CN115305924B - 减小深基坑变形的预应力施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于土木施工技术领域，涉及一种减小深基坑变形的预应力施工方法：1)先打入钢筋混凝土灌注桩；2)制作冠梁，并在冠梁内轴向上预留曲线形的预应力孔道，冠梁与灌注桩锚固，冠梁轴向与灌注桩轴向垂直，冠梁与深基坑的坑壁土体接触；3)灌注桩及冠梁混凝土强度达到设计强度80％以上时，从预应力孔道穿入钢绞线，并计算钢绞线水平方向的有效垂度h；4)计算施加在钢绞线上的预应力数值，并施加相应的预应力，封锚完成施工。本发明用预应力来平衡土压力，使得作用在冠梁上的荷载趋于零，极大的减小深基坑顶部水平位移，提高围护结构的强度及刚度、确保基坑自身及周边环境安全、节约材料的消耗、降低工程成本，减少碳排放。

Description

减小深基坑变形的预应力施工方法

技术领域

本发明属于岩土工程施工技术领域，涉及一种减小深基坑变形的预应力施工方法。

技术背景

基坑工程是土木施工中不可缺少的工程之一，基坑工程是由地面向下开挖，当开挖深度超过5米，或深度虽未超过5米，但地质条件和周边环境条件复杂的基坑均属于具备一定规模的危大工程。对于开挖后的深基坑，在基坑四周设置垂直围护结构，然后再置支撑结构，减小围护结构的变形，控制桩(墙)体的最大弯矩。

基坑围护结构体系主要包括钢筋混凝土支护桩和混凝土冠梁，支护桩轴向向下打入基坑底部，混凝土冠梁水平置于桩顶，但混凝土冠梁受到基坑侧壁的土压力，使得混凝土冠梁的荷载增大，载荷不平衡时基坑会产生向坑内的水平位移，基坑容易发生变形，影响施工安全和施工质量。在常规施工中，为了提高混凝土冠梁抵御荷载的能力，通常是增加混凝土冠梁的体积，造成材料浪费，增加了工程成本。目前在“双碳”背景下，迫切需要找到一种既能减小基坑围护结构混凝土用量，又能减小基坑安全风险的技术措施。

发明内容

针对现有深基坑施工存在的深度大、荷载大、对周边环境安全影响大以及成本高的技术难题，本发明提供一种减小深基坑变形的预应力施工方法，充分考虑土体的土质(饱和土或非饱和土)以及土压力(主动土压力或静止土压力)的不同，创造性的提出由塑限和缩限为控制性因素的非饱和土主动土压力修正系数ξ，用预应力来平衡土压力，理想状态下能达到作用在围护结构(冠梁)上的水平荷载接近于零，极大的减小深基坑的变形；围护结构的强度及刚度均能提高、保护周边环境及基坑自身安全、节约材料的消耗、降低工程成本、减少了碳排放。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种减小深基坑变形的预应力施工方法，包括以下步骤：

1)先打入基坑围护所需钢筋混凝土灌注桩；

2)制作冠梁，并在冠梁内轴向上预留曲线形的预应力孔道，冠梁置于钢筋混凝土灌注桩顶部与钢筋混凝土灌注桩锚固，冠梁轴向与钢筋混凝土灌注桩轴向垂直，冠梁与深基坑的坑壁土体接触；

3)钢筋混凝土灌注桩的混凝土及冠梁的混凝土在强度达到设计强度的80％以上时，从冠梁内预留的预应力孔道中穿入钢绞线，并计算出钢绞线水平方向的有效垂度h；

4)根据冠梁围护的深基坑对周边环境变形的敏感程度、土的抗剪强度参数、基坑深度、土压力修正系数ξ、冠梁尺寸和有效垂度h，计算出施加在冠梁内的钢绞线上的预应力大小，并施加相应的预应力，然后封锚连接基坑四周的冠梁，完成施工。

进一步的，所述步骤2)中，钢筋混凝土灌注桩锚入冠梁内的高度至少为50mm。

进一步的，所述步骤3)中，有效垂度h的计算公式为：

h＝b-σ-ι；

其中：

b—冠梁的宽度，m；

σ—深基坑跨中位置预应力筋最小保护层厚度，m；

ι—预应力孔道中心距离冠梁迎土侧结构边线距离，m；

h—预应力钢绞线水平方向有效垂度，m。

进一步的，所述步骤4)中，钢绞线的根数根据需要施加的预应力数值计算得出，所述钢绞线为无粘结预应力钢绞线。

进一步的，所述深基坑侧壁土质为饱和土或重塑土时，预应力大小的计算公式为：

所述深基坑侧壁土质为非饱和土时，预应力大小的计算公式为：

其中：

F—饱和土或重塑土深基坑施加的预应力，kN；

E_a—饱和土或重塑土的主动土压力，kN/m；

L—基坑边长的长度，m；

F'—非饱和土深基坑施加的预应力，kN；

E_a'—非饱和土的主动土压力，kN/m。

进一步的，所述饱和土或重塑土为黏性土时，主动土压力E_a按照下述公式计算：

其中：

p_a—饱和土或重塑土的主动土压力强度，kPa；

K_a—主动土压力系数；

γ—土的重度，kN/m³；

z—计算点，同基坑的深度，m；

c—土的粘聚力,kPa；

φ—土的内摩擦角，°；

H—基坑深度，m；

所述饱和土或重塑土为无黏性土时；主动土压力E_a按照下述公式计算：

p_a＝K_aγz

进一步的，所述步骤4)中，所述非饱和土为黏性土时，主动土压力E_a’按照下述公式计算：

其中：

p_a'—非饱和土的主动土压力强度，kPa；

ξ—非饱和土主动土压力修正系数，取0.3～0.5；

所述非饱和土为无黏性土时，主动土压力E_a'按照下述公式计算：

p_a'＝ξK_aγz

进一步的，基坑达到主动极限状态时，用饱和土或重塑土的静止土压力E₀代替其主动土压力E_a，用非饱和土的静止土压力E₀'代替其主动土压力E_a'。

进一步的，所述非饱和土为黏性土时，静止土压力E₀'按照下述公式计算：

K₀＝1-sinφ'

所述非饱和土为无黏性土时，静止土压力E₀'按照下述公式计算：

其中：

K₀—静止土压力系数；

φ'—土的有效内摩擦角，°；

E₀'—非饱和土的静止土压力，kN/m。

进一步的，所述饱和土或重塑土的静止土压力E₀按照下述公式计算：

K₀＝1-sinφ'

其中：

E₀—饱和土或重塑土的静止土压力，kN/m

本发明的有益效果是：

1、本发明利用曲线型预应力钢绞线来平衡围护结构(冠梁)的土压力，理想状态下能达到作用在冠梁(围护结构)上的载荷趋近于零，能有效控制基坑水平位移，进而对周边环境的影响降至最低，且能大幅度提高围护体系的刚度和强度，在相同条件下能有效减少冠梁截面尺寸，节约钢筋混凝土材料，减少碳排放、降低造价，节省成本。

2、本发明施加的预应力，使得混凝土由脆性材料变成弹性材料，充分发挥混凝土抗压强度高的特点，有效控制土压力过大导致的混凝土冠梁产生裂缝；无粘结钢绞线置于混凝土内部，与混凝土协同工作，形成内力偶，抵抗外弯矩，减小基坑水平位移，保护基坑自身及周边环境安全。

3、本发明通过在冠梁内部预留预应力孔道，预应力可以根据土层抗剪强度参数、基坑深度、土体饱和程度、周边环境对变形的敏感程度等因素进行自由调整，得到的预应力能有效平衡土压力及其他建(构)筑物产生的荷载或施工时产生的临时附加荷载，使得冠梁顶部的变形由常见的30～50mm降低至0～5mm，远远小于现行国家规范规定的一级基坑顶部水平位移限值，大大减小基坑变形的发生，保证施工安全和施工质量。

附图说明

图1为支护结构立面图；

图2为冠梁结构示意图；

图3为冠梁俯视示意图；

图4为图3中A节点放大图；

其中：

1—灌注桩；2—冠梁；3—钢绞线；4—预应力锚具；5—钢垫板；6—斜钢垫板；7—工字钢；8—钢锚板；9—锚栓；10—混凝土面层。

具体实施方式

现结合附图以及实例对本发明做详细的说明。

本发明提供的减小深基坑变形的预应力施工方法，包括以下步骤：

1)先打入基坑围护所需的钢筋混凝土灌注桩1；

2)制作冠梁2，并在冠梁2内轴向上预留曲线形的预应力孔道，冠梁2置于灌注桩1顶部与灌注桩2锚固，冠梁2轴向与灌注桩1轴向垂直，冠梁2与深基坑的坑壁土体接触；

3)钢筋混凝土灌注桩1及在冠梁2混凝土强度达到设计强度80％以上时，从冠梁2内预留的预应力孔道中穿入钢绞线3，并计算出钢绞线3水平方向的有效垂度h；

4)根据冠梁2周围的深基坑周边环境对变形敏感程度、土的抗剪强度参数、基坑深度、土压力修正系数ξ、冠梁2尺寸和有效垂度h，计算出施加在冠梁2内的钢绞线3上的预应力大小，并施加相应的预应力，然后封锚连接基坑四周的冠梁，完成施工。

参见图1，灌注桩1为多根，是由钢筋混凝土制成。灌注桩1底部打入基坑底部，灌注桩1留在基坑内露出的部分，在其面上设置钢筋网片，喷射80mm厚、强度为C20的混凝土面层10。灌注桩1的顶部锚入冠梁2内，锚入的高度至少为50mm。

参见图2，冠梁2的常规高度H为600mm，宽度B为800mm(根据灌注桩直径确定)，冠梁2的长度根据基坑边长确定。

本实施例中，钢绞线3的根数是根据需要施加的预应力数值计算得出的，一般为多根。例如为3～4根。

参见图3，本发明钢绞线3一般由3～4根组成，施加预应力使用的钢绞线的极限强度标准值f_ptk为1860MPa，抗拉强度设计值f_py为1320MPa，工程上常用的1×7直径15.2mm的钢绞线单根抗拉强度设计值约为240kN，根据需要施加的预应力数值计算需要的钢绞线根数。(当需要施加的预应力较大时，可采用1×7直径17.8mm的钢绞线，同时适当提高冠梁所用混凝土的强度标号)，钢绞线3为无粘结预应力钢绞线。冠梁2的钢筋保护层厚度为50mm。

参见图3，本发明步骤3)中，有效垂度h的计算公式为：

h＝b-σ-ι；

其中：

b—2的宽度，m；

σ—深基坑跨中位置预应力筋最小保护层厚度，m；

ι—预应力孔道中心距离冠梁2迎土侧结构边线距离，m；

h—预应力钢绞线水平方向有效垂度，m。

本发明中，有效垂度h具体指的是预留孔道距离两端张拉点连线的最大垂直距离。

参见图4，在穿入曲线型钢绞线3后，将预应力锚具4通过连接件固定在冠梁2两端。

具体的，连接件包括工字钢7、斜钢垫板6和钢锚板8，斜钢垫板6的垂直面依次经过工字钢7和钢锚板8与冠梁2的两端连接固定，斜钢垫板6的斜面上设置钢垫板5，预应力锚具4垂直放置在钢垫板5上，钢绞线3两端与预应力锚具4连接。

实施时，工字钢7为两个，钢锚板8通过锚栓9固定在冠梁2的两端，锚栓9为4个。

钢锚板8为Q235b钢板，体积为500*600*20mm；工字钢7为25b型工字钢7；预应力锚具4质量应符合国家标准GB/T 14370相关要求，锚栓9为6M20化学锚栓。

本发明中，施加的预应力大小与冠梁2周围的深基坑土层抗剪强度参数、基坑深度、土体饱和程度、周边环境对变形的敏感程度、冠梁2的尺寸和钢绞线3的有效垂度h有关，预应力的计算具体如下：

(1)深基坑土质为饱和土或重塑土时，预应力大小的计算公式为：

其中：

F—饱和土或重塑土深基坑施加的预应力，kN；

E_a—饱和土或重塑土的主动土压力，kN/m；

L—基坑边长的长度，m。

饱和土或重塑土的主动土压力E_a按照如下公式分别计算(本发明中，饱和土为饱和度s_r大于85％的黄土、地下水位以下的粉土及粉质黏土；重塑土为填土)。

饱和土或重塑土为黏性土时，主动土压力E_a按照下述公式计算：

其中：

p_a—饱和土或重塑土的主动土压力强度，kPa；

K_a—主动土压力系数；

γ—土的重度，kN/m³；

z—计算点(同基坑)深度，m；

c—土的粘聚力,kPa；

φ—土的内摩擦角，°(度)；

H—基坑深度，m。

饱和土或重塑土为无黏性土时，主动土压力E_a按照下述公式计算：

p_a＝K_aγz

(2)深基坑土质为非饱和土时，预应力大小的计算公式为：

其中：

F'—非饱和土深基坑施加的预应力，kN；

E_a'—非饱和土的主动土压力，kN/m。

L—基坑边长的长度，m。

非饱和土的主动土压力E_a'分别按照下述公式计算。

当非饱和土为黏性土时，主动土压力E_a'按照下述公式计算：

其中：

p_a'—非饱和土的主动土压力强度，kPa；

ξ—非饱和土主动土压力修正系数，取0.3～0.5；

当非饱和土为无黏性土时，主动土压力E_a'按照下述公式计算：

p_a'＝ξK_aγz

本发明中，非饱和土为饱和度s_r小于85％的黄土及其他非饱和土。

对于非饱和土，由于基质吸力(负孔隙水压力)的存在，使得土压力一般小于饱和土及重塑土的土压力，所以，在考虑安全性和非饱和性质多样性的前提下，本发明在计算非饱和土的主动土压力E_a'时引入非饱和土主动土压力修正系数ξ，范围在0.3～0.5之间。

实施时，当非饱和土的含水率接近缩限时，ξ取0.3，当非饱和土的含水率接近塑限时，ξ取0.5，当非饱和土的含水率介于缩限和塑限之间时，可根据含水率采用内插法计算ξ。

(3)一般基坑达到主动极限状态时，深基坑的变形达到30mm左右，需要严格控制变形时，饱和土或重塑土的主动土压力E_a用饱和土或重塑土的静止土压力E₀代替。

K₀＝1-sinφ'

其中：

K₀—静止土压力系数；

φ'—土的有效内摩擦角，°(度)。

(4)一般基坑达到主动极限状态时，根据土质及基坑深度不同，一般情况下基坑的水平变形将达到30mm及以上，难以满足安全需求，此时用饱和土或重塑土的静止土压力E₀代替其主动土压力E_a，用非饱和土的静止土压力E₀'代替其主动土压力E_a'，能很好的控制基坑变形。

实施时，达到主动极限状态时，深基坑的变形一般土在30mm左右，在周边环境对变形控制要求严格的情况下，非饱和土的主动土压力E_a'可采用相对较大的非饱和土静止土压力E₀'代替。

非饱和土为黏性土时，静止土压力E₀'按照下述公式计算：

K₀＝1-sinφ'

非饱和土为无黏性土时，静止土压力E₀'按照下述公式计算：

其中：

K₀—静止土压力系数；

φ'—土的有效内摩擦角，°。

E₀'—非饱和土的静止土压力，kN/m。

本发明在实施时，当深基坑周边环境条件复杂，需要严格控制变形时，对于饱和土或重塑土可用静止土压力E₀代替饱和土或重塑土的主动土压力E_a；非饱和土可用非饱和土静止土压力E₀'代替非饱和土主动土压力E_a'。

在项目实施中，冠梁2上作用的跨中最大弯矩可按下式计算：

这是考虑到围护桩中主筋已经锚入冠梁2，设计时围护桩混凝土均要锚入冠梁2至少50mm，且冠梁2各段之间近似于刚性连接，同时又考虑到冠梁2转角处连接刚度和施工难度(施加完预应力之后封锚连接)，从安全角度出发，均布荷载产生的跨中最大弯矩按照基于简支及固结之间的弹性地基梁考虑，取(简支时，跨中最大弯矩为：/>固结时，跨中最大弯矩为：/>)。

此处q的物理意义和实例中的E₀'是一样的，均为均布荷载，只是表述弯矩一般用q，但是在土力学计算中采用E₀'更通俗一些，因此本实施例中，冠梁2上作用的跨中最大弯矩可按下式计算：

本发明根据土质情况，计算出施加的预应力；然后通过图4的装置，利用预应力锚具4将钢绞线3锚入冠梁2内的预留预应力孔道内，从冠梁2两端穿出，施加预应力后封锚连接。

本发明通过钢绞线3向冠梁2施加预应力，使得冠梁2由脆性材料变成弹性材料，力学性能得到提升，预应力使得冠梁2中的钢筋更有效的与混凝土结合，协同工作，且预应力施加时产生的内力抵抗矩可随着结构所受的弯矩灵活调整，以平衡土压力及其他邻近建(构)筑物产生的永久荷载或施工期间产生的临时荷载，使得冠梁2顶部的变形由一般的30～50mm降低至理想状态的0～5mm，远远小于现行国家规范对一级基坑顶部水平位移的限值，大大减小基坑变形，保证施工安全和施工质量。

下面以具体的实施例说明本发明提供的预应力施工方法。

非饱和黄土地区有一尺寸12m×10m的深基坑，基坑开挖深度8m，周边环境异常复杂，基坑内部永久性结构采用单边支模工艺，无法施工锚索或内支撑，且需要严格控制基坑开挖对周边环境的影响，据此原设计采用直径800mm，桩长15m，桩间距2m的悬臂桩支护体系(桩顶下压1m)，冠梁高度600mm，宽度800mm，经计算基坑顶部水平向位移最大值达到了45mm，不能满足国家及地方规范对一级基坑变形控制的要求。

实施时，土的重度γ＝16.8kN/m3，粘聚力c＝22kPa，内摩擦角φ＝34°，有效内摩擦角φ'＝26°，含水率介于缩限和塑限中间，地下水位埋深20m，基坑施工不考虑地下水的影响。

采用本发明提供的施工方法。

1)先打入基坑围护所需钢筋混凝土灌注桩1；

2)制作冠梁2，并在冠梁2内轴向上预留曲线形的预应力孔道，冠梁2置于灌注桩1顶部与灌注桩2锚固，冠梁2轴向与灌注桩1轴向垂直，冠梁2与深基坑的坑壁土体接触；

3)钢筋混凝土灌注桩1及冠梁2在混凝土强度达到设计强度80％以上时，从冠梁2内预留的预应力孔道中穿入钢绞线3，并计算出钢绞线3水平方向的有效垂度h；

4)根据冠梁2周围的深基坑周边环境对变形敏感程度、土的抗剪强度参数、基坑深度、土压力修正系数ξ、冠梁2尺寸和有效垂度h，计算出施加在冠梁2内的钢绞线3上的预应力大小，并施加相应的预应力，然后封锚连接基坑四周的冠梁，完成施工。

实施时，为了控制基坑顶部水平位移，保护周边环境安全，通过钢绞线3对灌注桩1(悬臂式)顶部的冠梁2施加预应力，钢绞线3跨中弧形位置钢绞线最小保护层厚度为50mm，预留孔道中心距离冠梁2迎土侧距离为200mm，据此计算预应力。

由于场地为非饱和黄土，故采用的预应力计算公式为但是当深基坑周边环境条件复杂，需要严格控制变形时，非饱和土主动土压力E_a'可用非饱和土静止土压力E₀'代替，且为粘性土，预应力按照下述计算。

K₀＝1-sinφ'

计算时，非饱和土的含水率介于缩限和塑限中间，ξ取值为0.4，计算单位长度(每延米)基坑静止土压力E₀'为：

K₀＝1-sin26°＝0.562

基坑长边跨中最大弯矩值为：

预应力钢绞线水平向有效垂度h为：

h＝b-σ-ι

h＝800-50-200＝550mm＝0.55m

基坑长边方向施加的预应力为：

基坑短边跨中最大弯矩值为：

基坑短边方向施加的预应力为：

计算出预应力后，通过预应力锚具4施加预应力，本实施例中，钢绞线的水平向有效垂度h为0.55m，在基坑长边方向施加627.55kN的预应力，在短边方向施加435.80kN后，测得冠梁2顶部水平位移最大值约3.5mm，远远小于现行国家及地方规范对一级基坑顶部水平位移的预警值(30mm)，很好的保护了基坑自身及周边环境的安全。

Claims (8)

1.一种减小深基坑变形的预应力施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)先打入基坑围护所需钢筋混凝土灌注桩(1)；

2)制作冠梁(2)，并在冠梁(2)内轴向上预留曲线形的预应力孔道，冠梁(2)置于钢筋混凝土灌注桩(1)顶部与钢筋混凝土灌注桩(1)锚固，冠梁(2)轴向与钢筋混凝土灌注桩(1)轴向垂直，冠梁(2)与深基坑的坑壁土体接触；

3)钢筋混凝土灌注桩(1)的混凝土及冠梁(2)的混凝土在强度达到设计强度的80％以上时，从冠梁(2)内预留的预应力孔道中穿入钢绞线(3)，并计算出钢绞线(3)水平方向的有效垂度h；

所述步骤3)中，有效垂度h的计算公式为：

h＝b-σ-ι；

其中：

b—冠梁(2)的宽度，m；

σ—深基坑跨中位置预应力筋最小保护层厚度，m；

ι—预应力孔道中心距离冠梁(2)迎土侧结构边线距离，m；

h—预应力钢绞线水平方向有效垂度，m；

4)根据冠梁(2)围护的深基坑对周边环境变形的敏感程度、土的抗剪强度参数、基坑深度、土压力修正系数ξ、冠梁(2)尺寸和有效垂度h，计算出施加在冠梁(2)内的钢绞线(3)上的预应力大小，并施加相应的预应力，然后封锚连接基坑四周的冠梁，完成施工；

所述深基坑侧壁土质为饱和土或重塑土时，预应力大小的计算公式为：

所述深基坑侧壁土质为非饱和土时，预应力大小的计算公式为：

其中：

F—饱和土或重塑土深基坑施加的预应力，kN；

E_a—饱和土或重塑土的主动土压力，kN/m；

L—基坑边长的长度，m；

F'—非饱和土深基坑施加的预应力，kN；

E_a'—非饱和土的主动土压力，kN/m；

h—预应力钢绞线水平方向有效垂度，m。

2.根据权利要求1所述的减小深基坑变形的预应力施工方法，其特征在于，所述步骤2)中，钢筋混凝土灌注桩(1)锚入冠梁(2)内的高度至少为50mm。

3.根据权利要求1所述的减小深基坑变形的预应力施工方法，其特征在于，所述步骤4)中，钢绞线(3)的根数根据需要施加的预应力数值计算得出，所述钢绞线(3)为无粘结预应力钢绞线。

4.根据权利要求1所述的减小深基坑变形的预应力施工方法，其特征在于，所述饱和土或重塑土为黏性土时，主动土压力E_a按照下述公式计算：

其中：

p_a—饱和土或重塑土的主动土压力强度，kPa；

K_a—主动土压力系数；

γ—土的重度，kN/m³；

z—计算点，同基坑的深度，m；

c—土的粘聚力,kPa；

φ—土的内摩擦角，°；

H—基坑深度，m；

所述饱和土或重塑土为无黏性土时；主动土压力E_a按照下述公式计算：

p_a＝K_aγz

5.根据权利要求1所述的减小深基坑变形的预应力施工方法，其特征在于，所述步骤4)中，所述非饱和土为黏性土时，主动土压力E_a’按照下述公式计算：

其中：

p_a'—非饱和土的主动土压力强度，kPa；

ξ—非饱和土主动土压力修正系数，取0.3～0.5；

所述非饱和土为无黏性土时，主动土压力E_a'按照下述公式计算：

p_a'＝ξK_aγz

6.根据权利要求1所述的减小深基坑变形的预应力施工方法，其特征在于，基坑达到主动极限状态时，用饱和土或重塑土的静止土压力E₀代替其主动土压力E_a，用非饱和土的静止土压力E₀'代替其主动土压力E_a'。

7.根据权利要求6所述的减小深基坑变形的预应力施工方法，其特征在于，所述非饱和土为黏性土时，静止土压力E₀'按照下述公式计算：

K₀＝1-sinφ'

所述非饱和土为无黏性土时，静止土压力E₀'按照下述公式计算：

其中：

K₀—静止土压力系数；

φ'—土的有效内摩擦角，°；

E₀'—非饱和土的静止土压力，kN/m。

8.根据权利要求6所述的减小深基坑变形的预应力施工方法，其特征在于，所述饱和土或重塑土的静止土压力E₀按照下述公式计算：

K₀＝1-sinφ'

其中：

E₀—饱和土或重塑土的静止土压力，kN/m。