一种预应力混凝土基坑支护结构及施工方法与流程

本发明涉及岩土工程领域，特别地涉及一种预应力混凝土基坑支护结构及施工方法。

背景技术：

基坑是在基础设计位置按基底标高和基础平面尺寸所开挖的空间。开挖前应根据地质水文资料，结合现场附近建筑物情况，决定开挖方案，并作好防水排水工作。开挖不深可用放坡或土钉墙的办法，使土坡稳定，其坡度大小按有关施工工程规定确定。当开挖超过一定深度时，就需要采取额外措施进行支护。在现有技术中，为降低护坡桩的结构内力、减小结构变形，均采用加设锚杆或内支撑的措施。形成锚拉支护体系或是内支撑支护体系，也是目前基坑工程中最为常见的支护形式。但是在实际的工程项目中，锚杆和内支撑的应用往往会受到各种各样的限制。比如，受土地资源和建设用地红线的制约，锚杆所需范围较大，势必会超出红线，引起侵占相邻土地使用权的问题，造成对临近地下空间后续开发的不利影响，而且国内一些城市也已陆续出台不允许支护结构超出建筑红线的政府行政法规。另外，如果周边有建筑物或多层地下室，锚杆则无法实施。内支撑支护体系虽无侵占相邻土地使用权的问题，但基坑内设置的内支撑严重影响主体结构的正常施工，综合造价一般也较高，在很多地区(如北京)，开发商和承包方均难以接受内支撑支护结构形式。因此，本领域迫切的需要一种新的基坑支护结构。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提出了一种预应力混凝土基坑支护结构，包括：挡土结构装置，其设置于基坑的四周，所述挡土结构装置的第一端固定于基坑底部，所述挡土结构装置的第二端在基坑顶部，形成挡土结构；以及一个或多个预应力混凝土的横梁，其在水平方向上横贯至少部分挡土结构装置，并经配置以产生朝向所述基坑外的形变趋势。

如上所述的预应力混凝土基坑支护结构，其中所述挡土结构装置包括多个护坡桩。

如上所述的预应力混凝土基坑支护结构，其中所述挡土结构装置包括地下连续墙。

如上所述的预应力混凝土基坑支护结构，其中所述横梁形成封闭结构或不封闭结构，以约束所述挡土结构装置。

如上所述的预应力混凝土基坑支护结构，其中所述横梁为多个，并且所述多个横梁高度不相同，以在不同位置约束所述挡土结构装置。

如上所述的预应力混凝土基坑支护结构，其中所述横梁包括冠梁，其设置于所述挡土结构装置的第二端或靠近所述挡土结构装置第二端的位置。

如上所述的预应力混凝土基坑支护结构，其中所述横梁包括第一腰梁，其设置于所述挡土结构装置的第一端和第二端之间。

如上所述的预应力混凝土基坑支护结构，其中所述横梁包括多个第一腰梁，相邻的第一腰梁通过连接装置相互固定连接，也包括在所述基坑内所述连接装置外保留操作空间。

如上所述的预应力混凝土基坑支护结构，其中所述横梁包括第二腰梁，其设置于所述挡土结构装置的第一端和第二端之间。

如上所述的预应力混凝土基坑支护结构，其中所述横梁内包括一束或多束钢绞线，所述钢绞线相对于横梁中轴线偏心于基坑内侧布置，经配置为横梁提供预应力。

如上所述的预应力混凝土基坑支护结构，其中，所述钢绞线的两端设置于所述横梁两端的上表面或横梁的两端面。

如上所述的预应力混凝土基坑支护结构，其中所述钢绞线为无粘结钢绞线或有粘结钢绞线。

如上所述的预应力混凝土基坑支护结构，其中所述横梁的截面是相同截面或变截面的。

如上所述的预应力混凝土基坑支护结构，其中所述横梁两端的截面相比所述横梁中间的截面面积可更小。

如上所述的预应力混凝土基坑支护结构，进一步包括：一个或多个锚杆，其设置于所述横梁的一端或两端；或一排或多排锚杆，其设置于所述横梁上，经配置以约束横梁。

如上所述的预应力混凝土基坑支护结构，其中，所述锚杆设置于所述挡土结构装置上。

如上所述的预应力混凝土基坑支护结构，其中所述护坡桩内包括一束或多束钢绞线，所述钢绞线相对于护坡桩中轴线偏心于基坑外侧布置经配置，为护坡桩提供预应力。

根据本申请另一方面，提出了一种预应力混凝土基坑支护结构的施工方法，包括：在待开挖基坑四周施工设置挡土结构装置；以及在预定深度，施工设置一个或多个横梁，其在水平方向上横贯至少部分挡土结构装置，并经配置以产生朝向所述基坑外的形变趋势；以及挖掘基坑至预定基坑深度。

如上所述的施工方法，进一步包括：在挡土结构装置的顶端或靠近顶端的位置施工设置一个或多个相互连接的施加预应力的冠梁。

如上所述的施工方法，进一步包括：挖掘基坑，在挡土结构装置的第一深度处，施工设置一个或多个预应力的第一腰梁。

如上所述的施工方法，进一步包括：挖掘基坑，在挡土结构装置的第二深度处，施工设置一个或多个施加预应力的第二腰梁。

如上所述的施工方法，进一步包括：所述多个横梁相互连接形成封闭结构或不封闭结构，以约束所述挡土结构装置。

如上所述的施工方法，进一步包括：在所述横梁之外提供一个或多个锚杆，所述一个或多个锚杆连接到所述横梁的一端或两端，或一排或多排锚杆，所述一排或多排锚杆连接到所述横梁上，经配置以约束横梁。

本申请的基坑支护结构，其可以在水平方向上横贯部分悬臂支护结构，将悬臂支护结构的悬臂状态改变为有约束的状态，从而可以降低悬臂支护结构的结构内力、减小结构变形，可以适应更深基坑的支护需求。

附图说明

下面，将结合附图对本发明的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：

图1为根据本申请一个实施例的基坑支护结构示意图；

图2为根据本申请一个实施例的基坑支护系统俯视图；

图3为根据本申请一个实施例的基坑支护结构的局部示意图；

图4为根据本申请一个实施例的基坑支护结构的局部示意图；

图5为根据本申请另一个实施例的基坑支护结构示意图；

图6a和图6b为根据本申请一个实施例基坑支护结构的应力计算示意图；

图7a和图7b为根据本申请一个实施例的不同基坑支护结构的结构变形图；

图8根据本申请一个实施例的基坑支护结构施工流程图；以及

图9为根据本申请另一个实施例的基坑支护结构施工流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本申请的实施例进行结构、逻辑的改变。

本申请提出了一种新型的基坑支护结构，其可以在水平方向上横贯部分挡土结构装置，将挡土结构装置的悬臂状态改变为有约束的状态，从而可以降低悬臂支护结构的结构内力、减小结构变形，可以适应更深基坑的支护需求。在一些实施例中，挡土结构装置包括但不限于：护坡桩、地下连续墙等。

下面通过具体的实施方式来进一步说明本申请技术方案。本领域技术人员应当理解，以下描述仅仅是为了方便对本申请技术方案的理解，并不应当用来限制本申请的保护范围。

图1为根据本申请一个实施例的基坑支护结构示意图。图2为根据本申请一个实施例的基坑支护系统俯视图。图3和图4为根据本申请一个实施例的基坑支护结构的局部示意图。如下以护坡桩为例说明本申请技术方案，如本领域技术人员所理解，其他悬臂支护结构(如地下连续墙)同样可以适用于本申请技术方案。

如图所示，基坑支护结构100(以下简称“支护结构”)，其包括多根护坡桩110，其设置于基坑的四周，第一端固定于基坑的底部，第二端位于基坑的顶部，形成悬臂支护结构可以对基坑的四周进行支护。在一些实施例中，护坡桩110包括一根或多束钢绞线101，其可以为护坡桩提供预应力用于减小护坡桩向基坑内的变形，并且还可以加强护坡桩的强度。在一些实施例中，钢绞线为无粘结钢绞线，有利于张拉钢绞线为护坡桩提供预应力。在一些实施例中，钢绞线也可以是有粘结钢绞线。在一些实施例中，钢绞线相对于护坡桩中轴线偏心于基坑外侧设置，有利于护坡桩的第二端产生偏向基坑外部的弯曲变形趋势，从而可以减小护坡桩的结构变形。

在一些实施例中，基坑支护结构100还可以设置一个或多个横梁，其在水平方向上横贯至少部分护坡桩，并可以产生朝向基坑外的形变趋势，有利于护坡桩抵抗基坑外侧对其产生的结构内力以及结构变形。

在一些实施例中，横梁包括冠梁120，其设置于多个护坡桩110的第二端，从而可以对多个护坡桩的顶端进行约束。在一些实施例中，冠梁可以设置在靠近护坡桩的第二端处。在一些实施例中，冠梁120的数量可以是多根，多个冠梁相互连接形成封闭结构，以约束护坡桩。例如：基坑四周的每一边设置一根冠梁120，其可以对基坑每一边的多根护坡桩进行约束，相邻两边的冠梁相互固定，利用相邻冠梁纵向刚度大的优势，可以形成端部的约束，从而使得基坑上口的冠梁封闭，使得护坡桩的第二端变成不动点，可以降低护坡桩的结构内力、减小结构变形。在一些实施例中，冠梁可以是混凝土梁。在一些实施例中，冠梁相互之间可以不封闭连接，利用其他物体(例如：锚杆)对冠梁端部进行约束。

在一些实施例中，冠梁120还可以包括一束或多束钢绞线111，其可以为冠梁提供预应力用于减小护坡桩向基坑内的变形，并且还可以加强冠梁的强度。在一些实施例中，钢绞线为无粘结钢绞线，有利于张拉钢绞线为冠梁提供预应力。在一些实施例中，钢绞线也可以是有粘结钢绞线。在一些实施例中，钢绞线相对于冠梁中轴线偏心于基坑内侧设置，有利于冠梁产生偏向基坑外部的变形趋势，从而可以抵抗基坑外侧对护坡桩产生的结构内力以及结构变形。当张拉冠梁中预先设置的钢绞线，对冠梁施加预应力后，冠梁受到偏心荷载的作用，将产生向基坑外侧的弯曲变形趋势。由于冠梁两端受到与之相交冠梁的约束，在基坑开挖后冠梁产生的偏向基坑内侧的变形会明显减小。在一些实施例中，根据冠梁的长度，钢绞线可以是一端张拉，一端锚固，也可以是两端张拉。在一些实施例中，为满足钢绞线张拉操作空间的需要，可以在冠梁端部基坑外侧开挖工作坑。

在一些实施例中，冠梁的截面可以是矩形。在一些实施例中，冠梁的截面可以是可变截面。在一些实施例中，冠梁的截面形状也可以是多边形。在一些实施例中，冠梁两端的截面相比冠梁中间的截面面积更小。根据本申请一个实施例，参考图3，冠梁可以是曲线状(例如：鱼腹状等)，即靠近基坑外侧为直边，靠近基坑内侧为曲面，可以使得冠梁中部的截面最大，由中部向两端逐渐缩小，有利于在获取同样预加弯矩(即钢绞线的矢高相同)的前提下，可以节省混凝土，增大其在预应力作用下朝向基坑外的变形趋势，加大对护坡桩的水平约束；还可以在混凝土用量相同的前提下，可以增加钢绞线的矢高，增加预先施加在冠梁上的弯矩，同样的可以增大其在预应力作用下朝向基坑外的变形趋势，加大对护坡桩的水平约束。

在一些实施例中，当基坑超过一定深度后，横梁还可以包括腰梁130，其设置于冠梁120与基坑底部之间，与冠梁设置在护坡桩的不同高度上，以在不同位置约束护坡桩。在一些实施例中，腰梁与多个护坡桩固定连接。参考图4，可在护坡桩的上植入多个横向的钢筋，多个横向的钢筋锚入腰梁130中，从而实现腰梁和护坡桩之间的固定连接。如本领域技术人员所理解，通过钢筋锚固连接仅仅只是一种连接方式，本领域中其他连接方式均可以应用于本申请技术方案。例如：护坡桩内预埋钢板焊接，螺栓连接等等。

在一些实施例中，横梁仅包括一道腰梁，其设置于护坡桩的第一端和第二端之间。在一些实施例中，横梁包括冠梁和一道腰梁，其中，冠梁设置于护坡桩的第二端或靠近第二端处，腰梁设置于护坡桩的第一端和第二端之间。在一些实施例中，横梁可以包括多道腰梁。

在一些实施例中，每道腰梁130的数量可以是多根，例如：基坑四周的每一边设置一根腰梁130，其可以对基坑每一边的多根护坡桩进行约束，相邻两边的腰梁相互固定，对腰梁两端形成约束，使腰梁成为对桩的位移约束点，可以降低护坡桩的结构内力、减小结构变形。在一些实施例中，相邻两根腰梁可以通过角撑121相互固定，利用角撑轴向的刚度，可以对腰梁的两端形成约束，而且角撑外还可以保留操作空间，以便于对腰梁进行一些操作。在一些实施例中，腰梁相互之间可以不封闭连接，利用其他物体(例如：锚杆)对腰梁的端部进行约束。在一些实施例中，腰梁可以是混凝土梁。在一些实施例中，腰梁的截面可以与冠梁的截面类似，故不再赘述。

在一些实施例中，腰梁130还可以包括一束或多束钢绞线122，其可以用于为腰梁提供预应力，并且还可以加强腰梁的强度。在一些实施例中，钢绞线为无粘结钢绞线，有利于张拉钢绞线为腰梁提供预应力。在一些实施例中，钢绞线也可以是有粘结钢绞线。在一些实施例中，钢绞线相对于腰梁中轴线偏心于基坑内侧设置，有利于腰梁产生偏向基坑外部的弯曲变形趋势，从而可以减小基坑外侧土的压力对护坡桩产生的结构内力以及结构变形。当张拉腰梁中预先设置的钢绞线，对腰梁施加预应力后，腰梁受到偏心荷载的作用，将产生向基坑外侧的弯曲变形趋势。在一些实施例中，根据腰梁的长度，钢绞线可以是一端张拉，一端锚固，也可以是两端张拉。在一些实施例中，为满足钢绞线张拉操作空间的需要，腰梁设置于基坑内部，其一侧与护坡桩接触，两端通过角撑与相邻腰梁连接。在一些实施例中，钢绞线的两端可以设置于腰梁的上表面，从而可以不必为张拉钢绞线提供操作空间。如：在腰梁两端的上表面上制作带斜面的牛腿，钢绞线可以由牛腿的斜面穿出，从而便于张力钢绞线；或者腰梁两端的上表面制作成斜面，钢绞线可以由斜面穿出，从而便于张力。

图5为根据本申请另一个实施例的基坑支护结构示意图。如图所示，基坑支护结构500包括多根护坡桩510、冠梁520、腰梁530以及一根或多根锚杆540。其中，冠梁520设置于多根护坡桩510的第二端，腰梁530设置于冠梁和基坑底面之间。护坡桩510、冠梁520以及腰梁530包括一个或多根钢绞线，其用于提供预应力，与图1实施例相似，故不再赘述。一根或多根锚杆540设置于冠梁520和/或腰梁530的一端或者两端，其一端连接与冠梁520或者腰梁530的端头，一端与地面连接，可以对未形成封闭结构的冠梁520和/或腰梁530的端部形成约束，使得冠梁520和/或腰梁530成为对桩的位移约束点，预先施加的预应力产生朝向基坑外侧的弯曲变形趋势，以抵抗基坑外侧土的压力对护坡桩产生的结构内力以及结构变形。

根据本申请另一个实施例中，基坑支护结构还可以包括一排或多排锚杆540，一排或多排锚杆540设置于冠梁510或者腰梁530上，其可以对冠梁或者腰梁进行约束。在一些实施例中，一排或多排锚杆可以等间距或不等间距(即任意位置)的设置于整个横梁上。在一些实施例中，一排或多排锚杆还可以等间距或不等间距设置于横梁的局部(例如：横梁的中部或者横梁的两端)。在一些实施例中，一排或多排锚杆还可以设置于护坡桩520上，其可以对护坡桩进行约束。在一些实施例中，一排或多排锚杆可以等间距或不等间距(即任意位置)的设置于整个护坡桩上。在一些实施例中，一排或多排锚杆还可以等间距或不等间距设置于护坡桩的局部(例如：护坡桩的中部或者护坡桩的两端)。

在一些实施例中，基坑支护结构的主要设计参数包括护坡桩的直径、间距、嵌固深度、桩身内钢绞线的布置形状、数量和预加力大小、冠梁和/或腰梁的布设位置、截面尺寸、梁内钢绞线的布置形状、数量和预应力大小。需要根据基坑岩土工程条件、开挖深度和周边环境条件，进行优化组合，采用有限元法或其他方法计算，求得支护结构的变形和内力，直至支护结构的变形和内力满足设计要求、造价满足经济要求。下面将通过具体的算例进一步说明本申请的支护结构：

图6a和图6b为根据本申请一个实施例基坑支护结构的应力计算示意图。图7a-图7b为根据本申请一个实施例的不同基坑支护结构的结构变形图。

根据本申请一个实施例，以下算例采用中国建筑科学研究院地基基础研究所基坑支护设计商业软件rsd3.0计算。其中，土体的设计参数为：容重20kn/m3，粘聚力20kpa，内摩擦角25°，基坑开挖深度为15m。普通支护结构的护坡桩桩径为1200mm、桩间距1.8m、嵌固深度10m、桩身混凝土强度等级为c40。参考图6a，本申请支护结构的护坡桩601与普通支护结构的护坡桩相同，并在护坡桩中设置11束钢绞线602，每束钢绞线配置5根钢绞线，预应力的张拉控制应力为1000n/mm²。参考图6b，本申请支护结构还可以在护坡桩的-6m处设置一道预应力腰梁603，腰梁截面尺寸为1200mmx800mm,配10束钢绞线604，每束5根，预应力的张拉控制应力为1300n/mm²。

参考图7a和图7b，普通支护结构的护坡桩的桩顶位移为225.7mm，桩身最大弯矩为5742kn.m。而本申请支护结构在护坡桩中设置钢绞线，以及在护坡桩上设置腰梁时，护坡桩的桩顶位移为41.1mm，桩身最大弯矩为2206kn.m。由此，本申请支护结构与普通支护结构相比，护坡桩的桩顶位移减少幅度为81.8％，桩身弯矩减小幅度为61.6％。由上可知，本申请的基坑支护结构，在控制支护结构变形和内力方面，能获得更优的性能，适用深度更深。而且基坑变形可以控制在国家相关规范要求的范围内，本申请的基坑支护结构完全符合设计要求。

图8根据本申请一个实施例的基坑支护结构施工流程图，在步骤810中，施工护坡桩。在一些实施例中，根据基坑支护结构的设计方案施工护坡桩。在一些实施例中，护坡桩中可以预先预埋一束或多束无粘结的钢绞线。如本领域技术人员所理解，如何施工护坡桩在此不再赘述。

在步骤820中，施工冠梁。在已施工好的护坡桩顶部或靠近顶部的位置施工冠梁，与护坡桩的顶部连接，对其进行约束。在一些实施例中，施工冠梁的步骤可以包括支模、绑扎钢筋、绑扎钢绞线、浇筑混凝土、脱膜等。在一些实施例中，在冠梁中预埋钢绞线，有利于冠梁产生预应力，以产生偏向基坑外部弯曲变形的趋势，从而有利于抵抗基坑外部土的压力。在一些实施例中，冠梁之间相互封闭连接，以便于冠梁相互之间互相约束。在一些实施例中，冠梁之间相互不封闭连接。

在步骤830中，张拉冠梁中的钢绞线，为冠梁提供预应力，以产生偏向基坑外部弯曲变形的趋势，从而有利于抵抗基坑外部土的压力。在一些实施例中，根据基坑支护结构的设计方案张拉冠梁中的钢绞线，使其达到设计要求的预应力。在一些实施例中，也可以分步张拉冠梁中的钢绞线。如根据开挖基坑的深度，张拉冠梁中的钢绞线，以抵抗基坑外部土的压力。

在步骤840中，张拉护坡桩中的钢绞线，为护坡桩提供预应力。在一些实施例中，根据基坑支护结构的设计方案张拉护坡桩中的钢绞线，使其达到设计要求的预应力。在一些实施例中，也可以分步张拉护坡桩中的钢绞线。如根据开挖基坑的深度，张拉护坡桩中的钢绞线。

在步骤850中，开挖基坑，直至开挖深度到达基底，完成基坑的开挖。

图9为根据本申请另一个实施例的基坑支护结构施工流程图。其中，步骤910-930与步骤810-830类似，不再赘述。

在步骤940中，判断基坑中是否设置腰梁。在一些实施例中，根据设计要求当基坑开挖深度超过一定深度时，可以在冠梁和基底之间设置一道或多道腰梁，以增加护坡桩的强度，抵抗基坑外侧土的压力对护坡桩的结构内力以及结构变形。

在步骤950中，当基坑中设置有腰梁时，则开挖基坑至需要腰梁处，并施工腰梁。在一些实施例中，腰梁施工步骤与冠梁类似，不再不赘述。在一些实施例中，腰梁中同样可以预埋钢绞线。在一些实施例中，腰梁之间相互封闭连接，以便于腰梁相互之间互相约束。在一些实施例中，腰梁之间相互不封闭连接。在一些实施例中，在腰梁外可以设置一个或多个锚杆，以约束腰梁。在一些实施例中，施工完腰梁后，继续返回步骤940判断基坑中是否还设置有腰梁，如果仍存在腰梁，则重复步骤950和940。

在步骤960中，当基坑中无腰梁，则直接开挖至基底，完成基坑的开挖。

上述实施例仅供说明本发明之用，而并非是对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本发明公开的范畴。