一种多级扩张支护装置及其施工方法与流程

1.本发明属于支护装置及其施工方法，具体为一种多级扩张支护装置及其施工方法。


背景技术：

2.今年来城市建设用地不断增加，复杂的地理位置和施工条件、基坑的不规则性、开挖深度以及一些其他不确定因素，使得深基坑的开挖越来越困难。深基坑是一个三维空间结构，具有空间效应特性，大量的工程实践证明，深基坑坑壁中央范围的土压力和位移值均大于两坑壁一定范围的土压力和位移值，这是因为在深基坑两端壁处存在显著的空间效应，抑制了其邻近区域的土压力和位移的发展。
3.申请号为cn201610508578.7的中国专利公开了一种考虑土拱和变形空间效应的软土基坑双排桩支护结构，在前排支护桩与后排支护桩之间设有拱形搅拌桩止水帷幕，在前排支护桩与后排支护桩之间设有加筋水泥土墙，坑前设有格栅式搅拌桩，盖板连接前排支护桩与后排支护桩，构成空间共同承载结构，但问题在于：该支护结构形式的整体宽度较大，施工较复杂，在设计时较为复杂，同时会产生较大的经济开销。
4.申请号为cn202021119109.4的中国专利公开了一种双排桩支护结构，包括两排排桩，前后排桩均设置冠梁，冠梁之间设置钢架梁，前后排桩错开布置，同时设置连接腹杆，前排桩的相邻桩身之间设置前排腹杆，从而在前后排桩之间形成了多个空间三角桁架立柱结构，但问题在于：该支护方式虽采用了多排桩，并将排桩相连接，但这仅仅是简单的增大了支护结构的侧向刚度，随着坑内土体开挖，土体主应力方向偏转，围护结构外侧土体会产生向坑内移动的趋势，此时支护结构不能够提供更多的力抵御变形，同时这种支护结构的形式过于复杂，太多的腹杆也会增大经济。
5.总的来说，现有的技术，没能充分考虑基坑的空间效应，不能实现通过简单操作对支护结构进行二次加强的效果。现采用的支护方式，虽在一定程度上能够使基坑坑壁中部位移不会过大，但仍未解决在基坑开挖面附近围护结构水平位移最大的问题。


技术实现要素：

6.发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明目的是提供一种支护刚度高、摩阻力可调的多级扩张支护装置，本发明的另一目的是提供一种施工简便、节能环保的多级扩张支护装置的施工方法。
7.技术方案：本发明所述的一种多级扩张支护装置，包括排桩、钢板和拉锚杆，排桩与钢板通过混凝土相连，形成排桩
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钢板围护墙，拉锚杆通过锚具与钢板相连，拉锚杆包括杆体，杆体上设置拉结筋、柔性杆和位移阻断装置，拉动拉结筋能够使得柔性杆与杆体相连的部分穿过位移阻断装置并与之卡接。因为钢板自身刚度的作用，在排桩的设计计算时，可以适当增大桩间距，减少桩的使用量。
8.进一步地，位移阻断装置包括顺次连接的尖部、第一过渡段、第一圆台部、第二过
渡段、第二圆台部和第三过渡段，第一过渡段、第二过渡段、第三过渡段的直径逐渐增大。尖部的最大圆周直径大于第一过渡段的直径，第一圆台部的最大圆周直径大于第二过渡段的直径，第二圆台部的最大圆周直径大于第三过渡段的直径。
9.进一步地，杆体远离钢板的一端设置尖端，尖端插入土体，能够增大杆体对此处土体的侧摩阻力。
10.进一步地，柔性杆远离杆体的一端设置锥尖体，拉结筋用于使锥尖体反向插入土体。锥尖体与杆体的夹角为30
°
～60
°
。锥尖体与柔性杆通过卡箍相连，锥尖体由金属材料制成。柔性杆、拉结筋、卡箍的数量相等。在保持杆体不动的情况下，对拉结筋施加向外的拉力，柔性杆会在位移阻断装置的作用下产生扩张，从而使得锥尖体向外扩张刺入钻孔周围土体，同时由于位移阻断装置及拉结筋的作用，锥尖体不会产生过大的位移。
11.进一步地，柔性杆沿杆体的周向均匀间隔分布，多个柔性杆之间通过连接环相连。当基坑周边土体有向坑内移动趋势时，拉锚杆与排桩、钢板组成的基坑支护装置既能够更好地有效控制基坑变形问题，又能够免去常规基坑支护中需要施工冠梁的工序，特殊结构形式的拉锚杆与排桩、冠梁组合，能够提高基坑整体支护结构的刚度。
12.上述多级扩张支护装置的施工方法，包括以下步骤：
13.步骤一，在基坑边线处设置排桩和钢板；
14.步骤二，开挖至开挖面并超挖0.5～1m后，优选为0.5m，在钢板上定位、钻孔、清孔；
15.步骤三，将拉锚杆放入钻孔，并确保杆体插入钻孔底部土体后，保持杆体不动，通过对拉结筋施加拉力，使得柔性杆插入钻孔周围土体；
16.步骤四，通过锚具将拉锚杆固定在钢板上；
17.步骤五，进行监测，当应变超过预设报警值时，再次张拉拉结筋，使柔性杆卡接在位移阻断装置的下一个位置，以更大的角度插入土中，达到多级扩张的效果。
18.工作原理：排桩与钢板通过混凝土连接，搭配拉锚杆的作用，形成支护整体。拉锚杆的一端为尖端，插入钻孔底部土体，能够提供一定的摩阻力，另一端在锚具的作用下与钢板连接，从而三者为一整体，支护刚度能够得到大幅度提高。
19.拉锚杆的布置位置时根据开挖面位置确定的。考虑到在基坑工程中，围护结构水平位移的最大值处一般出现在开挖面附近，因此开挖至开挖面并超挖0.5～1m后，在开挖面处施工拉锚杆，能够更大限度的发挥支护结构的作用。
20.通过对拉结筋施加向外的拉力，使柔性杆在位移阻断装置的作用下发生扩张变形，从而达到锥尖体刺入钻孔周围土体的效果，同时又因为存在位移阻断装置及拉结筋的拉力，能够避免锥尖体向钻孔底部方向反向移动，无法提供摩阻力的情况发生。拉结筋通过锚具固定，能够维持拉力。
21.在后期对支护结构变形的监测过程中，当监测变形时达到或临近设定的报警值时，通过对拉结筋再次施加拉力，使柔性杆进一步扩张，锥尖体能够更深的刺入土体，提供更大的支护反力，达到二次加固，确保整体结构安全的效果。
22.有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：
23.1、对于受基坑空间效应影响严重的区段，采用多级扩张支护装置，通过特殊结构形式的拉锚杆与排桩、钢板组合形成整体，能够有效提高围护结构的支护刚度，达到较好地控制围护结构变形；
24.2、拉锚杆施工过程中，柔性杆扩张，同时在位移阻断装置的作用下，使得锥尖体刺入钻孔周围土体，同时由于杆体端部尖端位于钻孔底部土体中，此时的拉锚杆能够提供更大的摩阻力；
25.3、通过设置钢板，将排桩联结在一起，同时由于拉锚杆的存在能够为围护结构提供更大的抗变形能力，这与常规排桩墙支护结构相比，既省去了施工冠梁的步骤及成本，又能够提供更大的支护作用力，对整个支护结构更加安全；
26.4、基坑在开挖过程中，在每次开挖面处超挖0.5～1m的拉锚杆，能够有效抑制围护结构的水平变形；
27.5、多级扩张支护装置，能够确保在后期土体变形过大时，对坡体进行多次加固，提高整体结构的稳定性、安全性。
附图说明
28.图1是本发明的结构示意图；
29.图2是本发明拉锚杆3非工作状态下的结构示意图；
30.图3是本发明拉锚杆3工作状态下的结构示意图；
31.图4是本发明卡箍5的结构示意图；
32.图5是本发明位移阻断装置34的半立体图。
具体实施方式
33.如图1，多级扩张支护装置包括排桩1、钢板2、拉锚杆3和锚具4，排桩1与钢板2连接，形成基坑围护墙，拉锚杆3通过锚具4固定在钢板2上，形成的基坑围护结构能够持有更大的支护刚度以抵抗外力作用，从而减小围护结构水平位移，保证基坑工程的安全性。
34.如图2～4，拉锚杆3包括杆体31、拉结筋32、柔性杆33、位移阻断装置34、尖端35及锥尖体36。远离钢板2方向的杆体31端部设置有尖端35，锥尖体36为金属材料，通过卡箍5与柔性杆33连接。锥尖体36与杆体31的夹角为30
°
～60
°
。柔性杆33沿杆体31的周向均匀间隔分布，多个柔性杆33之间通过连接环相连。柔性杆33与杆体31套接，能够相对自由运动，在杆体31送入钻孔时，应确保尖端35部分刺入钻孔底部土体，此时尖端35能够与土体产生一定的摩阻力。保持杆体31不动，对拉结筋32施加向钻孔外部的拉力，使柔性杆33带动锥尖体36与杆体31产生相对运动，同时在位移阻断装置34的作用下，柔性杆33产生扩张使得锥尖体36能够有效刺入钻孔周围土体中，进一步增大整个拉锚杆3的阻力，同时由于位移阻断装置34及拉结筋32的作用，拉锚杆3内部不会产生较大的相对运动。柔性杆33、拉结筋32、卡箍5的数量相等。
35.而因基坑内部土体开挖卸荷，土的主应力方向发生偏转，围护结构外侧土体会产生向基坑内侧移动的趋势，但此时锥尖体36会更好发挥作用，整体支护结构的刚度能够进一步提高，减小围护结构产生的水平位移。拉锚杆3的布置位置是根据基坑开挖面的位置而确定的，这样能够有效解决基坑开挖面处，围护结构水平位移最大的问题，降低基坑工程围护结构失稳的风险。此外，为了保证基坑工程的安全，应对支护结构进行定期监测，当监测变形值到达或临近设定的报警值时，应对拉结筋32施加更大的拉力，使得柔性杆33穿过更大的位移阻断装置34，进一步扩张，进而使锥尖体36更深更好的与土体接触，增大阻力，提
高支护结构的抗拔力，保证基坑工程的安全稳定。
36.如图5，位移阻断装置34包括顺次连接的尖部341、第一过渡段342、第一圆台部343、第二过渡段344、第二圆台部345和第三过渡段346，第一过渡段342、第二过渡段344、第三过渡段346的直径逐渐增大。尖部341的最大圆周直径大于第一过渡段342的直径，第一圆台部343的最大圆周直径大于第二过渡段344的直径，第二圆台部345的最大圆周直径大于第三过渡段346的直径。当柔性杆33卡在第一过渡段342时，锥尖体36与杆体31的夹角为30
°
；当柔性杆33卡在第二过渡段344时，锥尖体36与杆体31的夹角为45
°
；当柔性杆33卡在第三过渡段346时，锥尖体36与杆体31的夹角为60
°
。
37.上述基坑支护结构的施工方法，包括以下步骤：
38.步骤一，在基坑边线处设置排桩1和钢板2；
39.步骤二，开挖至开挖面并超挖0.5～1m后，在钢板2上定位，并进行钻孔、清孔；
40.步骤三，将拉锚杆3置入钻孔中，并确保尖端35插入钻孔底部土体后，保持杆体31不动，通过对拉结筋32施加拉力，从而使得锥尖体36在拉力、柔性杆33及位移阻断装置34的作用下，刺入钻孔周围土体；
41.步骤四，通过锚具4将整个拉锚杆3与固定在钢板2上；
42.步骤五，后期对支护结构进行监测，当应变超过预定报警值时，再次张拉拉结筋32，使锥尖体36进一步刺入土中，达到多级扩张的效果。