可控变形的预应力混凝土悬臂支护结构及其设计施工方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及岩土工程领域，尤其涉及一种可控变形的预应力混凝土悬臂支护结构及其设计施工方法。
【背景技术】
[0002]超过一定深度的基坑，其支护结构均采用支护粧或地下连续墙加设锚杆或内支撑的型式，以降低排粧、地下连续墙的结构内力、减小结构变形。目前实际基坑工程中，采用预应力锚杆或内支撑的支护结构越来越受到下述现实问题的限制:1)受土地资源和建设用地红线的制约，预应力锚杆势必超出红线，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，国内一些城市也已陆续出台不允许支护结构出建筑红线的政府行政法规。另外，如周边既有建筑物有多层地下室，预应力锚杆则无法实施。2)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。
[0003]虽然，悬臂式支护结构具有避免上述两类问题的优点，但悬臂式支护结构的顶部位移和内力随基坑深度的增加呈几何级数的增长，过大的支护结构位移会引起土体结构变形破坏，进而造成周边建筑物、地面沉降和开裂，这种结果是不能被接收的；过大的结构内力势必要求大幅增加支护结构截面，从而引起造价的大幅增加。因而，悬臂式支护结构可适用的基坑深度有限，无法解决深基坑的支护问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种可控变形的预应力混凝土悬臂支护结构及其设计施工方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。
[0005]为了实现上述目的，本发明所述可控变形的预应力混凝土悬臂支护结构，所述支护结构包括:普通混凝土悬臂支护结构、预应力筋、固定端、张拉端；
[0006]所述普通混凝土悬臂支护结构包括:混凝土和配置于所述混凝土中的钢筋笼；所述张拉端、所述固定端分别位于所述预应力筋的上、下两端；所述预应力筋和锚固所述预应力筋的固定端设置在所述普通混凝土悬臂支护结构内，并同所述普通混凝土悬臂支护结构同步施工；所述张拉端锚固在所述普通混凝土悬臂支护结构顶端的冠梁上和/或锚固在所述普通混凝土悬臂支护结构侧壁的牛腿上；所述预应力筋的束数多1，所述预应力筋的形状是直线形和/或曲线形；施加在所述预应力筋上的预应力可以一样也可以不一样。
[0007]优选地，所述普通混凝土悬臂支护结构是灌注粧或地下连续墙；所述灌注粧的横截面的形状可以是圆形或矩形，所述地下连续墙的形状可以是长方形或T形。
[0008]优选地，所述普通混凝土悬臂支护结构在基坑底面以下有一段嵌固段，所述嵌固段的长度在满足基坑内外土压力平衡的要求之外还应满足在基坑开挖后将所述悬臂支护结构在基坑开挖处的位移和转角限制在要求的程度内。
[0009]优选地，所述预应力筋为后张拉预应力筋。
[0010]优选地，所述固定端可采用垫板连体式夹片锚具或挤压锚具或压花锚具进行锚固，所述张拉端可采用夹片锚具进行锚固。
[0011]优选地，在所述张拉端和所述固定端的混凝土中可设置钢筋网片和/或钢板和/或钢套箍。
[0012]优选地，在普通混凝土悬臂支护结构施工完成后，再施工所述冠梁和所述牛腿，所述牛腿的施工可采用钢筋混凝土现浇，也可采用钢结构制作。
[0013]优选地，所述预应力筋在所述普通混凝土悬臂支护结构中的位置与下放浇筑所述普通混凝土悬臂支护结构混凝土所用导管所占用的空间无交集；
[0014]所述导管下放所占空间外围可设置附加钢筋笼或铁皮，所述附加钢筋笼或所述铁皮预先固定在所述钢筋笼内。
[0015]本发明基于可控变形的预应力混凝土悬臂支护结构的施工方法，所述方法按照下述步骤实现:
[0016]SI，依据预先设计的参数加工钢筋笼，并在钢筋笼上固定设置预应力筋和预应力筋固定端的锚具；
[0017]S2，将钢筋笼下放到预先施工完成的孔或槽中；
[0018]S3，向孔或槽中浇筑混凝土，形成灌注粧或地下连续墙，待混凝土终凝后，施工粧顶或墙顶冠梁；
[0019]S4，将混凝土养护至预先设计的强度后，按预先设计的张拉方案对预应力筋进行张拉并锚固于张拉端，完成可控变形的预应力混凝土悬臂支护结构的施工；
[0020]所述预先设计的张拉方案分为一步张拉和分步张拉，其中；
[0021]所述一步张拉的具体步骤为:判断张拉端是位于支护结构顶部还是支护结构侧部:如果张拉端位于支护结构顶部，则直接张拉预应力筋至预先设计的预应力；如果张拉端位于支护结构侧部，则开挖土方至张拉端下方，制作牛腿，待牛腿强度满足设计要求后，张拉所述预应力筋至预先设计的预应力；
[0022]所述分步张拉的具体步骤为:按所述一步张拉的具体步骤完成第一步张拉，开挖土方至需要张拉的下一道预应力筋的下方，制作牛腿，待牛腿强度满足设计要求后，张拉此道预应力筋至预先设计的预应力，然后继续开挖土方、张拉下一道预应力筋，直至张拉完设置在所述灌注粧或地下连续墙内的所有预应力筋为止。
[0023]本发明基于可控变形的预应力混凝土悬臂支护结构的设计方法，所述普通混凝土悬臂支护结构和预应力筋的设计参数根据随开挖过程土压力的变化和控制位移的要求进行设计，所述普通混凝土悬臂支护结构是灌注粧或地下连续墙，具体按照下述步骤实现:
[0024]BI，在基坑某一开挖工况下，以支护结构作为计算对象，基坑内外不平衡土压力和预应力筋张拉产生的预应力作为荷载施加于支护结构上，基坑内侧施加土弹簧模拟被动抗力，计算得到支护结构的变形和内力；
[0025]B2，判断计算得到的支护结构变形和内力是否均满足设计要求，如果否，则调整所述灌注粧或地下连续墙和/或预应力筋的设计参数后，重复步骤BI中所述计算过程，直至支护结构的变形和内力满足设计要求，然后进入B3 ;如果是，则直接进入B3 ;
[0026]B3，循环操作BI至B2，验算各个工况下支护结构的变形和内力，直至支护结构的变形和内力在整个开挖过程中均满足设计要求，完成所述灌注粧或地下连续墙和预应力筋参数的设计；
[0027]其中，所述预应力筋的设计参数包括:线型、截面面积、预应力、固定端位置和张拉端位置。
[0028]本发明的有益效果是:
[0029]本发明所述支护结构的变形控制不依靠预应力锚杆或内支撑，而是通过对支护结构自身分段分步施加预应力，使支护结构预先产生朝向基坑外的变形趋势，当基坑开挖后控制支护结构的水平位移在容许范围内，从而解决普通混凝土悬臂支护结构变形过大的问题。另一方面，在相同截面尺寸下，可明显提高支护结构的受弯受剪承载力，解决了普通混凝土悬臂支护结构尺寸过大问题。
【附图说明】
[0030]图1是可控变形的预应力混凝土悬臂支护结构侧面示意图；
[0031]图2是图1A-A方向的剖视图；
[0032]图3是算例预应力悬臂支护结构粧身预应力钢绞线的布置图；
[0033]图4是图3D-D方向的剖视图；
[0034]图5是所述算例中普通悬臂粧和本发明所述预应力悬臂粧的粧身水平位移曲线；不带标志的曲线表示普通悬臂粧的粧身水平位移曲线，带三角形标志的曲线表示预应力悬臂粧的粧身水平位移曲线；
[0035]其中，1--普通混凝土悬臂支护结构；2--预应力筋；3--固定端，4--张拉端；5 冠梁；6 牛腿，B表不基坑，C-C’表不嵌固段。
【具体实施方式】
[0036]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的【具体实施方式】仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0037]实施例
[0038]参照图1，本实施例中所述可控变形的预应力混凝土悬臂支护结构包括:普通混凝土悬臂支护结构、预应力筋、固定端、张拉端；所述普通混凝土悬臂支护结构包括:混凝土和配置于所述混凝土中的钢筋笼；所述张拉端、所述固定端分别位于所述预应力筋的上、下两端；所述预应力筋和锚固所述预应力筋的固定端设置在所述普通混凝土悬臂支护结构内，并同所述普通混凝土悬臂支护结构同步施工；所述张拉端锚固在所述普通混凝土悬臂支护结构顶端的冠梁上和/或锚固在所述普通混凝土悬臂支护结构侧壁的牛腿上。所述预应力筋的束数多1，所述预应力筋的形状是直线形和/或曲线形；施加在所述预应力筋上的预应力可以一样也可以不一样。所述预应力筋为后张拉预应力筋。更详细的描述是:
[0039](一 )在普通混凝土悬臂支护结构施工完成后，再施工所述冠梁和所述牛腿，所述牛腿的施工采用钢筋混凝土现浇或采用钢结构制作。一般情况下，普通混凝土悬臂支护结构顶端都会有冠梁，而不一定有牛腿，只有当需在普通混凝土悬臂支护结构侧壁锚固钢绞线时，才会设置牛腿。
[0040]( 二)所述普通混凝土悬臂支护结构是灌注粧或地下连续墙；所述灌注粧的横截面的形状可以是圆形或矩形，所述地下连续墙的形状可以是长方形或T形。
[0041]所述普通混凝土悬臂支护结构在基坑底面以下有一段嵌固段，所述嵌固段的长度在满足基坑内外土压力平衡的要求之外还应满足在基坑开挖后将所述悬臂支护结构在基坑开挖处的位移和转角限制在要求的程度内。
[0042](三)所述固定端可采用垫板连体式夹片锚具或挤压锚具或压花锚具进行锚固，所述张拉端可采用夹片锚具进行锚固。
[0043]在所述张拉端和所述固定端的混凝土中可设置钢筋网片和/或钢板和/或钢套箍，作为混凝土抗局部受压破坏、抗劈裂、抗剥裂措施。
[0044](四)所述预应力筋在所述普通混凝土悬臂支护结构中的位置与下放浇筑所述普通混凝土悬臂支护结构混凝土所用导管所占用的空间无交集；所述导管下放所占空间外围可设置附加钢筋笼或铁皮，所述附加钢筋笼或所述铁皮预先固定在所述钢筋笼内。目的是防止所述混凝土浇筑用导管在下放过程中碰撞损坏预先设置在所述钢筋笼内的所述预