深基坑工程施工图设计

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l   深基坑工程施工图设计是指在基坑总体方案确定以后，根据总体方案规定的原则进行施工图设计以供实施。主要包括确定基坑以及围护结构各种几何尺寸、进行截面强度验算与配筋、选用合理的构造与节点处理、形成施工图纸与文字说明。
l   1.基坑边坡设计；
l   2.土钉墙设计；
l   3.板式围护结构设计，包括板桩、水泥土围护结构、排桩式围护结构、地下连续墙和拱圈式围护结构；
l   4.内支撑体系设计；
l   5.锚杆体系设计。
基坑边坡设计
l      对于适宜于放坡的基坑，其坡度可参考同类土的稳定坡度确定；对于土质比较均匀的基坑边坡，也可按下表的要求确定开挖放坡坡度及坡高，以确保基坑的稳定性与安全。当采用分级放坡开挖时，应设置分级过渡平台。对于深度大于5m的土质边坡，各级过渡平台的宽度宜取为1.0～1.5m，小于5m坡高的土质边坡可不设过渡平台。
l   基坑边坡设计时，除了满足沿最危险圆弧滑裂面破坏的整体稳定性的要求，一般在坡面还要进行保护性处理，以免施工活动对边坡土体的扰动及地表水和降水等因素对边坡的浸蚀和冲刷导致边坡破坏。保护处理的方法有水泥抹面、铺塑料布或土工布、挂网喷水泥浆、喷射混凝土护面等。
l   对于较高坡面的下段，或坡脚下土层含有软弱下卧层或砂层时，可对土体采取加固措施，如土钉支护、螺旋锚、喷锚等，或采取适当的坡脚地基加固措施，如在坡脚堆砌草袋或土工布砂土袋以及切筑砖石砌体等，以免出现坡脚失稳或流砂。
土钉支护设计
l   随基坑逐层开挖，在边坡上以较密排列（上下左右）打入土钉（钢筋）以强化受力土体，并在土钉坡面铺设钢筋网分层喷射混凝土，从而实现挡土护坡的功能，这就是土钉支护，也称土钉墙，
设计原则与构造要求
l   1．一般用于基坑开挖深度在15m以内的边坡，坡角为70～90°；
l   2．土钉长度一般为开挖深度的0.5~1.2倍，其间距宜取1～2m，土钉与水平面夹角宜取10～20；
l   3．为保证土钉与护坡面层的有效连接，常设有承压板和加强钢筋；
l   4．土钉一般采用Ⅱ级以上螺纹钢筋，钢筋直径为φ16～φ32 mm，钻孔直径为φ70～φ120 mm；
l   5．喷射混凝土面层厚度一般为80~200 mm，钢筋网采用Ⅰ级钢筋φ6～φ10 mm，间距为150~300 mm，混凝土强度等级不宜低于C20；
l   6．注浆材料宜采用水泥净浆，强度不低于20Mpa。
土钉设计
l   1．边坡最危险滑动面计算，以确定最危险滑动面的位置，便于布置土钉，计算时可以允许安全系数小于1.0 。
l   2．土钉抗拔验算
围护结构设计
l   水泥搅拌桩重力式围护结构的设计包括围护墙几何尺寸的确定、水泥搅拌桩体的布置及截面验算等。
l   （一）水泥搅拌桩墙体尺寸
l       水泥搅拌桩墙体的深度和宽度一般根据基坑的开挖深度、土质条件按经验规则选用：坑底以下的插入深度D=（0.8~1.2）H，墙体宽度B=（0.6~1.0）H，（H为基坑的开挖深度）。然后经基坑整体稳定性、坑底隆起稳定性、抗渗流稳定性验算确定基坑底面下的插入深度，由抗倾覆稳定性和抗滑移稳定性验算确定宽度。
l   （二）水泥搅拌桩体的布置形式
l      目前，施工单位基本上都是使用SJB-1型和仿SJB-1型双轴搅拌机，每轴直径700mm、双轴中心距500mm，形成了宽700mm、长1200mm的“∞”形加固截面，因此水泥土围护结构断面就是由众多“∞”形单元组成。用于基坑围护的水泥土加固体的断面主要采用了格栅式布置，常用的格栅式断面形式见图。
截面验算
l   上海市标准《基坑工程设计规程》规定验算坑底标高处的应力，验算的要求是截面外侧的边缘应力大于零，即不允许出现拉应力；内侧的边缘应力应符合下式：
l   行业标准《建筑深基坑工程技术规范》则提出了任意断面的墙身应力验算要求，规定最小边缘应力必须大于零，即不允许出现拉应力；任意断面的最大边缘应力由下式计算：
关于构造和材料的规定
l       为了增强水泥土搅拌桩墙体的整体性，搅拌桩之间的搭接不小于200mm。并通常在顶部设置钢筋混凝土的压顶圈梁，也称为压板。其厚度一般为0.2m ,宽度至少与墙身的宽度一致，也可以与坑外的施工道路的路面连成整体。圈梁与水泥搅拌桩之间用插筋连接，插筋直径不小于12mm，插入搅拌桩顶的深度不小于1.0m，每根搅拌桩中部设置一根插筋，并与压板的水平筋绑扎。
l    水泥土中的水泥掺量不宜小于15%，水泥标号不低于425号。水泥土28天龄期的无侧限抗压强度不宜低于1MPa。
板桩式围护结构设计
l    板桩是最早使用的围护结构，包括钢板桩和钢筋混凝土板桩。预制的板桩施工方便，工期短；材料质量可靠，在软弱土层中施工速度快，并具有较好的止水性，可以拔出回收多次重复使用，降低成本等优点。但因板桩的刚度比较小，围护结构的变形比较大，只适用于开挖深度不深的基坑，也不适宜应用于变形控制严格的基坑；钢板桩拔出时又会产生附加的变形，不利于环境保护。
钢板桩
l   钢板桩是带锁口的热轧型钢，钢板桩靠锁口或钳口相互连接咬合，形成连续的围护结构实现来挡土止水功能。
排桩式围护结构设计
l      排桩式围护结构主要指采用钻孔灌注桩或人工挖孔桩组成的墙体。与地下连续墙相比，其优点在于施工工艺简单，成本低，平面布置灵活；缺点是防渗和整体性较差。对于地下水位较高的地区，排桩式围护结构必须与止水帷幕相结合使用，在这种情况下，防水效果的好坏，直接关系到基坑工程的成败，须认真对待。
l   桩排式围护结构设计是在肯定总体方案的前提下进行，此时，挖土、围护型式、支撑布置、降水等问题都已确定，围护结构设计的目的是确定围护桩的长度、直径、排列以及截面配筋，对于坑内降水的基坑，还要设计止水帷幕。
围护桩的布置和材料
l      1．材料：钻孔灌注桩通常采用水下浇筑混凝土的施工工艺，混凝土强度等级不宜低于C20（常取C30），所用水泥通常为425#或525#普通硅酸盐水泥。钢筋采用I级圆钢和II级螺纹钢。
l      2．桩体布置：如图所示，当基坑不考虑防水（或已采取了降水措施时），桩体可按一字形间隔排列或相切排列，间隔排列的间距常取2.5~3.5倍的桩径，土质较好时，可利用桩侧“土拱”作用适当扩大桩距；当基坑需考虑防水时，可按一字形搭接排列，也可按间隔或相切排列，外加防水帷幕。
l   3．防渗措施：钻孔灌注桩排桩墙体防渗可采取两种方式：一是将钻孔桩体相互搭接，二是另增设防水抗渗结构。前一种方式对施工要求较高，且由于桩位，桩垂直度等的编差所引志的墙体渗漏水仍难以完全避免，所以在水位较高的软土地区，一般采用后一种方式，此时，桩体间可留100~150mm施工间隙。具体的防渗止水方法主要有：① 桩间压密注浆；② 桩间高压旋喷；③ 水泥搅拌桩墙。
确定围护桩的几何尺寸
l   1.  围护桩的长度
l   围护桩的长度由基坑底面以上部分和以下部分组成，基坑底面以下部分称为插入深度。插入深度取决于基坑开挖深度和土质条件，所确定的插入深度应满足基坑整体稳定、抗渗流稳定、抗隆起稳定以及围护墙静力平衡的要求。设计时，先按经验选用，然后进行各种验算。
l   2. 围护桩的直径
l   围护桩的直径也取决于开挖深度和土质条件，一般根据经验选用。
l   在钻孔灌注桩合理使用的开挖深度范围内，桩径变化范围从800~1100mm；对于开挖深度在10m以内的基坑，桩径一般不超过900mm；开挖深度大于11m的基坑，桩径一般不小于1000mm。
l   3．排桩式围护结构的折算厚度
l      排桩式围护结构虽由单个桩体组成，但其受力形式与地下连续墙类似。分析时，可将桩体与壁式地下连续墙按抗弯刚度相等的原则等价为一定厚度的壁式地下墙进行内力计算，称之为等刚度法。
l   若采用一字相切排列，t<<d，则h=0.838d。这样，即可按厚度为h的壁式地下墙计算出每延米墙之内力、及位移，然后利用下式换算得相应单桩的内力、及位移，由此，可按钢筋混凝土圆形截面构件进行配筋。
桩身的构造与配筋
l      桩身纵向受力主筋一般要求沿圆截面周边均匀布置，最小配筋率为0.42%且不少于6根，主筋保护层不应小于50mm。箍筋宜采用φ6～8螺旋箍筋，间距一般为200～300mm，每隔1500～2000mm应布置一根直径不小于12mm的焊接加强箍筋，以增强钢筋笼的整体刚度，有利于钢筋笼吊放和水下浇灌混凝土。钢筋笼底端一般距离孔底200～500mm。
l    桩身纵向钢筋应按基坑开挖各阶段与地下室施工期间各种工况下桩的弯矩包络图配筋，当地质条件或其它因素复杂时也可按最大弯矩通长配筋。
l    1.  桩身作为一个构件，配筋应满足截面承载力的要求。桩身截面的内力主要由土压力产生的，计算土压力的抗剪强度指标是标准值，因此求得的桩身内力也是标准值。但截面承载力是由混凝土规范所提供的混凝土和钢筋的强度设计值组成的。这就使得设计表达式两侧的设计变量的性质不一致，必须加以调整。
l   2.计算桩身内力时一般按平面问题处理，求得的是每延米围护墙的内力。但桩身截面配筋是按每根桩计算的，这里有一个内力数值的换算问题，即将每延米的内力换算为每根桩的内力。设桩径为d，桩的间距为t，则每根桩的内力等于每延米的内力乘以（d+t），计算时（d+t）以m计。
l   3.  当有可靠措施保证钢筋笼的正确方位时可按弯矩方向采用沿圆周非均匀分布形式配筋；但无可靠措施保证时，宜采用沿圆周均匀配筋以保证安全。
防渗帷幕设计
l     防渗帷幕设计时，帷幕的插入深度应满足防渗稳定性验算的要求，帷幕的插入深度可以与钻孔灌注桩的深度不同；当深层有不透水层或弱透水层时，防渗帷幕宜深入不透水层或弱透水层一定深度，以提高防渗效果。防渗帷幕的厚度不作计算，一般取单排搅拌桩。防渗帷幕的效果主要取决于施工的质量，包括搅拌的均匀程度和接头的搭接程度，在设计文件中应对施工提出要求。
地下连续墙设计
l   地下连续墙设计包括墙的入土深度、墙的厚度、槽段的分段、接头设计等内容。
l   地下连续墙的插入深度按围护结构的静力平衡条件确定，并分别按基坑稳定性验算及墙体变形控制要求进行校核。基坑稳定性验算方法和墙身内力、变形计算方法均与排桩式围护结构相同，通常采用杆系有限元法计算结构内力和变形；
l   地下连续墙兼有挡土和防渗两个功能，故验算基坑稳定性时，同时考虑保持结构稳定和满足防渗两方面的要求。墙身设计时亦需同时考虑这两方面的要求，既满足墙身结构强度的要求，也要满足墙身及接头防渗的要求。
墙的厚度及槽段划分
l    地下连续墙的厚度应由计算确定，并与成槽机的能力相适应。一般情况下现浇钢筋混凝土地下连续墙的厚度可选用600～1000mm；预制钢筋混凝土地下连续墙的厚度不宜大于500mm。
l    地下连续墙单元槽段的平面性状和槽段长度应根据墙体受力情况、施工条件和环境条件而定。平面性状根据需要选用一字形、L形、T形或折线形等；单元槽段长度在保证槽壁稳定和满足施工设备能力的条件下，宜尽量采用较大的槽段长度，一般可取6~8m。
接头设计
l   地下连续墙施工要划分单元槽段，槽段之间就有接头，这种接头是施工时必须有的，称之为施工接头，常用的有锁口管接头和接头箱接头。另一种是在地下墙完成后与梁板柱的接头是为结构接头，常用的方法有预埋连接钢筋法、预埋连接钢板法和预埋剪力连接件法。划分单元槽段时必须考虑槽段之间的接头位置，以保证地下连续墙的整体性。
l   一般情况下，接头的位置要避免设在转角以及墙内部结构的连接处。对接头的要求：
l   1．不能妨碍下一单元槽段的挖掘；
l   2．能传递单元槽段之间的应力，起到伸缩接头的作用；
l   3．混凝土不得从接头下端流向背面，也不得从接头构造物与槽壁之间流向背面；
l   4．在接头表面上不应粘附沉渣或变质泥浆的胶凝物，以免造成强度降低或漏水；
l   5．造价便宜。
l   地下连续墙槽段之间的施工接头的构造应便于施工，一般可采用不传递应力的普通接头；在下列情况时，应采用专门接头：
l   1.  当防水要求较高时应采用防水接头；
l   2. 当接头间需要传递面内剪力时，可采用带穿孔的十字钢板抗剪接头；
l   3. 当接头间要求传递面外剪力或弯矩时，可采用带端板的钢筋搭接接头，将地下连续墙连成整体；
地下连续墙的配筋与构造
l   地下连续墙的受力钢筋应采用II级钢筋，直径不宜小于16mm，构造钢筋可采用I级钢筋，直径不宜小于12mm；预制地下连续墙的构造钢筋直径不宜小于10mm。
l   单元槽段的钢筋笼应装配成一个整体。槽深小于30m的地下连续墙的钢筋笼宜整幅起吊入槽；需要分段时，宜采用焊接接头。接头位置应选在受力较小处。且宜相互错开，搭接长度不小于45d（d为钢筋直径）；当在同一断面搭接时，最小搭接长度为70d，且不小于1.5m。
l   现浇地下连续墙主筋的净保护层厚度不应小于70mm，预制地下连续墙主筋净保护层厚度不应小于30mm。
l   地下连续墙内预埋的与主体结构水平构件主筋连接的钢筋应采用I级钢筋，直径不宜大于25mm，间距不小于150mm，钢筋板直后不得留有硬弯。
l   钢筋笼端部与接头管或相邻槽段混凝土接触面之间应留有间隙，一般不大于150mm，钢筋笼下端500mm长度范围内宜按1:10收成闭合状。
l   钢筋笼下端与槽底之间宜留有不小于500mm的间隙。
l   当地下连续墙的支撑体系不设围檩时，墙体的横向配筋应 适当加强，其与支撑的接触部位应满足抗冲切要求。
l   地下连续墙围护结构的墙顶通常设置钢筋混凝土圈梁，围檩可采用钢筋混凝土与型钢结构。顶圈梁和围檩都必须与地下连续墙可靠固定。
l   地下连续墙墙体混凝土的抗渗等级应 根据最大作用水头与地下连续墙厚度之比按表27-10选用；当墙段之间的接缝不设止水带时，应选用锁口圆弧形、槽形或V型等防渗止水接头，其接头面必须严格清刷。