管道基坑预变形支护方法
【专利摘要】本发明公开了一种管道基坑预变形支护方法，包括以下步骤：A、将终级台阶以上划分若干个台阶，台阶面上的土体清除，使得土体滑动面上的主动土压力减少并允许滑动面上的土体滑动；B、在每一台阶的立面上设置钢板桩或空腔桩，上级台阶的作用力不传递给下级台阶，钢板桩或空腔桩承担本台阶内主动土压力或滑动土体的下滑力中的最大值，其变形满足支护结构材料和整体性要求；C、在每一钢板桩或空腔桩上预设测点，对预设测点直接进行测量，对变形超过正常极限状态部位进行补强，及时控制失稳状态的发生。本发明容许终级台阶以上的各级台阶土体发生大变形，甚至超过几十厘米以上的变形，因而施工工艺简单、工序容易实现，造价远远低于按照小变形控制的基坑支护设计。
【专利说明】管道基坑预变形支护方法
[0001]
【技术领域】:
本发明涉及一种管道基坑支护技术，特别是涉及一种管道基坑预变形支护方法。
[0002]【背景技术】:
基坑支护是提供地面以下建筑物构筑时的临时性工程，其基本功能是确保基坑短时期的运营安全、基坑周边的建筑(或构筑物)不受影响或虽然受到影响但是对周边建筑的功能和使用等无影响，即基坑开挖后所产生的变形在既有建筑抗变形值范围内。
[0003]石油和天然气管道基坑工程与建筑基坑工程不同点在于大部分情况下位于无建筑物的开阔地带一田地、河道、河漫滩等地貌单元，其支护结构的变形仅对周边岩土的条件和应力状态以及运营有影响。这种影响不导致相应次生地质灾害发就应该是安全的。采用建筑基坑设计标准时，必然采用小变形设计方法，基坑的安全度虽然提高，基坑工程造价随之增加，工期增长，施工工艺难度提升。管道基坑工程狭长，属于线状基坑工程，与建筑基坑工程的形状完全不同(有很多中形状等)，也就是在一个方向上，变形量大，即长度方向上，宽度方向上基坑的变形可以不考虑而。
[0004]图3表示的是传统基坑支护结构一般设计方法，由于周边分台阶的空间很小，力口上基坑壁大部分情况由于土方开挖回填经济代价太高等因素，坑壁经常采用直立方式。基坑支护结构属于同一结构，没有断开的接点，因此坑壁变形性相同属于整体性变形。基坑变形中未考虑支护结构与土体之间相互作用，土体仍然按照均质体设定条件进行有关计算，因此存在理论上的缺陷。支护结构顶部(因为有冠梁结构的作用)刚度相对于下部结构的刚度而言是足够大的，工程实践表明支护结构往往发生中鼓和碟状变形现象，显然采用单一顶部变形控制设计不符合管道基坑工程的实际工况。
[0005]该种方法还存在的问题:1、施工工艺复杂，小变形基坑工程对支护结构的施工工艺要求比较高、环节多，支护结构不能够重复利用，虽然支护结构属于临时性的，但是却永久地埋在建筑物的周边，造成环境污染或影响相邻建筑的施工。例如:支护结构顶部需要冠梁，中间部分分设锚索或锚杆，这些部分多为预应力结构，基坑开挖深度受制于锚索的层数，每层锚索就是一个工况，需要停止开挖一段时间，待锚索完工并满足龄期要去后才能开挖下一道土方和锚索施工。因此基坑施工时间长，给出了岩土体和支护结构变形的时间和空间，工艺内容复杂，不适宜快速基坑工程。2、监测经济昂贵和环节多，元器件属于一次性埋设，没有重复利用的几率，例如土压力盒、钢筋应力计均是在土中或混凝土中埋设，支护结构功能完成后无法取出来。这些元件价格非常昂贵，属于一次性使用，也不满足重复利用的要求。元件的安装环节比较多，需要施工方和监测方联手以及采用多种工艺措施进行，大部分情况施工方的焊接、安装、保护等技术和意识相对薄弱，常常不能按照既定要求完成工作。
[0006]
【发明内容】
:
本发明所要解决的技术问题是:克服现有技术的不足，提供一种新颖独创、能够允许大变形量、容易实施且成本较低的管道基坑预变形支护方法。
[0007]本发明的技术方案是:一种管道基坑预变形支护方法，包括以下步骤:
A、将终级台阶以上划分若干个台阶，台阶面上的土体清除，使得土体滑动面上的主动土压力减少并允许滑动面上的土体滑动；
B、在每一台阶的立面上设置钢板桩或空腔桩，上级台阶的作用力不传递给下级台阶，钢板桩或空腔桩承担本台阶内主动土压力或滑动土体的下滑力中的最大值，其变形满足支护结构材料和整体性要求；
C、在每一钢板桩或空腔桩上预设测点，对预设测点直接进行测量，对变形超过正常极限状态部位进行补强，及时控制失稳状态的发生。
[0008]将岩土分层条件和力学性质相近的土体划分同一个台阶，保持该台阶以上土层具备相同滑动坡角的无折曲滑动面，避免不同土类之间滑动面几何形状不同和影响，简化计算程序，同一个台阶上各层土采用加权平均抗剪强度指标，抗剪强度指标按照实际应力状态进行试验和取值。每一台阶应单独进行支护结构计算和稳定性验算，每个台阶均是一个稳定单元，不受相邻台阶的影响，并满足稳定条件。
[0009]基坑支护
设计应进行整体稳定性验算，终级台阶除了满足本台阶稳定性验算外，尚应进行各种影响稳定性的验算，包括抗隆起、抗管涌、整体滑移等验算和深层滑动验算。从上往下，第二台阶面以下的被动土压力受到其上土体重力减少的影响导致抗剪强度锐减，被动土压力按照传统计算值不符合其特性，计算值应采用折减系数修正。所述钢板桩或空腔桩为悬臂式结构，其下端插接固定在下一台阶中。
[0010]本发明的有益效果是:
1、本发明容许终级台阶以上的各级台阶土体发生大变形，甚至超过几十厘米以上的变形，该变形包括垂直变形和水平变形，通过实例揭示这种大变形带来周边土体开裂和滑动，支护结构发生明显的倾斜，然而这些均不影响终级台阶以上各个台阶正常使用，满足管道基坑支护功能性要求，允许大变形设计方法产生的结果是支护结构施工工艺简单、工序容易实现，造价远远低于按照小变形控制的基坑支护设计。
[0011]2、本发明允许整个基坑各个台阶的预变形量值不同，终级台阶内按照极限状态中小变形控制，是满足管道工程最后连接管道接头操作所需，防止无法安装管道接头的现象发生；其它台阶采用正常极限状态下大变形，对于折线形基坑壁是有利的、可行的、可操作的。每个台阶代表垂直基坑壁一种土方开挖工况，台阶的变形方向倾向基坑内，台阶与台阶之间存在着变形空间，因此允许支护结构发生一定量值的倾斜。只要各台阶基坑的整体稳定性处于正常极限状态下，这种变形对于终级台阶就是其上部分坑壁的提前变形，由此减少了终级台阶坑壁上的主动土压力，同时大大减少各台阶坑壁对支护结构的抗变形性要求，导致终级台阶支护结构向着简单化发展。
[0012]3、本发明预变形台阶的支护仍然采用直立坑壁的方式，目的是减少土方的开挖量，防止大角度放坡条件开挖设计中土方开挖量过大现象发生。采用此类支护设计方法，能够节约开挖工期，减少对周边环境影响，同时也缩短土方回填量和工期。直立坑壁采用简单易行的钢板桩支护，施工简单，钢板桩桩顶不设冠梁，桩中间无需腰梁和锚杆(或锚索)，开挖后钢板桩处于悬臂状态，端部不发生位移，只是桩顶部和桩身发生变形。钢板桩工艺容易满足河道或河槽内不允许保留永久构筑物的要求，当管道基坑工程完成使命后，通过上拔钢板桩就能实现支护结构的拆除，且钢板桩之间没有焊接，所以相应工作比较容易实现。
[0013]4、本发明直接在钢板桩上预设测点，对测点直接进行测量，解决了传统监测工作的复杂性，并且经济和便捷，简略了安装元件的施工环节。
[0014]5、本发明将传统垂直支护设计的总变形量分解为各个台阶，各个台阶之间属于独立变形单元，没有作用力的传递，对台阶支护结构实施直接的变形观测，可掌控和判识支护结构变形所处的状态，是极限或正常状态，就能详知台阶不同部位变形方向，进而确定支护结构上作用力的方向。设计单位根据上述信息，对变形超过正常极限状态部位进行补强，可及时控制失稳的发生。
[0015]6、本发明将一个垂直基坑壁，分解为台阶式垂直坑壁，每个垂直坑壁是独立的受力和产生抗力的体系，在任一个台面上的荷载作用下，由于施工荷载作用点距离支护结构端点距离减短，在支护结构上产生弯矩远远小于单一坑壁。所以合理的施工荷载产生弯矩较小，支护结构的变形量增量只要在控制值范围内，基坑支护结构是安全的。这些有利于处理基坑内发生突发事件和管道接头的安装，加快了施工进度。
[0016]7、本发明受到分台阶效应的控制，发生连锁的应变效应不会在各个台阶贯通，若发生也只在相应的台阶内，这就大大减少次生地质灾害影响范围，可在台阶内进行渗流控制处理，实现对其危害程度的控制和减弱。
[0017]8、本发明对于终级台阶以上的台阶支护结构，可以节约深基坑工程中锚索、腰梁、冠梁等结构；又允许支护结构产生较大的变形和施工时坡肩荷载存在，简化了支护结构的施工内容和复杂工艺要求。管道基坑工程实例显示，基坑工程单项经济上实现节约资金40?45% ;人工成本节约30?35% ;工程管理方面不仅节约管理人员、而且减少管理投入20% ;基坑监测变形控制指标简单，数据选取适宜，监测工作量因此减少86%的复杂监测方法和项目，实现了快捷预报和准确预报，基坑工程实现快速施工，满足了河道定期调治调沙的规定，综合工程价格比传统的设计方法节约40?42%。
[0018]9、本发明新颖独创、能够允许大变形量、容易实施且成本较低，其适用范围广，易于推广实施，具有良好的经济效益。
[0019]【专利附图】
【附图说明】:
图1为管道基坑预变形支护方法的计算模型图；
图2为管道基坑预变形支护方法的设计模型图；
图3为现有基坑支护方法的设计模型图。
[0020]【具体实施方式】:
实施例:参见图1-图3，1-基坑滑动面，2-台阶，3-基坑底，4-支护桩，5-支护杆，6-冠梁，7-腰梁，8-锚索，9-支护柱。
[0021]管道基坑预变形支护方法，包括以下步骤:
A、将终级台阶2以上划分若干个台阶2，台阶面上的土体清除，使得土体滑动面上的主动土压力减少并允许滑动面上的土体滑动；
B、在每一台阶2的立面上设置钢板桩或空腔桩，上级台阶2的作用力不传递给下级台阶2，钢板桩或空腔桩承担本台阶2内主动土压力或滑动土体的下滑力中的最大值，其变形满足支护结构材料和整体性要求；
C、在每一钢板桩或空腔桩上预设测点，对预设测点直接进行测量，对变形超过正常极限状态部位进行补强，及时控制失稳状态的发生。
[0022]将岩土分层条件和力学性质相近的土体划分同一个台阶2，保持该台阶2以上土层具备相同滑动坡角的无折曲滑动面，避免不同土类之间滑动面几何形状不同和影响，简化计算程序，同一个台阶2上各层土采用加权平均抗剪强度指标，抗剪强度指标按照实际应力状态进行试验和取值。
[0023]每一台阶2应单独进行支护结构计算和稳定性验算，每个台阶2均是一个稳定单元，不受相邻台阶2的影响，并满足稳定条件。
[0024]基坑支护设计应进行整体稳定性验算，终级台阶2除了满足本台阶2稳定性验算外，尚应进行各种影响稳定性的验算，包括抗隆起、抗管涌、整体滑移等验算和深层滑动验算。
[0025]从上往下，第二台阶2面以下的被动土压力受到其上土体重力减少的影响导致抗剪强度锐减，被动土压力按照传统计算值不符合其特性，计算值应采用折减系数修正。钢板桩或空腔桩为悬臂式结构，其下端插接固定在下一台阶2中。
[0026]同一个台阶2的滑动面倾角β计算如下: β—4?—ψ? 2
式中~——土的内摩擦角(°)，应根据固结不排水试验
I平均值确定，并取各层厚度加权平均值。_
折减系数S按照下式计算:
-1 ^ I, = Ci i
式中I L —I第i层土的被动土压力强度标准值折减系数；
_Φ' —第i'层土的内摩擦角(°)，应根据基坑工况按照固结不排水试验平均值确定■’
_^1-—第i层土的粘聚力(kPa)，宜根据基坑工况按照固结不排水试验平均值确定■’
_enl-—第i层土的被动土压力强度标准值(kPa) ；_
_ ^1-—第i'层土的抗剪强度(kPa)，应根据基坑工况按照固结不排水试验平均值确定；
_ Ψ' —第i层土的法向应力修正系数，一般土取静止土压力系数4，老粘土取值为1.0 ；
_h1-第i层土的厚度(m) ;_
I Y ^ I——I第i层土的重度(kN/m3)。
【权利要求】
1.一种管道基坑预变形支护方法，包括以下步骤: A、将终级台阶以上划分若干个台阶，台阶面上的土体清除，使得土体滑动面上的主动土压力减少并允许滑动面上的土体滑动； B、在每一台阶的立面上设置钢板桩或空腔桩，上级台阶的作用力不传递给下级台阶，钢板桩或空腔桩承担本台阶内主动土压力或滑动土体的下滑力中的最大值，其变形满足支护结构材料和整体性要求； C、在每一钢板桩或空腔桩上预设测点，对预设测点直接进行测量，对变形超过正常极限状态部位进行补强，及时控制失稳状态的发生。
2.根据权利要求1所述的管道基坑预变形支护方法，其特征是:将岩土分 层条件和力学性质相近的土体划分同一个台阶，保持该台阶以上土层具备相同滑动坡角的无折曲滑动面，避免不同土类之间滑动面几何形状不同和影响，简化计算程序，同一个台阶上各层土采用加权平均抗剪强度指标，抗剪强度指标按照实际应力状态进行试验和取值。
3.根据权利要求2所述的管道基坑预变形支护方法，其特征是:每一台阶应单独进行支护结构计算和稳定性验算，每个台阶均是一个稳定单元，不受相邻台阶的影响，并满足稳定条件。
4.根据权利要求3所述的管道基坑预变形支护方法，其特征是:基坑支护 设计应进行整体稳定性验算，终级台阶除了满足本台阶稳定性验算外，尚应进行各种影响稳定性的验算，包括抗隆起、抗管涌、整体滑移等验算和深层滑动验算。
5.根据权利要求1所述的管道基坑预变形支护方法，其特征是:从上往下，第二台阶面以下的被动土压力受到其上土体重力减少的影响导致抗剪强度锐减，被动土压力按照传统计算值不符合其特性，计算值应采用折减系数修正。
6.根据权利要求1所述的管道基坑预变形支护方法，其特征是:所述钢板桩或空腔桩为悬臂式结构，其下端插接固定在下一台阶中。
【文档编号】E02D17/04GK104196035SQ201410207780
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年5月17日 优先权日:2014年5月17日
【发明者】吴保全, 李国良, 张云福, 郭振军, 王擎, 张吉坤, 李军海, 彭武, 刘卓, 吴歌, 刘凤利 申请人:吴保全, 吴歌, 河南大学