本發(fā)明涉及巖土工程的技術領域，主要是一種多層水平連接雙排鋼板樁基坑支護結構及其施工方法。

背景技術：

實際基坑工程中，在基坑場地情況受限、基坑周邊環(huán)境特殊、施工條件不能滿足等條件下，錨桿、土釘、內支撐受到限制而無法實施，而采用單排樁又無法滿足基坑變形和內力的要求，或者采用單排樁會明顯增加造價的情況下，雙排樁支護是一種可供選擇的基坑支護結構形式。

回顧雙排樁支護結構產生到現在這幾十年時間中的變化和工程實踐中，通過監(jiān)測獲得了很多有價值的監(jiān)測數據，通過對這些數據的分析和提煉，得出了一些重要的成果并積累了豐富的經驗。雙排樁支護結構在實際工程中得到了一定范圍的使用并凸顯其很多優(yōu)點。但是，仍然有一些方面需要更深入研究和改進。

收集國內在實際工程中使用過雙排樁支護結構的資料發(fā)現，雙排樁體系僅能在樁頂通過圈梁和連梁實現連接，雙排樁在樁頂變形協(xié)調，但樁頂以下前后兩排樁之間沒有任何連接，前排樁和后排樁變形不協(xié)調，一般前排樁變形大，后排樁變形小，不能充分發(fā)揮后排樁的作用，即兩排樁的整體剛度不大，抗彎和抗變形能力不強，適用挖深一般不超過9米，當基坑開挖深度更大時，雙排樁會因樁身位移及樁身內力過大而不再適用。其次，雙排樁支護結構的寬深比均較小，國內學者認為可以將樁排距為8d～10d(d為樁徑)之間的雙排樁支護結構視作錨拉單排樁支護結構。但是當存在多種附加荷載作用時，支護樁本身的抗彎剛度與土的重力共同作用，寬深比較大的雙排樁支護結構應該被當做兩排樁和樁間土的組合型結構，使得在基坑開挖過程中雙排樁支護結構能夠更有效的抵抗水平方向荷載，可改變傳統(tǒng)的方法如增加樁徑或者使用水平支護體系來提高水平抗力，達到節(jié)約材料的目的。為此，多層水平連接雙排鋼板樁支護結構是在傳統(tǒng)雙排樁支護結構的基礎上提出的一種新型支護結構體系。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于克服現有技術存在的不足，而提供一種在控制基坑沉降和坑壁側向位移方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)雙排樁支護結構的多層水平連接雙排鋼板樁基坑支護結構及其施工方法。

本發(fā)明的目的是通過如下技術方案來完成的。這種多層水平連接雙排鋼板樁基坑支護結構，包括前排鋼板樁、后排鋼板樁、前排樁冠梁、后排樁冠梁、樁頂連梁、鋼絞線、圍檁以及錨具，前排樁采用三角形鋼樁或鋼管樁，后排樁由h型鋼樁和拉錨樁組成；拉錨樁由h型鋼樁與l型鋼管焊接而成，后排樁設有鎖扣，陰頭鎖扣和陽頭鎖扣分別設置在后排樁翼緣兩側。

后排樁腹板對應的翼緣外邊部位分別設置有陽頭鎖扣和陰頭鎖扣，后排樁之間通過陰、陽頭鎖扣互相扣搭進行組合。

后排拉錨樁由h型鋼樁與若干l型鋼管焊接而成，焊接部位選在h型鋼腹板上，并保持l型鋼管水平段垂直腹板面。

l型鋼管豎向段長度各不相等，與h型鋼板樁腹板焊接后的l型鋼管水平段處在不同的標高。

本發(fā)明所述的這種多層水平連接雙排鋼板樁基坑支護結構的施工方法，包括如下步驟：

第一步：根據場地條件和計算分析，確定前排鋼板樁的型號、樁長，確定后排鋼板樁的型號、樁長，鎖扣長度，以及雙排樁的排距，計算鋼絞線的道數、水平間距和豎向間距；

第二步：根據鋼絞線的設計道數、水平間距和豎向間距，加工或選擇合適的h型鋼板樁；

第三步：施工前排鋼板樁，保持鋼板樁處于同一垂直面上；

第四步：依次施工后排鋼板樁，根據設計計算要求排列h型鋼板樁和拉錨鋼板樁，保持樁與樁之間始終相扣；

第五步：施工前排樁冠梁、后排樁冠梁及樁頂連梁；

第六步：基坑開挖至第一道鋼絞線標高以下500mm；

第七步：頂推鋼絞線，安裝圍檁，張拉鋼絞線后通過錨具將鋼絞線錨固于前排鋼板樁上；

第八步：重復第六步、第七步直至最后一道鋼絞線施工完畢；

第九步：開挖至基坑底；

第十步：對基坑坑底進行清理、整平，澆筑墊層，施工地下室底板及其結構；

第十一步：分層回填土，從下至上逐道釋放預應力鋼絞線并回收，依次拔出前排鋼板樁、后排鋼板樁。

更進一步的，前后排樁打樁完畢及前排樁冠梁、后排樁冠梁及樁頂連梁澆筑完成，混凝土達到設計強度要求后，對基坑進行分層開挖；當開挖到預設第一層水平連接標高處，停止開挖；接著將鋼絞線從拉錨樁的l型鋼管插入，用頂推機具頂推鋼絞線，鋼絞線從l型鋼管的水平段伸出后，在土層內水平前進；當鋼絞線接近前排樁時，會被對應相鄰兩根三角形鋼樁或鋼管樁的兩個側面形成的咖趴狀張開面捕捉，使得鋼絞線從兩根三角形鋼樁或鋼管樁之間的空隙穿出，停止頂推；在一個施工段內的第一層水平連接的鋼絞線均從土層中穿出后，安裝圍檁和錨具，并對鋼絞線施加預應力。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明采用多層水平連接雙排鋼板樁基坑支護結構，用于基坑的擋土結構，與現有技術相比具有如下優(yōu)點：預制鋼板樁可以工廠化生產，生產速度快，樁身質量可靠，施工便捷，循環(huán)使用，綠色環(huán)保，造價低廉。支護結構可以同時擋土和止水，通過樁頂連梁、水平連接和樁間土共同作用使前后排鋼板樁形成空間超靜定結構，整體剛度大增，能夠明顯減小樁身內力和變形，在基坑復雜多變的水土壓力和其它荷載作用下，能自動調整支護結構本身的內力，使之適應復雜而又往往難以預計的荷載條件和更深的基坑工程。

本發(fā)明設置兩排鋼板樁，其中后排樁的拉錨樁通過工廠特制，前后兩排鋼板樁之間通過樁頂連梁和多道鋼絞線連接成為整體，形成多層水平連接雙排鋼板樁基坑支護結構。該結構在控制基坑沉降和坑壁側向位移方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)雙排樁支護結構，同時兼有擋土和止水功能，施工靈活，土層復原性好，工期效益明顯，經濟環(huán)保等優(yōu)點。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的豎向結構剖面圖；

圖2為圖1中a-a剖面的結構組成圖；

圖3為圖2的另一種結構組成圖；

圖4為圖2的軸測圖；

圖5為本發(fā)明后排拉錨樁結構組成詳圖；

圖6為本發(fā)明后排拉錨樁l型鋼管水平段采用鋼筋斜撐加固圖。

圖1～圖6中標號：1、前排樁，2、后排樁，3、前排樁冠梁，4、后排樁冠梁，5、樁頂連梁，6、鋼絞線，7、圍檁，8、錨具，9、h型鋼樁，10、拉錨樁，11、l型鋼管，12、陰頭鎖扣，13、陽頭鎖扣，14、三角形鋼樁，15、鋼管樁，16、鋼筋斜撐。

具體實施方式

下面將結合附圖對本發(fā)明做詳細的介紹：

如圖圖1-6所示，本發(fā)明的多層水平連接雙排鋼板樁基坑支護結構，包括前排樁1、后排樁2、前排樁冠梁3、后排樁冠梁4、樁頂連梁5、水平連接6、圍檁7和錨具8。

前排樁1可采用三角形鋼樁14或鋼管樁15，后排樁2由h型鋼樁9和拉錨樁10組成。拉錨樁10由h型鋼樁9與l型鋼管11焊接而成。后排樁設有鎖扣，陰頭鎖扣12和陽頭鎖扣13分別設置在后排樁翼緣兩側。

前后排樁打樁完畢及前排樁冠梁3、后排樁冠梁4及樁頂連梁5澆筑完成，混凝土達到設計強度要求后，對基坑進行分層開挖。當開挖到預設第一層水平連接標高略深處(1-2m)，停止開挖；接著將鋼絞線6從拉錨樁10的l型鋼管11插入，用頂推機具頂推鋼絞線6，鋼絞線6從l型鋼管11的水平段伸出后，在土層內水平前進；當鋼絞線接近前排樁1時，會被對應相鄰兩根三角形鋼樁14或鋼管樁15的兩個側面形成的咖趴狀張開面捕捉，使得鋼絞線6從兩根三角形鋼樁14或鋼管樁15之間的空隙穿出，停止頂推。在一個施工段內的第一層水平連接的鋼絞線6均從土層中穿出后，安裝圍檁7和錨具8，并對鋼絞線6施加預應力。

本發(fā)明進一步設置如下：

l型鋼管水平段端部與h型鋼腹板設置鋼筋斜撐進行加固，避免l型鋼管水平段在施打和拔出過程中造成彎曲。

圍檁可采用槽鋼、h型鋼、工字鋼等型鋼。

鋼板樁拔出后，同步用砂灌入留下的孔洞中，以減少周圍土體的變形。

在鋼板樁施打前，將減摩涂料加熱至完全融化，充分攪拌使其厚薄均勻后，再涂刷在型鋼表面，其厚度控制在1.0mm以上，為方便拔出。

根據設計計算，拉錨樁可選擇隔一插一、隔二插一或隔三插一等方式布置。

多層連接雙排鋼板樁支護結構尤其適用于軟土地區(qū)的基坑支護，因軟土地基機械打樁容易操作。

基于本發(fā)明的多層水平連接雙排鋼板樁基坑支護結構的施工方法，包括如下步驟：

第一步：根據場地條件和計算分析，確定前排樁1的型號、樁長，確定后排樁2的型號、樁長，陰頭鎖扣12和陽頭鎖扣13的長度，以及雙排樁的排距，計算鋼絞線6的道數、水平間距和豎向間距；

第二步：根據鋼絞線6的設計道數、水平間距和豎向間距，加工或選擇合適的h型鋼樁9和拉錨樁10；

第三步：施工前排樁1，保持前排樁處于同一垂直面上。

第四步：依次施工后排樁2，根據設計計算要求排列依次打入h型鋼樁9和拉錨樁10，保持樁與樁之間始終相扣。

第五步：施工前排樁冠梁3、后排樁冠梁4及樁頂連梁5。

第六步：基坑開挖至第一道鋼絞線6標高以下500mm；

第七步：頂推鋼絞線6，安裝圍檁7，張拉鋼絞線6后通過錨具8將鋼絞線錨固于前排鋼板樁上。

第八步：重復第六步、第七步直至最后一道鋼絞線6施工完畢。

第九步：開挖至基坑底。

第十步：對基坑坑底進行清理、整平，澆筑墊層，施工地下室底板及其結構；

第十一步：分層回填土，從下至上逐道釋放預應力鋼絞線6并回收，依次拔出前排樁1、后排樁2。

本發(fā)明的作用機理：

多層水平連接雙排鋼板樁支護結構是在地基的巖土體中沿基坑壁平行方向設置兩排平行樁，前后兩排樁樁體呈矩形分布，兩排樁樁頂分別用剛性冠梁連接，在前后兩排樁身上一定位置處采用鋼絞線作為水平連接，對鋼絞線施加一定大小的預應力，使前后排樁、樁頂冠梁、樁頂連梁和水平連接形成整體空間結構。水平連接的作用是利用土層的錨固力和后排樁提供的端阻力給排樁提供支撐。同時充分發(fā)揮了雙排鋼板樁與地基土的協(xié)同作用，從而保證基坑側壁或坡體的穩(wěn)定性、控制基坑變形能力、確保場地施工安全和基坑四周沉降要求。

多層水平連接雙排鋼板樁支護結構在控制基坑側向變形和基坑沉降方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)雙排樁支護結構。

多層水平連接雙排樁支護結構計算模型：

為研究多層水平連接雙排樁支護結構的支護性能，采用flac^3d數值模擬軟件，建立多層連接雙排樁支護結構的計算模型，對模型進行開挖過程的三維動態(tài)模擬計算，通過對支護結構和土體的應力位移云圖的分析，以求得支護結構的支護性能。

模擬基坑開挖的過程如下：

1、建立土體(實體)和支護結構的計算模型，選擇土體的本構關系，設定土體的邊界條件。

2、模擬計算在自重應力作用下土體的沉積固結過程，進行初始地應力平衡。

3、激活支護結構中殼單元和樁單元，對結構單元進行參數設定。

4、自重位移歸零，逐層將實體模型中開挖部分網格體的材料模型設置成nrll模型，進斤逐層開挖。

5、在逐層開挖過程中，當開挖到水平連接位置時，激活支護結構中錨索單元，對該單元進行參數設定，并施加預緊力。

設計計算：

支護結構中的樁采用flac^3d樁結構單元模擬，冠梁采用殼結構單元模擬，水平連接采用flac^3d中的錨索單元(cable)模擬。樁結構單元與殼結構單元的節(jié)點連接采用剛接，樁結構單元與錨索結構單元的節(jié)點連接采用較接。

1、實體模型建立

2、初始地應力計算

初始地應力的平衡計算，是為了模擬土體在自重應力作用下的沉積固結過程。主體在自重應力的長期作用下，會逐漸沉積并趨于平衡，達到一個相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。flac^3d中通過計算時步和計算精度的設定來模擬這一沉積過程。在計算過程中，隨著計算時步的増加，監(jiān)控止體最大不平衡力是否收斂，以此確定土體是否趨于平衡。

3、基坑分層開挖計算

初始地應力計算結束后，激活多層連接雙排樁支護結構模型中的殼單元和樁單元，并對樁結構單元進行參數設定，對殼結構單元進行參數設定，繼續(xù)計算。

可以理解的是，對本領域技術人員來說，對本發(fā)明的技術方案及發(fā)明構思加以等同替換或改變都應屬于本發(fā)明所附的權利要求的保護范圍。