结构中由地下室外墙3承担水平方向的土压力，支护桩2(地连墙5)一般在施工阶段发挥作用，而在地下室外墙3施工完成后便不再发挥作用，改由地下室外墙3承担水平方向的土压力。
虽然现有永久支护可以做到使支护结构永久发挥作用，但结构体系中仍然存在两个有相同功能且可独立承担土体荷载的构件，即支护桩2(地连墙5)和地下室外墙3，同一个荷载在两部分结构中都有相应的受力构件，而且两部分的构件都可以单独承担所有的荷载；这是因为结构工程和岩土工程在进行设计时都没有考虑到另一部分结构的影响，更没有考虑到两者之间存在的共同作用，造成了设计不经济、不实用的结果。
本实施例的支护结构将荷载分项系数由1.25改为1.35，从设计开始就考虑后期主体结构与支护结构共同作用的影响，岩土工程进行支护结构设计，将普通的临时性支护结构设计为永久支护结构，按其能永久承担基坑土压力进行设计。
进一步的，所述支护结构为支护桩2或地连墙5，以支护桩2作为支护结构为例，如图3所示，支护桩2与主体结构的框架柱6之间通过多个间隔设置且相互平行的连接构件8连接。
相邻框架柱6之间设有隔断墙7，由于设计支护桩2时，将其荷载分项系数由1.25调整为1.35，并且使用强度与主体结构一致或高于主体结构的混凝土、钢筋等材料进行支护桩2的施工，搭配锚杆等构件，将原有的临时性支护提升为永久发挥作用的支护结构，将普通支护结构和地下室外墙的功能合二为一。
改变后的支护桩2取代了地下室外墙3，设计时在原地下室外墙3的位置设置满足构造要求的隔断墙7，只阻隔回填土，承担其土压力，同时设计连接构件8，主体结构施工完成后连接构件8连接到支护桩2，从而实现二者共同作用。
进一步的，支护桩2打入天然土1中，并在支护桩2与隔断墙7之间填充回填土4(肥槽回填)。主体结构与支护结构连接后，这两部分结构便成为整体，当整个地下结构施工完成，土体回填完毕，主体结构与支护结构实现共同作用：外侧的支护结构与内侧的主体结构通过连接构件8连接为一体，内部为夯实的回填土4，形成“桩-土-墙”的复合结构，“桩-土-墙”结构承担所有的土压力，可将其看作一堵由支护结构、回填土4和主体结构共同构成复合外墙，作为整个结构体系的一部分永久发挥其作用。
实施例二：
本实施例提供了一种结构工程主导的岩土结构化永久支护体系的设计方法，以支护结构为地连墙为例，如图5所示，包括：
(1)预先按照永久荷载分项系数设计地连墙，设计不包含地下室外墙的主体结构，并设计连接构件：
考虑到岩土工程的复杂性以及现有设计方法(永久支护设计方法)，选择以结构工程为主导，岩土工程进行配合的方案。岩土工程改变荷载分项系数，结构工程取消地下室外墙并设计连接构件，从而实现主动连接，在这个分工中结构工程的工作要多于岩土工程，做出的改变也更大，因此是以结构工程为主导。
由结构工程为主导，主动地考虑主体结构与支护结构连接以后的共同作用，在设计主体结构的过程中就将支护结构作为体系的一部分利用起来，并且设计合适的连接构件去实现这一作用，实现节约人力物力的目的。而岩土工程师需要按照永久支护结构进行设计，不需要做过多的调整和设计，配合结构工程进行设计即可。
具体地，如图4所示，为合并支护结构与主体结构中功能重复或相似的构件，地连墙和地下室外墙只保留地连墙，设计地连墙(岩土工程设计)时，将其荷载分项系数由1.25调整为1.35，并且使用强度与主体结构一致或高于主体结构的混凝土、钢筋等材料进行支护结构的施工，搭配锚杆等构件，将原有的临时性支护提升为永久发挥作用的支护结构，将普通地连墙和地下室外墙的功能合二为一。
(2)场地平整后，施工支护结构。
由于是按照永久支护结构进行的地连墙设计，此地连墙施工完成后便可作为支护结构永久的承担基坑土体对地下结构体系施加的水平作用力。
(3)开挖基坑内的土体，并对基底进行处理，处理完成后就依据设计施工主体结构的各个框架柱、连梁和楼板。主体结构完成后通过连接构件(例如外伸支撑)连接主体结构与地连墙，连接完成后支护结构与主体结构便形成一个整体，开始实现共同作用。
(4)在肥槽内侧施工一道隔断墙，可以用混凝土砌块或其它材料施工，隔断墙仅承担回填土的部分土压力，起到阻隔作用。至此所有的地下结构施工完成，且各构件都有足够的空间来满足防水处理以及后期装饰装修的要求，对地连墙内侧、构造墙外侧以及连接构件做好防水、防腐处理。
(5)进行肥槽土体回填，回填土须分层夯实，完全回填后，回填土对两侧的地连墙以及主体结构产生水平的作用力，实现土体对地下结构的嵌固作用，此时地连墙、连接构件与主体结构形成完全的共同作用，回填土、支护结构与主体结构完全形成一个整体，外部土体对整个结构的水平作用力先施加给地连墙，地连墙通过连接构件和回填土传递给主体结构，整个地下结构体系实现共同作用。
如图1所示，现有技术设计过程中，结构工程设计主体结构，岩土工程设计支护结构，主体结构与支护结构在设计中为两个独立的部分，但在实际使用中又有密切的联系，主体结构与支护结构在设计上的割裂导致两部分结构存在重复的功能和不必要的构件。
本实施例从设计时就考虑后期主体结构与支护结构共同作用的影响，岩土工程进行支护结构设计，将普通的临时性支护结构设计为永久支护结构，按其能永久承担基坑土压力进行设计。结构工程不再设计地下室外墙，仅设计一道满足构造要求的隔断墙用以抵挡回填土的土压力，并且增加连接构件的设计，所有设计都是以“主体结构与支护结构通过连接构件实现共同作用”为前提进行。
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 (10)

1.一种结构工程主导的岩土结构化永久支护体系，其特征在于，包括基于永久荷载分项系数设计的支护结构，所述支护结构通过多个间隔设置的连接构件连接主体结构的框架柱，相邻框架柱之间设有用于阻隔土体的隔断墙，形成仅以支护结构承担水平方向土压力的永久支护体系。
2.根据权利要求1所述的一种结构工程主导的岩土结构化永久支护体系，其特征在于，所述隔断墙与支护结构之间填充回填土。
3.根据权利要求1或2所述的一种结构工程主导的岩土结构化永久支护体系，其特征在于，所述支护结构的材料强度与主体结构一致或高于主体结构。
4.根据权利要求1所述的一种结构工程主导的岩土结构化永久支护体系，其特征在于，所述回填土为夯实后的回填土，支护结构远离回填土的一侧为天然土。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种结构工程主导的岩土结构化永久支护体系的设计方法，其特征在于，包括：
预先按照永久荷载分项系数设计支护结构；设计不包含地下室外墙的主体结构，并设计连接构件；
施工支护结构，开挖基坑内部土体并处理基底；
施工主体结构，将主体结构与支护结构通过连接构件连接；
在肥槽内施工隔断墙，之后回填肥槽土体。
6.根据权利要求5所述的一种结构工程主导的岩土结构化永久支护体系的设计方法，其特征在于，支护结构设计时考虑后期主体结构与支护结构共同作用的影响，按照主体结构能够永久承担土压力进行设计。
7.根据权利要求6所述的一种结构工程主导的岩土结构化永久支护体系的设计方法，其特征在于，以主体结构设计为主导，支护结构配合主体结构进行设计。
8.根据权利要求5所述的一种结构工程主导的岩土结构化永久支护体系的设计方法，其特征在于，对支护结构内侧、隔断墙外侧及连接构件均做防水、防腐处理。
9.根据权利要求5所述的一种结构工程主导的岩土结构化永久支护体系的设计方法，其特征在于，进行肥槽土体回填后，对回填土分层夯实。
10.根据权利要求5所述的一种结构工程主导的岩土结构化永久支护体系的设计方法，其特征在于，所述支护结构的支护构件为支护桩或地连墙。
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