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论文技巧案例-河南省南阳市第一高级中学综合楼基坑支护设计

2021-04-23 10:37:29

  为了保障整体工程的正常,有序进行,基坑工程的各个方面都使我们重点要去考虑的,因为它涉及到我们地下结构和周围建筑物沉降的问题。因此,本文以河南省南阳市第一高级中学综合楼为课题进行了支护结构、降水设计等的设计。

  拟建工程为河南省南阳市第一高级中学的综合楼,位于河南省南阳市社旗县赊店镇。该基坑长70m,宽45m,基坑总面积约3150 m2,设地上12层,地下一层,框架结构。基坑底标高约7m,场地现状标高14m,基坑开挖7.0m。

  根据本工程的基坑深度,地下水深度,当地的综合降水情况,考虑经济因素选择集水井降水法。根据对场地内的现场观测,充分考虑基坑周边的环境因素,包括道路,周边建筑,地下管道的线路,基坑内的土质情况,考虑施工的难易以及客观经济影响,对适用的基坑支护方案进行建模和对比,最终决定在基坑的南北两侧采用水泥土墙支护,东西两侧采用土钉墙支护。地基加固首先用振密加固处理技术对地基进行简单加固,然后用砂石加固地基技术对地基进行再次加固。

  在整个基坑工程的计算中,我们进行了基坑降水可行性计算和基坑支护设计的可行性计算,并通过科学的方法,验证了降水方案的合理性,对基坑支护方案进行了安全稳定性验算,结果均在安全规范内,方案可行。并在后文进行了整个基坑工程的施工组织设计和相应的施工组织方案优化。安排了对各个分项工程的施工过程中相应的,施工管理以及在整个过程中的观测和监测,确保整个基坑工程可以按时按质按量安全稳定的完成,并达到设计的各种要求。为确保基坑工程整个施工过程安全顺利的进行,我们还要考虑此工程对周围环境的影响,以及环境变化对基坑工程的影响。因此一个完整的基坑支护设计方案就显得尤其重要。

  1工程背景

  1.1工程概况

  1.1.1工程简介

  拟建工程为河南省南阳市第一高级中学的综合楼,位于河南南阳社旗县赊店镇。该基坑长70m,宽45m,基坑总面积约3150 m2,设地上楼层12层,地下一层,框架结构。基坑底部标高约7m,场地的现状标高14m,基坑开挖7m。

  1.1.2周围环境条件

  拟建基坑工程场地平坦,西侧与北侧为郑州东路及泰山西路,道路宽15m,南侧为教学楼,东侧为空地。经探测基坑周围并未发现有不利于场地稳定性和安全性的不良地质因素和和环境因素。拟建场地稳定性良好,基坑的开挖深度为7.2m,场区内的厚底起伏小,地下水不丰富,周边环境也较为空旷。基坑周边环境平面图如图2.1。

  图2.1基坑周边环境平面图

  1.2.1工程地质条件

  本场地基坑支护影响深度范围内是由杂填土和妇女图以及粘性土组成土层,各土层物理力学性质指标见下表2.1。

  表2.1土层物理力学性质指标

  土层编号及类型平均厚度(m)重度

  (kN·m3)内摩擦角(°)粘聚力

  (KPa)

  杂填土1.0 18.0 10.0 10.0

  粉土1.8 17.0 22.0 10.0

  粉质粘土4.2 18.4 19.5 18.0

  粉质粘土6.6 18.2 17.0 14.0

  粉质粘土12.0 18.7 15.3 15.0

  (1)杂填土:由于人类长期生活和生存活动而形成的地面填土层

  (2)粉土:粒径大于0.075mm的颗粒,质量不超过整个土体总质量的50%,且塑性指数Ip小于等于≤10的土,其性质介于砂土与粘性土之间。

  (3)粉质粘土:是介于粘土和砂土之间的一种地基土。相对颗粒较粗,可塑性稍差。塑性指数大于10的土为粘性土,Ip>17为粘土,大于10小于17为粉质粘土

  1.2.2工程水文地质条件

  南阳市位于河南省西南部,南阳盆地中部,地形总体来说为西北高东南低[1],在盆地的西部是垄状丘陵,北部是基岩残山独山,东部是百合冲击平原,按成因可分为侵蚀剥蚀残余山地、洪积垄状丘陵、洪积坡积裙和冲击平原四种地貌形态。

  地质方面,南阳盆地绝大部分为第四纪河流堆积层,土层中大部分由为砂质粘土层组成,有一部分的地段有沙眼出露。而在盆地的西部是低丘陵坡地,地貌上是盆地中垄岗地带的边缘,盆地的地基土层是第四系上更新系统洪积和胡相沉积层,从上层到下层,分别是亚粘土、粘土、亚粘土。,承载力在0.2到0.3MPa之间。而盆地中含水层的富水性为全新统及上更新统含水组的含水量最大,下更新统富水性属于正常水平,其埋藏较深,并且有较大的开采难度。潜水层的水位变化和降水量变化成正比,大致显现出略滞后大致同步关系,一般呢,会在九月到十月这段时期的水位较高,五到六月间水位较低,其余月份水位大致相平。该基坑工程所在的场地在南阳盆地东部,老第三系裂缝空隙弱承压水,含水层富水性差异较大,承压水位在2~15m。

  气候方面,南阳地处亚热带向温带的过渡地带,有两种气候的特点,但又不是很明显,是为季风大陆湿润气候,而温带季风气候的显著特征就是四季分明。降水多集中在六月份到九月份,雨热同期,而在12月到二月,属于冬季,干旱而寒冷。多年平均降水量799.6mm,年平均蒸发量1449.2mm。

  2课题设计方法、内容

  2.1设计依据

  2.2设计方法

  本设计经历了前期的基坑场地的水文地质调查,以及相关数据的的统计和计算,充分考虑了场地的水文地质条件和周边环境,附近建筑物,地下线路的情况下通过计算和对比选择了较为合理的基坑降水和基坑设计方案,并对其合理性和可行性进行了相关运算,计算出结果均在相关规范内,符合相关规范。设计可行。

  首先对基坑场地的施工场地所在区域进行水文地质的调查和和数据统计,查阅此区域内的其他基坑工程的数据和本工程的数据进行对比,确保数据的真实性和准确性。综合考虑考虑环境因素和经济因素,对基坑场地进行施工前的准备。

  然后,根据所得的数据综合考虑环境因素,选择合理的,经济的开挖方案,降水方案,支护方案。

  最后,对所得结果进行可行性和合理性安全性进行验算,结果符合相关规范,结合周边环境画出方案草图,进过反复对比,决定最终设计方案,出图纸,并用Revit绘制最终图纸。

  2.3总图设计说明

  运用BIM技术对整个方案进行三维建模,可以使设计更加直观地体现出来,此工程的三维效果图如图2.1所示。

  图2.1基坑三维效果图

  在基坑边缘1m无坡道处设置横截面为600×600mm的排水沟,在基坑东侧的两角及西南侧的位置歌放置一个直径为三米的集水井,集水井底部低于排水沟边沟3m,及深三米的集水井,集水井井壁用竹片、砌干砖、水泥管、挡土板等加固和边壁处理防止倒塌和水土流失。基坑降水方案三维平面图如图2.2所示。

  图2.2基坑降水平面图

  由于拟建工程所处社旗县中心郊区,场地空旷,无不良地质影响,考虑基坑基本条件和经济因素,综合考虑,最终选择重力式水泥土墙支护和土钉墙支护。根据基坑情况,在基坑的东西两侧侧采用重力式水泥土墙支护结构,剩下两侧均采用土钉墙支护结构对边坡进行支护。基坑支护平面布置图如图2.3所示。

  图2.3基坑支护平面图

  3基坑降水方案设计

  3.1基坑降水方案选择

  基坑开挖时,当地下水位高于开挖的基坑坑底时,由于土的含水层被切断,地下水会不断从四周和底部地渗入坑内,形成积水[2];雨期施工时,地面水会不断流入坑内,在坑底形成积水,改变坑底的地质条件,和土体物理性质,造成基坑坑底的不稳定,使整个基坑工程受到威胁,为了保证施工的正常运行,必须在基坑开挖时做好降水,排水的措施,使基坑土在开挖及基础施工时保持干燥和稳定。降水方法可大致分为集水井降水伐和井点降水法。井点降水又通常分为轻型井点法、电渗井点法、喷射井点法以及管井井点法等[3]。

  具体降水方法可用下表确定

  根据本项目的水文地质条件,地下水的水位在基地标高以下,不需要降低地下水水位,且当地降水量较小,故采用集水井降水法。

  3.2降水方案设计

  根据当地的地质资料,查阅相关地质文献以及实地的探测和考察,以及相邻基坑的相关数据,可确定该基坑深度范围内的各土层的物理力学性质。如下表所示。

  土层编号

  及类型平均厚度

  (m)重度

  (kN·m3)内摩擦角(°)粘聚力

  (kPa)

  杂填土1.0 18.0 10.0 10.0

  粉土1.8 17.0 22.0 10.0

  粉质粘土4.2 18.4 19.5 18.0

  粉质粘土6.6 18.2 17.0 14.0

  粉质粘土12.0 18.7 15.3 15.0

  (1)杂填土:由于人类长期生活和生存活动而形成的地面填土层。

  (2)粉土:粒径大于0.075mm的颗粒质量不超过总质量的50%,且塑性指数Ip小于或等于10的土,性质介于砂土与粘性土之间。

  (3)粉质粘土:是介于粘土和砂土之间的一种地基土。相对颗粒较粗,可塑性稍差。塑性指数大于10的土为粘性土,Ip>17为粘土,大于10小于17为粉质粘土。

  本基坑坑底标高约7.2m,场地现状标高14m,基坑开挖7m。根据现场勘察所得的数据报告结合该区域同时期基坑降水数据,本次基坑支护的设计水位按7.00m进行计算。

  本基坑降水根据实际情况,综合水文地质条件,考虑到安全,经济,施工方便等因素最终选择集水井降水法作为本工程的降水方案。很多因素都会引起土体的渗水现象,并在重力影响下,不断汇入坑底。集水井降水法解决的就是坑底积水对基坑底部土物理力学性质的影响。

  相关的计算方法,此次的按照大井法计算,此种计算方法原理简单,结果可靠,所得的计算误差也较小,这也是采用此种方法的主要原因。首先要计算出是本基坑的涌水量,也是用大井法进行估算。首先将矩形的基坑假设为一个同等面积大小的圆形的大井,大致计算出世界所需的降水高度取较大值来推算出实际的坑底的涌水量,结合可用施工机械的实际功率通过公式计算出所需水泵功率和数量。根据计算所得的数据对方案中水泵的数量和集水井的大小和相应的布置方式进行选择。

  (1)确定假设圆形大井的半径

  式(3.1)

  式中:r0——设计假设的基坑半径(m);

  表3.1η系数值

  b/a 0 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00

  η1.00 1.12 1.14 1.16 1.18 1.18

  输入MATLAB代码如下:

  在代码输入中,用ging表示。

  根据计算可得r0=33.35m。

  (2)基坑总涌水量计算

  式(3.2)

  式中:

  查阅相关数据资料,结合实际情况采取K=25m/d,R=100m进行计算

  输入MATLAB代码如下:

  取Q=136.16m3/d。

  (3)水泵功率计算

  式(3.3)

  式中:

  输入MATLAB代码如下:

  在代码输入中,用ging表示。

  取N=21kW。

  在基坑边缘1m无坡道处挖出横截面为600×600mm的排水沟,在基坑东侧的两角及西南侧的位置歌挖出一个直径为三米的集水井,集水井底部低于排水沟边沟3m,就是直径三米深三米的集水井,集水井井壁用竹片、砌干砖、水泥管、挡土板等加固和边壁处理防止倒塌和水土流失。井底反滤层铺以0.3m厚左右的碎石防止土体流失。

  4土钉墙支护方案设计

  基坑场地内共包括杂填土,粉土,粉质黏土在内的几个土层,地下水水位在基坑底标高以下,不用考虑地下水对支护的影响,根据相应的设计依据和规范,结合此次基坑的支护需求,此次选用土钉墙支护方案。

  土钉墙支护是近年来发展起来的一种新型挡土基坑支护结构,目前我国范围内被广泛使用,它的具体操作为首先在基坑开挖的坡面上,采用机械钻孔,成孔之后在孔内插入一定长度的钢筋或型钢,插入之后往孔内注入混合砂浆,凝固之后在基坑边面上绑扎钢筋网并在其上浇筑混凝土,从而达到土体,钢筋与混凝土面板形成为复合结构,形成复合土体,稳定性和可靠性都得到显著提升,从而起到挡土支护基坑的作用[4]。土钉与土体的相互作用还能改变土坡的变形和形态的破坏,显著提高土坡的整体稳定性。

  土钉墙支护适用性很强,对基坑的土质要求不高,操作简易,施工便易,对周围环境的影响较小,且造价经济。设计依据《基坑土钉支护技术规程》(CECS 96-97)。故选用土钉墙支护方案。

  4.1土钉墙支护方案设计计算

  初步假设土钉支护基坑边放坡坡面高宽比取为1:0.2。基坑开挖深度7米,沿基坑高度范围内共设5层土钉,第一层土钉距场地地面标高1.5米,土钉按照按照士钉层距*水平间距=1300*1300mm,选用φ24钢筋作为入孔土钉,土钉长度取10m,土钉孔径100mm,角度10°

  4.1.1土压力计算

  根据现场调研和相关资料的查阅,此次基坑支护的基坑上层荷载取q=20kPa。

  计算土压力为了简化计算过程,主动土压力和被动土压力的计算结果用加权平均计算法计算主动土压力:

  (1)主动土压力计算指标

  ①粘聚力c加权平均值

  式(4.1)

  式中:c——粘聚力加权平均值(kPa);

  ci——各土层粘聚力(kPa);

  hi——第i层土的厚(m)。

  输入MATLAB代码如下:

  取c=14.61kPa。

  ②重度γ加权平均值

  式(4.2)

  式中:

  输入MATLAB代码如下:

  在代码输入中,用gm表示γ。

  取γ=18.29kN/m3。

  ③内摩擦角φ加权平均值

  式(4.3)

  式中:

  输入MATLAB代码如下:

  在代码输入中,用pai表示φ。

  取tanφ=0.31;

  φ=17.07°。

  ④主动土压力系数

  式(4.4)

  式中:

  输入MATLAB代码如下:

  在代码输入中,用pai表示φ。

  取Ka=0.55。

  (2)被动土压力计算指标

  ①粘聚力c加权平均值

  式(4.5)

  式中:

  输入MATLAB代码如下:

  取c=14.85Pa。

  ②重度γ加权平均值

  式(4.6)

  式中:

  输入MATLAB代码如下:

  在代码输入中,用gm表示γ。

  取γ=18.31kN/m3。

  ③内摩擦角φ加权平均值

  式(4.7)

  式中:φ——内摩擦角平均值(°);

  φi——各土层内摩擦角(°);

  hi——第i层土的厚(m)。

  输入MATLAB代码如下:

  在代码输入中,用fani表示φ。

  取tanφ=0.31;

  φ=17.41°。

  ④被动土压力系数

  式(4.8)

  式中:Kp——被动土压力系数;

  φ——内摩擦角加权平均值(°)。

  输入MATLAB代码如下:

  在代码输入中,用fani表示φ。

  取Kp=1.85。

  (3)主动土压力计算

  式(4.9)

  输入MATLAB代码如下:

  在代码输入中,用gm表示γ。

  取Ea=116.63kPa。

  (4)土体侧压力计算

  土钉长度中点所处深度位置上的侧压力:

  式(4.10)

  式中:

  ①求解由自重引起的侧压力pm

  对于的砂土和粉土:

  式(4.11)

  对于的粘性土:

  式(4.12)

  另外,规范中对粘性土:

  由于

  故由自重引起的侧压力用计算。

  输入MATLAB代码如下:

  在代码输入中,用gm表示γ。

  取pm=48.47kPa。

  ②求解地表均布荷载引起的侧压力pq

  式(4.13)

  式中:

  输入MATLAB代码如下:

  取pq=11kPa。

  ③求解土体侧压力

  输入MATLAB代码如下:

  取p=59.47kPa。

  4.1.2土钉拉拔力计算

  式(4.14)

  式中:

  其中,Sh=Sv=1.3m。

  取N=102.05kPa。

  4.1.3土钉钢筋强度和直径的验算

  各土钉在设计内力作用下应满足下式:

  式(4.15)

  式中:

  输入MATLAB代码如下:

  取不等式左边=122.46

  输入MATLAB代码如下:

  取不等式右边=166.71。因为122.46<166.71,满足,故土钉钢筋强度和直径满足要求。

  4.1.4土钉的长度验算

  各层土钉的长度应满足下式:

  式(4.16)

  式中:

  第一排土钉的l1,l1采用正弦定理,计算简图如图4.1所示。

  由

  输入MATLAB代码如下:

  取l1=3.04m。

  代入算式

  图4.2长度计算简图2

  第四道土钉长度l4,l4采用正弦定理计算,计算简图如图5.2所示。

  第五道土钉也处于粘质粉土中,因此取τ=50kPa。

  4.2土钉支护的内部整体稳定性分析

  4.2.1土钉极限抗拉能力计算

  在计算支护结构内部整体稳定性时,土体破坏面上土钉达到的极限抗拉能力按下公式计算,并取其中的最小值。

  按土钉受拔条件:

  式(4.17)

  式中:

  输入MATLAB代码如下:

  式(4.18)

  式中:

  4.2.2土钉支护内部稳定性安全系数计算

  土钉支护内部稳定性验算,按其计算公式算出内部稳定性安全系数:

  式(4.19)

  式中:

  采用简单圆弧条分法对支护作整体稳定性,取一圆弧如图4.3。

  图4.3内部稳定性分析计算简图1

  圆弧半径为10m,土条宽度b=0.5m,共分为7条。

  表4.3土条相关参数(1)

  土条号土条高Hi土条重Wiαi sinαi cosαi(W+q)cosαi tanφi(W+q)sinαi

  1 6.54 119.6166 43 0.6691 0.7330 23.9875 80.0391

  2 6.03 110.2887 47 0.7314 0.8203 26.6269 80.6600

  3 5.38 98.4002 52 0.7880 0.9076 27.3033 77.5404

  4 4.66 85.2317 56 0.8290 0.9774 25.4685 70.6600

  5 3.7 67.6730 62 0.8829 1.0821 25.2148 59.7517

  6 2.88 52.6752 69 0.9336 1.2043 22.4637 49.1765

  7 2.41 44.0789 74 0.9613 1.2915 23.0011 42.3714

  求和174.0659 460.1992

  表4.4土条相关参数(2)

  βi sinβi cosβi(R/Sh)sinβi tanφi(R/Sh)cosβi

  53 0.7986 0.6018 28.0178 77.1558

  66 0.9135 0.4067 34.4796 52.1593

  72 0.9511 0.3090 37.2875 39.6279

  79 0.9816 0.1908 38.4861 24.4691

  84 0.9945 0.1045 43.9142 13.4046

  求和182.1852 206.8366

  通过计算内部整体稳定性安全系数为:Fs1=1.34。

  表4.5支护内部整体稳定性安全系数

  基坑深度(m)≤6 6~12≥12

  安全系数最低值1.2 1.3 1.4

  本基坑开挖深度7m大于六米小十二米,相应的最低值为1.3,所以计算的内部整体稳定系数符合相关的规范。

  4.2.3分层开挖内部稳定性验算

  根据规范的相关设计要求,土钉墙支护时还需要对施工过程中每个阶段内部稳定性进行验算。即为分层开挖内部稳定性验算,过程如下。

  根据规范,内部整体稳定性安全系数应该高于内部稳定性验算所需的安全系数,大致在0.1~0.2范围中,但不能小于1.1。两者的计算方法相同,仍需采用圆弧滑面条分法。

  取一圆弧如图4.4。

  图4.4内部稳定性分析计算简图2

  圆弧半径为7.5m,土条宽度取b=1.0m,共分为5条。

  表4.6土条相关参数(3)

  土条号土条高Hi土条重Wiααi

  sinαi cosαi(W+q)cosαi tanφi(W+q)sinαi

  0 7.0 128.0300 25 0.4226 0.9063 31.7435 54.1078

  1 6.53 119.4337 32 0.5229 0.8480 29.0432 63.2902

  2 5.92 108.2768 39 0.6293 0.7771 25.7263 68.1408

  3 5.11 93.4619 47 0.7314 0.6820 20.0974 68.3537

  4 4.05 74.0745 56 0.8290 0.5592 14.6683 61.4105

  5 2.56 46.8224 62 0.5299 0.8480 9.1672 24.8121

  求和130.4458 340.1152

  表4.7土条相关参数(4)

  βi sinβi cosβi(R/Sh)sinβi tanφi(R/Sh)cosβi

  35 0.5736 0.8192 21.1137 110.2225

  49 0.7547 0.6561 37.2482 105.9081

  57 0.8387 0.5446 44.0190 93.5014

  66 0.9135 0.4067 58.3522 73.3654

  72 0.9511 0.3090 40.4906 37.1520

  求和201.2236 420.1494

  代入式(4.19),计算得Fs2=2.60,满足要求。

  4.3土钉支护的外部稳定性分析

  4.3.1抗滑动稳定性计算

  抗滑动安全系数计算与水泥土墙自重的水平和竖直分量、土体对水泥土墙背的摩擦系数及土钉墙后主动土压力的竖直和水平分量有关。若抗滑动稳定性满足要求,则抗滑安全系数应满足下式时:

  式(4.20)

  式中:

  (1)计算(土钉)挡土墙宽度B(m),按下式计算:

  式(4.21)

  式中:

  输入MATLAB代码如下:

  在代码输入中,用alpha代表α。

  取B=9.03m。

  (2)挡土墙自重G:

  式(4.22)

  式中:

  .

  输入MATLAB代码如下:

  计算挡土墙自重G为1156.1kN。

  重度分量计算:

  式(4.23)

  式(4.24)

  式中:α0—挡墙基底倾角,本次设计为0。

  将数据分别代入式(4.23)和式(4.24)得:

  输入MATLAB代码如下:

  输入MATLAB代码如下:

  取为0.5000。

  墙背每延米土压力Ea计算:

  式(4.26)

  输入MATLAB代码如下:

  得墙背每延米土压力Ea为224.05kN。

  土压力分量计算Ean和Eat:

  式(4.27)

  式(4.28)

  代入数据得:输入MATLAB代码如下:

  抗滑安全系数计算及校验:

  式(4.29)

  输入MATLAB代码如下:

  取抗滑安全系数Ks为3.1076;

  Ks=3.1076>1.3。抗滑动稳定性验算满足要求。

  4.3.2抗倾覆稳定性验算

  抗倾覆安全系数:

  式(4.30)

  代入数值:

  根据公式的x0=2.215m;xf=2.215m;zf=1.667m;

  将相关数据代入式(5.26)得抗倾覆安全系数:

  输入MATLAB代码如下:

  输入MATLAB代码如下:

  取12.65,大于1.6,故抗倾覆稳定性安全系数满足要求。

  4.4喷混凝土面层设计

  在土体自重及地表均布荷载q作用下,喷混凝土面层所受的侧向土压力可按下式估算:

  式(4.31)

  式(4.32)

  —由均布荷载引起的侧压力,计算结果见土压力部分。

  将相关数据代入式(4.32)得:

  P01<0.7P01,满足式(4.32)

  将相关数据代入式(4.31)得:

  输入MATLAB代码如下:

  取P0=34.75kPa

  因此,根据侧向土压力计算结果,按《混凝土结构设计规范》设计,该工程中的钢筋网采用φ8 200mm×200mm,另外在网片侧向土钉层水平放置加强筋φ16,钢筋网采用φ8钢筋绑扎连接,加强筋的连接和加强筋与土钉的连接采用焊接的方法。基坑土体喷射混凝土强度等级为C20,喷层厚度80mm,分两次喷射。

  5重力式水泥土墙支护方案设计

  重力式水泥土墙,顾名思义,利用自身重力和结构特点,相当于做出一个挡土墙,阻止背后土体发生滑坡和倒塌,在现代基坑工程中工程中应用较为普遍。它适用于加固淤泥、淤泥质土、粉质粘土等软土地基[5]。

  5.1重力式水泥土墙支护方案设计计算

  5.1.1土压力计算

  (1)主动土压力计算

  式(5.1)

  在代码输入中,用gm表示γ。

  取Ea=116.63kPa。

  (2)被动土压力计算

  式(5.2)

  在代码输入中,用gm表示γ。

  取Ep=1112.7kPa。

  5.1.2根据整体稳定性确定嵌固深度

  嵌固深度计算:

  式(5.3)

  输入MATLAB代码如下:

  取h0=1.68m。

  嵌固深度设计值:hd=1.1h0=1.848m

  嵌固深度最小值:hdmin=0.4h=2.8m

  经过计算,嵌固深度应取hd=2.8m。

  5.1.3根据抗倾覆稳定性确定墙体厚度

  当水泥土墙底位于粘性土或粉土中时,墙体厚度设计值应按以下公式进行计算:

  式(5.4)

  式中:

  输入MATLAB代码如下:

  5.1.4重力式水泥土墙平面布置

  图5.1格栅状支护

  对在支护结构的范围内的土体加入复合混凝土加固,不需要对整个基坑面的所有土体加固,。在土体的基坑内侧,每隔一段距离布置一个相互平性格纵向挡土墙,并沿基坑边放线连续布置,形成一个完整的挡土墙支护。本工程初步设计,取土墙厚度2.8m,土墙桩径取0.7m,土墙间搭接长度应大于0.15m,内部栅格长宽比小于2,每个格栅内土体面积应该符合:

  式(5.5)

  式中:

  输入MATLAB代码如下:

  在代码输入中,用gm表示γ。

  取A=93.37m2。

  每个格栅内的土体面积需要小于93.37m2。

  5.2重力式水泥土墙的稳定性验算

  5.2.1确定重力式水泥土墙验算截面

  根据重力式水泥土墙的施工安全规范和基坑支护规范,还需对土墙墙的安全性和可行性进行验算才能确定最终方案。

  先计算主动土压力计算和被动土压力计,当二者数值相等的时需要进行二次验算;

  然后,重力式水泥土墙是一堵挡土墙,对基坑底部有竖向力,需要验算其稳定性和可行性;

  最后,计算出挡土墙搭接处的应力变化,验算其安全性。

  5.2.2墙身正截面应力验算

  (1)正截面拉应力验算

  式(5.6)

  式中:

  (2)正截面压应力验算

  式(5.7)

  5.2.3抗渗流稳定性验算

  基坑底部深度范围在地层承压水位下上的,基坑未打断承压水层的,可按下式验算渗流稳定。

  式(5.8)

  式中:

  综上所述,由于拟建工程所处社旗县中心郊区,场地空旷,无不良地质影响,考虑基坑支护的实际需求,经过对比选择土钉墙支护和重力式水泥土墙支护。经过初步设计和验算,方案可行,最终决定在基坑的东西两侧采用重力式水泥土墙支护结构对基坑进行支护,剩下两侧均采用土钉墙支护。其详细布置在基坑支护平面布置图2.3中已经有所体现。

  6地基加固

  地基是建筑工程的基础,属于隐蔽性工程,一旦地基出现问题,就会对整体建筑都会带来灾难性的破坏,而在土木工程建设中,加固技术的运用在一定程度上影响了土木工程建设施工产物的质量[6]。

  地基加固的目的是为了确保整个建筑工程的顺利施工和正常使用,地基起到对其上建筑的支撑作用,一个安全稳定的地基的重要性不言而喻。而随着现代建筑的发展,建筑越高,越来越重,相应的对地基的要求也相应的提升。古代知道在建筑时把建设场地夯实,有益于建筑的稳定和施工的进行。而现在的建筑高度决定了其重量之重,若是没有一个安全稳定的地基支撑,建筑无异于空中楼阁,难成气候。

  当今面对越来越深,越来越复杂的基坑,对地基要求越来越高,人们所要面对的问题较之以往多了很多。地基加固发展到今日已经有了一套行之有效的地基加固程序,和复杂地基地质的加固方法。目前的基坑地基加固方法主要还是通过夯实加固地基,细分起来有换地基土夯实法,加料夯实法以及直接夯实法。直接夯实的效果往往达不到设计要求,所以才有了换地基法和加料夯实,而面对更复杂的地基要求,就需要考虑实际情况,综合运用,已达到对地基的要求。

  地基加固对工程有着根本性意义,工程建造的成功与否与地基的好坏有着直接的因果关系,地基加固就是保证工程的安全性,提高地基的稳定性,地基加固可以有效的提高建筑工程的质量[8]。常见的地基加固的方法有换地基加固和夯实地基加固两种方法[9],本工程根据实际情况可以将地基初步夯实加固,以提高地基的稳定性和安全性。接下来将对地基加固的几种常见做法进行简述,以此为据选择具体的地基加固做法。

  (1)砂石加固地基技术

  砂石加固地基技术,顾名思义,地基的原土在夯实后达不到工程要求,或者是原土不符合夯实要求,这时就可以用砂石加固地基技术对地基进行加固。啥时加固技术属于换地基加固法。首先挖除掉一定厚度的基底的软土层然后填上一定粒径大小的砂石,铺好的砂石经过逐层夯实,不仅仅起到地基支撑作用,还可以起到排水层的作用,而且做工简单,用料简单,而且造价低廉,对技术也没有要求,是一个适应性很和好的方法。

  (2)振密加固处理技术

  此种加固的方式,属于直接夯实的范畴,在古代就有所运用,不过古人是直接人工夯打,这种夯实方式目前在西藏的藏族的传统房屋建设中仍然可以见到,但此种方式效率低下,对人力要求较高,在现代的机械时代,很少可以见到。这种方法主要使用强夯法,就是用重锤对地面进行反复锤实,从而达到加固的效果。但适用范围有局限性,适用的地质一般处于地面,基坑底的情况往往比较复杂。往往和其他方法合并使用,作为作为夯实得主要方式出现。使用这种方式时要视体情况而定

  (3)粉煤水泥碎石桩技术

  此种加固方法是我国最新研发的方法,目前处于适用阶段,尚无成熟的方案和规范出台此种方法属于加料加固法,就是在地基内加入粉煤,水泥,水以及碎石,利用机械桩制作桩体,从而达到对地基的加固作用。粉煤和碎石能加快水泥的凝固,水泥凝固后可以形成混凝土体,增加地基载能力。用料便宜,但技术尚未成熟,仍需经验和探索来完善。

  (4)高压喷射注浆处理技术

  这种方法和土钉墙支护以及重力式水泥挡土墙做法有相同的地方,就是将支护对象变为地基,在地面打桩,注入高压混凝土,迫使混凝土和土壤混合,形成混凝土复合土体,以地基的物理性质,达到加固的效果。但往孔内注浆时的压力要求较高,否则无法使混凝土和土体融合,一般要求达到两兆帕以上才可以实现。

  (5)排水固结处理技术

  在一些地域中,比如临海或者地下水丰富的地区,在地基加固时,需降低地下水位的,土体航水量大,土壤间孔隙较大。这种地基在实际建设工程种较为常见,需要处理的情况就比较多,排水固结法就是针对这种含水量较大的土壤的加固方法,具体操作就是对土体上方施加力,达到挤压的效果,迫使水分排出,土体的孔隙减小,达到加固效果。此种方法需因地制宜,根据土质,土含水量,孔隙大小,确定重力大小,力求达到效果的同时,不破坏土体的连接性,从而破坏土体的整体性,这对地基的效果也会有较大影响,所以使用时对技术有一定要求。

  综上所述,本工程地基地质为粉质黏土,首先用振密加固处理技术对地基进行简单加固,然后用砂石加固地基技术对地基进行再次加固,这两种方法都施工便利,且用料简单,造价低廉,效果显著。可以为被工程提供较好的地下基础,保证施工和建筑本身的安全性。

  7施工组织设计

  施工组织设计其主要内容就是以建设工程为对象,对整个工程施工过程进行计划和安排,对整个施工顺序和参与对象进行整体安排。根据实际情况进行具体安排,充分考虑各个参与对象对施工的影响以及各个施工顺序的合理化进行。还要保证工程得以安全的,保质保量的,在规定时间内完成[10]。

  7.1施工准备

  施工准备主要包括工程前期的建设场地的水文地质的调查,周边的环境情况,包括地下线路,交通状况,四周建筑的距离,可能对工程有影响的其他因素。对整个场地进行测绘,并出详图,进行平面布置,施工人员的安排,施工材料的初期准备,相关资料的审查,施工设备的安排。安排人员对场地三通一平,对施工场地完成放线,准备施工人员,设备,材料的进场。等等一系列开工前的准备都称为施工准备[11]。

  施工现场的平面布置的合理与否直接关系到施工的安全和施工的时间进度[12]。现场的平面布置尽量保证人员流动和物资流动分开,可以保证速度和安全,消防通道也要提前考虑好,材料间,施工车间最好充分考虑运输的便利。对整个施工场地进行围护,保证施工的进行不是外界影响。施工现场总平面布置是项目施工总部署在空间上的反映[13],平面布置主要要遵循以下几个原则:

  (1)交通的便利,确保材料进场的速度的出场的路径,各种材料的合理放置,对有限的场地进行最大化利用

  (2)材料的放置,最好是施工可以直接取用,所以对量要有合理的安排,避免重复搬运,以免浪费人力以及材料的损耗;

  (3)整个场地最好在保证安全的情况下,缩小对场地的占地面积;

  (4)在保证安全和施工顺利进行,临时建筑最好依托原有建筑物,减免材料的浪费;

  (5)保证场内施工人员的安全和便利,减少对人力剩余价值的损耗;

  (6)此外还是安全为主,绿色施工。

  7.2施工组织

  基坑的施工组织可分为以下几个方面:

  (1)基坑降水施工组织设计

  根据本项目的水文地质条件,地下水的水位在基地标高以下,不需要降低地下水水位,且当地降水量较小,故采用明沟排水和集水井降水法。

  基坑明沟排水法和集水井的设计方案在前文中已有详细描述。降水井的施工流程:

  水沟放线→开挖→夯实侧壁和底部→测放集水井→对集水井的侧壁和底部夯实→对集水井进行简易支护和水过滤→安装抽水设备→安装抽水管→进行可用性试验→验收[14]。

  (2)基坑开挖施工组织设计

  ①施工方案设计

  基坑深度的增加,使得目前的工程量用人力已经不可满足,所以要充分利用现代施工设备,对基坑进行开挖。开挖过程中要进行分层,对挖出土进行合理的安排,最好不要移动的太远,给回填增加成本。挖到基坑底标高三百毫米左右转为人力开挖,确保基坑底的平整和完整性[15]。

  ②土方开挖顺序

  合理的土方开挖顺序可以有效节约时间成本和施工成本[16]。基坑土方开挖施工流程:测放线→用机械土方开挖→土运走→坑底转人力→整平等。土方开挖时要充分考虑场地的合理安排和运用,做好土地转运,最好预留出足够的回填土,节约资源。开挖时各个机械之间的站位要做到合理安排,以安全为前提的情况下,确保挖土的准确性和高效,及时测量,防止多挖或少挖,挖到基坑底三百毫米左右后转人力开挖。

  (2)土钉墙施工施工组织设计

  基坑放坡→测放线→机械钻孔→插入土钉→孔内注入复合混凝土→绑扎面层钢筋网→面层钢筋网浇筑混凝土→验收[17]。

  土钉墙的支护是随着基坑分层开挖进行的,一般分层分段施工,当混凝土强度达到设计值百分之七十以上时才可以进行下一层的开挖[18]。每层之间的衔接长度要在十厘米以上,分层高度取决于土质和现场工况,最好取土钉间距,方便施工。

  (4)水泥土墙施工组织设计

  此种支护的选择原因和其优缺,在前文中已有著述。施工简易,用料简单,效果显著[19]。

  水泥土墙施工工艺:测放线→开挖一定土层→注入混凝土→机械反复搅拌→等待凝固→下一段循环

  施工方案,按照逐步施工的顺序,对基坑支护施工方案进行初步计划,施工工计划横道图初步设计如下图7.1,

  基坑工程施工进度计划横道图7.1

  图7.1基坑工程施工进度计划横道图

  7.3施工优化

  7.3.1施工优化设计

  施工优化,其实就是施工组织根据工地实况进行因地制宜的合理二次安排,主要包括施工技术的优化,使施工的效率更高,经济效益更好。

  材料的循环利用和合理使用,包括模板,各种施工设备的使用,使施工更高效。

  对施工顺序的合理安排,考虑场地的承载量,施工人员的数量,施工机械的功率,材料的充足与否,工期的要求,对工程施工过程顺序进行二次安排,力求达到预期的各项要求[20]。

  综合各方方面考虑,可以对工期的缩短进行优化,可以将降水方案和支护方案的两种支护类型进行同时施工,因为基坑有四面,可以分开操作,加大施工强度,即加大人力和物力的投入,从而达到缩短工期的目的。优化后的施工计划网络横道图如下图7.2所示。

  图7.2基坑工程施工进度计划横道图

  通过对施工计划的优化,成功的将工期缩短至38天,施工优化设计可以有效地将施工方案进行优化。

  7.3.2绿色施工

  现代经济高速发展是建立在对环境的严重破坏之上的,高速的经发展改善了民生,却使周围的环境受到巨大破坏,大量物种的消失,全球变暖,海平面抬升,河流改道或断流,地表水的严重污染和一直存在的水土流失现象。地球是我们生存的环境,我们保护环境其实保护的是我们自己。

  而现代化的过程中,资源的过度开采,山西大面积的地下空地,使得山西巨大的经济跃进之后所引发的一系列环境问题使得现在整体的经济建设陷入困境。乃至每个人身边的环境,空气污染,水资源短缺,这些都是我们将要面对的问题[21]。随着现代社会的进步,人们越发关注自己的生存环境问题,这关系到子孙后代的福祉,我们的习总书记更是提出了金山银山不如绿水青山的观点,可见目前国家和社会对环境问题的关注。而我国出现的情况在国际社会中并不仅有,英国伦敦烟雾事件,日本水吴病等等等等,无不在给人类警示[22]。而今中国的经济建设已经取显著的成就,我国对环境问题的重视已经提上日程,不久在北京举行的世界园艺博览会,国家组织各级政府人员前去观摩学习,各个国家对环境,对绿化的先进经验。提出建设绿色人文文化,是各级政府需要关注的,需要重视的,要切实抓紧的问题。绿色建筑施工体系就是在这样的国际环境下自然发展出的[23]。

  当前中国已经出台了很多关于绿色施工的规范和规定,绿色发展理念已经深入建筑行业的每个角落,对环境的保护,对环境的补偿,对周围环境的影响都需要切实考虑[24]。而在发展至今日的建筑施工,仍存在很多建筑问题,工地烟尘对空气的影响,建设工地对原有绿地的破坏,对土地的破坏,环境噪音,以及材料资源的浪费,目前的建筑工地废材处理仍未有成熟的处理方案[25]。

  以上现象在当日中国都是需要面对的问题,国家和地方也出台了很多相关的规范,但建筑行业仍存在很多问题,这些都会对环境有一定的影响[26]。

  保护环境可分为:

  (1)环境保护宣传措施;

  (2)固体废弃物的减量;

  (3)对噪声的控制;

  (4)对污水排放控制;

  (5)对扬尘的控制;

  (6)对光污染的控制;

  (7)有害气体的控制。

  能源和资源的节约利用可分为:

  (1)材料采用措施;

  (2)材料节约措施;

  (3)周转器械的节约使用;

  (4)其他节材措施;

  (5)资源再生利用措施。

  运用以上措辞在建筑整个施工过程中将绿色施工贯彻到每个细节。

  土地的保护使用,也是绿色施工的一部分,建筑工地一般处于人类聚集地,工地扬尘对环境影响很大[27]。

  7.4工程质量检测与监测

  (1)工程质量检测

  对整个工程施工的的每个单项,单位工程,每个施工程序的逐步检测是进行后续施工的先决条件。检测的结果合理与否不仅关系到工程是否能顺利进行,也关系着每一个施工参与者,后续使用者的安全。合理和必要的质量检测是施工中必不可少的环节,应有专业的第三方检测机构,对每个施工环节进行质量检测,对检测结果进行评估,以及送检有关部门[28]。

  (2)工程质量监测

  现代工程的范围和工程量都非常大,此间产生的问题自然随之增多,处于安全的考虑,应对整个施工过程进行全周期监测,对施工工艺和施工过程进行准确监测。考虑到基坑工程的施工难度和技术要求,相关的风险性,确保施工的安全顺利进行,应安排检测人员对整个工程进行实时监控,对监测数据进行风险分析,及时发现不稳定因素,及时发现问题,处理问题,解决问题。做到整个施工过程的万无一失。全周期得我工程质量检测意义重大[29]。

  开展施工质量监测活动,不仅仅是为了施工的顺利进行、也是为了最大限度的保证施工的安全,确保工程顺利完工[30]。将监测数据与施工实地工况相结合,实现智能化施工,安全施工。

  工程质量检测施工流程如下图所示[31]。

  图7.3工程质量检测施工流程图

  施工质量监测内容如下表所示:

  表7.4监测内容

  8BIM技术的应用

  BIM(Building Information Modeling),意思建筑信息模型,运用先进的计算机技术,将建筑信息化,三维化,使整个设计更直观的直观的体现出其设计方案。其优点在于可以和其他工程师一起在同一平台协作,极大的加快了建筑周期。其直观的体现对施工单位来说,也充分降低了施工难度,防止物不对图,使得设计可以更完整的传达给施工方。前不久的雷神山,火神山的建设速度充分向世界展现了中国速度,在设计初期就是由上百名BIM工程师协同合作,在极短的时间内完成了,结构,建筑,装修的全部设计。这充分体现了这种技术的先进和高效。

  (1)BIM技术在施工准备阶段中的应用[32]

  在施工准备阶段的技术运用主要体现在施工场地平面布置,使其更直观,更立体,而且BIM软件中有漫游和预计算技术,可以提前在计算机上建模,模拟实景,提前发现问题,完善施工方案吗,这一技术的运用,将对场地的运用最大化,使得施工方在场地的运用上更加得心应手,这一方面可以减少施工的造价。施工准备阶段还要进行各个参与方的技术,运用BIM技术,可以使这个过程更加高效,使得设计目的能更好的被施工方体现。加快了施工阶段的进程,提高工程施工效率。

  (2)BIM技术在施工阶段中的应用

  施工阶段的BIM技术运用主要体现在施工方对细节的把控,目前主要的设计方案还是用CAD技术导出二维图纸,将二维图纸的图纸方案施加到三维的实体建筑时难免会有一些偏差,尤其是一些节点的把控,可以让施工方少些顾虑,少些等待回应的时间,加快加快施工速度。在施工时发现有偏差的地方可以用BIM技术直接体现出来,让设计方和施工方之间的沟通更加高效。

  (3)基于BIM技术的施工模拟

  目前的施工流程中,用图纸表达设计方法难免有失偏颇,因为信息的不对等和不能进行试试沟通,而使得施工过程需要等待,这不仅加长了施工时间,也大大增加了增加了施工成本。而用BIM技术的施工模拟,对各个细节的时间,材料,施工量有更直接的体现,预演也可以让各方提前准备,使得施工过程更加流程,高效,在当今社会时间就是金钱。高效就代表着更高的利润和更低的成本。

  (4)BIM技术在施工成本控制中的应用

  成本,利润,是所有商业行为里最重视的问题,这将决定很多东西,而BIM技术可以在设计阶段就完成工程的成本预算,在对结构的分析中,信息化可以使的很多节点的效果和造价都有更好的解决方案。使得投资方对项目更有信心,对工程有更好的控制。使得施工质量提高,造价降低。