一种预应力钢板桩支护结构及其施工方法.pdf

本发明公开了一种预应力钢板桩支护结构及其施工方法，其预应力钢板桩支护结构包括多个预应力支护单元，每个预应力支护单元包括支护桩、多个钢支座和预应力筋。支护桩竖直设置在待开挖基坑的一侧，多个钢支座自上而下设置在支护桩上，预应力筋的一端锚固于支护桩的下部。将多个预应力支护单元依次打入待开挖基坑的四周，多个钢支座均朝向待开挖基坑，在预应力支护单元的顶端设置冠梁，使预应力支护单元与冠梁形成整体；通过预应力筋施加拉力，将预应力筋的上端锚固在冠梁上。预应力筋所受拉力的水平分量传递到支护结构，抵消了土体的部分土压力，提高了支护强度，减小了支护桩的变形；另外，支护结构可以回收再次利用，节约成本。

1.  一种预应力钢板桩支护结构，其特征在于，包括多个预应力支护单元和冠梁（2），所述冠梁（2）设置在预应力支护单元的上端，且将多个预应力支护单元固定在一起；
所述每个预应力支护单元包括：
支护桩（1），所述支护桩（1）为钢板桩；
至少三个钢支座（3），所述钢支座（3）自上而下垂直设置在支护桩上，且钢支座（3）设置于支护桩（1）朝向基坑中心的一侧，所述钢支座（3）的长度自上而下先递增后递减，所有钢支座（3）的端部均设置有限位装置（5），所述钢支座（3）为H型钢；
预应力筋（4），所述预应力筋（4）依次通过所有钢支座（3）上的限位装置（5），预应力筋（4）的一端锚固于支护桩（1）的下部，另一端锚固于支护桩（1）上端的冠梁（2）上，所述预应力筋（4）在钢支座（3）支撑下呈拱形；
所述相邻支护单元之间连接有至少一片钢板桩。

2.  根据权利要求1所述的预应力钢板桩支护结构，其特征在于，所述每个支护桩上设置有三个或五个或七个钢支座（3）。

3.  根据权利要求1或2所述的预应力钢板桩支护结构，其特征在于，所述每个支护桩（1）上相邻钢支座（3）的间距为1-3m。

4.  根据权利要求3所述的预应力钢板桩支护结构，其特征在于，所述位于支护桩（1）上最长钢支座（3）的长度为0.5-0.9m。

5.  根据权利要求1所述的预应力钢板桩支护结构，其特征在于，所述限位装置（5）与预应力筋（4）相接触的表面为弧形。

6.  根据权利要求1所述的预应力钢板桩支护结构，其特征在于，所述钢支座（3）通过焊接与支护桩（1）连接。

7.  根据权利要求1所述的预应力钢板桩支护结构，其特征在于，所述支护桩（1）的长度为15m-30m。

8.  根据权利要求1所述的预应力钢板桩支护结构，其特征在于，所述钢支座（3）的H型钢的腹板上设置有加劲肋板。

9.  一种利用权利要求1-8中任一项所述结构进行支护的施工方法，其特征在于，所述支护方法包括以下步骤：
步骤一、预制预应力支护单元：根据待开挖基坑的设计深度，选定支护桩（1）的长度和每个支护桩（1）上钢支座（3）的数量，支护桩（1）的长度为1.4-2.0倍基坑深度，每个支护桩（1）上钢支座（3）为三个或五个或七个，每个支护桩（1）上相邻钢支座（3）的间距为1-3m，将选定的支护桩（1）和钢支座（3）固定连接，预应力筋（4）的一端锚固于支护桩（1）的下部，预应力筋（4）的另一端依次通过所有钢支座（3）上的限位装置（5）；
步骤二、利用打桩设备将多个预应力支护单元依次打入待开挖基坑的四周，支护桩（1）设置钢支座（3）的一侧朝向基坑中心；
步骤三、利用打桩设备将至少一个钢板桩打入相邻的预应力支护单元之间，钢板桩与钢板桩或预应力支护单元之间通过锁扣连接；
步骤四、在预应力支护单元的顶端设置冠梁（2），通过冠梁（2）将所有预应力支护单元固定连接在一起，使所有预应力支护单元与冠梁（2）形成一个整体；
步骤五、通过预应力施加装置对预应力筋（4）施加预应力，保证每个预应力支护单元的多根预应力筋（4）受到相同的拉力，将施加预应力后的预应力筋（4）上端锚固在冠梁（2）上；
步骤六、进行基坑开挖，并随着基坑开挖深度的增加逐步提高预应力筋（4）的预应力；
步骤七、进行地下结构施工；
步骤八、地下结构施工完毕后回填土方，释放预应力筋（4）的预应力，拆除支撑结构（6）、冠梁（2）并利用拔桩设备回收预应力支护单元。

10.  根据权利要求9所述的支护施工方法，其特征在于，所述步骤四完成以后在冠梁（2）朝向基坑中心的一侧设置至少一个支撑结构（6）。

一种预应力钢板桩支护结构及其施工方法
技术领域
本发明属于建筑领域，具体涉及一种预应力钢板桩支护结构及其施工方法。
背景技术
在深基坑围护时，现有的围护桩通常采用钻孔灌注桩或沉管灌注桩，并且均采取现场浇筑的施工方法。如申请号201420330061.X，发明名称为现浇式体外预应力钢管混凝土桩及支护桩墙的实用新型专利，包括钢管、在所述钢管内部现浇而成的混凝土层和设置在所述钢管上的多根预应力筋，预应力筋沿钢管的轴线方向设置，包括顶段、中间段和底段，所述中间段位于钢管外侧，顶段和底段贯穿钢管管壁进入钢管内侧，所述钢管的上端开口，底端上具有一封闭结构。本发明还提供了具有前述混凝土桩的支护桩墙。该发明的现浇式体外预应力钢管混凝土桩采用体外预应力技术，能够更好的对桩体进行约束，提供抗拉力，有效的限制了支护桩墙在基坑开挖过程中的变形。申请号201420720609.1的实用新型专利，公开了一种自锚固预应力支护桩，包括混凝土桩体，所述混凝土桩体内部具有至少一根预应力筋，所述预应力筋包括靠近桩体底端的自锚固粘结段和靠近桩体顶端的非粘结段，所述非粘结段外部包覆有一预埋软管，所述预埋软管底端与预应力筋之间扎紧连接，所述预应力筋和预埋软管均向上穿出混凝土桩体，所述预应力筋底端延伸至混凝土桩体底部。通过上述方式，本发明结构简单合理，通过自锚固粘结段与混凝土之间的握裹力来提供预应力施加过程中的锚固力，不需要安装锚固端锚具即可进行预应力施加，比较方便。但是所述现浇式桩必须在混凝土达到强度要求后方可开挖基槽，施工效率较低，且对于含水率较高的施工环境，浇筑桩并不能起到防水作用。
针对基坑土体含水多的施工环境，多采用钢板桩形成围堰阻挡土体的侧压力和止水，钢板桩是一种带锁扣或钳口的热轧（或冷弯）型钢，打入后靠锁扣或钳口相互连接咬合，形成连续的钢板桩围护墙，用来挡土和挡水。具有施工快捷、简单，循环使用，经济性较好等特点。如申请号201310010389.3的发明专利，公开了一种采用螺栓连接的钢板桩和H型钢组合基坑支护结构，包括用于基坑止水的钢板桩、用于基坑挡土的H型钢，相邻两个钢板桩之间通过U形扣件相互连接，钢板桩与H型钢之间通过固定螺栓连接。该发明实现了整体性好，刚度大，可以充分发挥钢板桩、H型钢的优点，可同时挡土止水，施工完成后易于拆卸。但是随着基坑的开挖，支护桩所受土体的压力逐步增大，为防止基坑侧壁土体变形过大，影响支护结构稳定性，需要设置多道支撑，施工较繁琐，且工程造价高。
申请号201420639760.2的实用新型专利，公开了一种基于预应力技术的可回收预应力筋异形支护桩，包括混凝土桩体，所述混凝土桩体内部具有至少一个预埋管，所述预埋管呈U字形，所述预埋管的底部折弯处位于混凝土桩体底部，所述预埋管的两个端部穿出混凝土桩体的顶部，所述预埋管中配设有U字形预应力预应力筋。通过上述方案在桩体完成主要目的后，释放掉张拉端预应力，通过机械力可以轻易地拉出预应力筋，达到回收的目的。
但是该种支护桩存在以下缺点：1）、只能回收预应力筋，而支护桩本身在完成基础施工后并不具有回收价值；2）、随着基坑的开挖，支护结构所受土体的压力逐步增大，为防止基坑侧壁土体变形过大，影响支护结构稳定性，需要设置一道或多道支撑，施工较繁琐，且工程造价高。若能对支护结构施加预应力，使其产生向坑外的应力，抵消部分土压力，则支护结构所受外力将会显著降低，达到减少布置支撑的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种预应力钢板桩支护结构及其施工方法，解决现有技术中深基坑支护结构稳定性差、支撑工序繁琐、操作不便的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：
一种预应力钢板桩支护结构，包括多个预应力支护单元和冠梁，所述冠梁设置在预应力支护单元的上端，且将多个预应力支护单元固定在一起。
每个预应力支护单元包括支护桩、多个钢支座和预应力筋，所述支护桩为钢板桩；所述钢支座自上而下垂直设置在支护桩上，且钢支座设置于支护桩朝向基坑中心的一侧，所述钢支座的长度自上而下先递增后递减，所有钢支座的端部均设置有限位装置，所述钢支座为H型钢；所述预应力筋依次通过所有钢支座上的限位装置，预应力筋的一端锚固于支护桩的下部，另一端锚固于支护桩上端的冠梁上，所述预应力筋在钢支座支撑下呈拱形；通过设置限位装置使得每根预应力筋在施加预应力过程中不会相互干涉，保证整个支护结构的稳定性。所述钢支座为H型钢，H型钢翼缘宽、侧向刚度大、抗弯能力强，防止在施加预应力过程中钢支座变形，提高了整个支护结构的刚度和稳定性。
所述相邻支护单元之间连接有至少一片钢板桩，使支护结构的所有钢板桩连成一个整体，增强了支护结构的整体性，提高了支护强度，同时钢板桩形成的围堰能够起到防水的效果；另外，钢板桩截面积小，容易打入坚硬土层。
进一步改进，所述每个支护桩上设置有三个或五或七个钢支座。每个支护桩上相邻钢支座的间距为1-3m。所述位于支护桩高度方向中间位置的钢支座长度为0.5-0.9m。所述支护桩的长度为15m-30m。根据待开挖基坑的地质资料、基坑设计深度及周边环境确定支护桩长度、间距和支撑结构布置等，基坑设计深度越深支护桩的长度越长，钢支座的数量越多，最长钢支座的长度越长。
进一步改进，根据待开挖基坑的地质资料，确定每个预应力支护单元上预应力筋的数量，每个预应力支护单元上预应力筋的数量为3-5根，基坑设计深度越深，每个预应力支护单元上预应力筋的数量越多。
进一步改进，所述每个支护桩上的多个钢支座自上而下等间距设置，增加预应力支护单元的刚度。
进一步改进，所述限位装置与预应力筋相接触的表面为弧形，减小预应力筋与限位装置的摩擦，减小磨损、提高预应力筋的使用寿命。
进一步改进，所述钢支座通过焊接与支护桩连接，增加钢支座与支护桩的连接强度，保证整个支护结构的稳定性。
进一步改进，所述支护桩和钢支座的H型钢的腹板上设置有多个加劲肋板，提高支护结构的稳定性。
一种利用预应力钢板桩支护结构进行支护的施工方法，包括以下步骤：
步骤一、预制预应力支护单元：根据待开挖基坑的设计深度，选定支护桩的长度和每个支护桩上钢支座的数量以及相邻钢支座的间距，支护桩的长度为1.4-2.0倍基坑深度，每个支护桩上钢支座为三个或五个或七个，每个支护桩上相邻钢支座的间距为1-3m，在上述范围内，且在相同地质条件下，随着基坑设计深度增加支护桩的长度增加、每个支护桩上的钢支座的数量增加，将选定的支护桩和钢支座固定连接，预应力筋的一端锚固于支护桩的下部，预应力筋的另一端依次通过所有钢支座上的限位装置。
步骤二、利用打桩设备将多个预应力支护单元依次打入待开挖基坑的四周，支护桩设置钢支座的一侧朝向基坑中心。支护桩的下端深入待开挖基坑坑底以下，保证了在施加预应力时，基坑底部土体对支护桩下端支撑作用，提高了支护桩的稳定性。
步骤三、利用打桩设备将至少一个钢板桩打入相邻的预应力支护单元之间，钢板桩与钢板桩或预应力支护单元之间通过锁扣连接，使所有预应力支护单元通过与钢板桩连接形成围堰，能有效防止基坑渗水。
步骤四、在预应力支护单元的顶端设置冠梁，通过冠梁将所有预应力支护单元固定连接在一起；使得所有预应力支护单元与冠梁形成一个整体，保证了整个支护结构的稳定性。
步骤五、通过预应力施加装置对预应力筋施加拉力，保证每个预应力支护单元的多根预应力筋受到相同的拉力，将预应力预应力筋的上端锚固在冠梁上。
步骤六、进行基坑开挖，并随着基坑开挖深度的增加逐步提高预应力筋预应力，基坑开挖到坑底时，将预应力预应力筋上端锚固在冠梁上。随着基坑开挖深度的增加，基坑侧壁土体的侧压力增大，则需要逐步提高预应力筋预应力以抵抗基坑土体的侧压力。
步骤七、进行地下结构施工。
步骤八、地下结构施工完毕后回填土方，拆除支撑结构，然后依次释放预应力筋预应力、拆除冠梁、利用拔桩设备回收预应力支护单元。
进一步改进，所述步骤四完成以后在冠梁朝向基坑中心的一侧设置至少一个支撑结构。当基坑为单面支护时，支撑结构的另一端支撑在基坑另一面的土体上；当基坑为双面支护或三面支护或四面支护时，支撑结构的另一端支撑在基坑另一面的冠梁上，通过设置支撑结构抵抗基坑两侧土体的侧压力，进一步提高支护结构的支护效果。
因为每个支护桩上的多个钢支座的长度自上而下先递增后递减，预应力筋受力张紧后呈弧形，则预应力筋所受拉力的水平分量施加给支护桩，相当于支护桩对基坑侧壁土体施加向外的推力，很好的抵抗了土体的侧压力，减少了支撑结构的数量，节约成本。且随着最长钢支座的长度越长，预应力筋与支护桩的夹角越大，则预应力筋所受拉力的水平分量越大，对基坑侧壁土体的抵抗力越大。另外，由于每个支护桩上设置有多个钢支座，使得支护桩本身的强度得到提高，能够有效的防止支护桩因为施加预应力或土体的侧压力而变形。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明所述预应力钢板桩支护结构及其施工方法，通过对支护桩设置钢支座和预应力筋，预应力筋受力张紧后呈弧形，则预应力筋所受拉力的水平分量施加给支护桩，相当于支护桩对基坑侧壁土体施加向外的推力，则抵抗了土体的侧压力，提高了支护强度。
2、本发明所述预应力钢板桩支护结构及其施工方法，通过对预应力筋施加预应力来抵抗基坑侧壁土体的侧压力，减少了支撑的数量。
3、本发明所述预应力钢板桩支护结构及其施工方法，钢支座为H型钢，H型钢翼缘宽、侧向刚度大、抗弯能力强，防止在施加预应力过程中钢支座变形，提高了整个支护结构的刚度和稳定性；钢板桩强度高，截面积小，容易打入坚硬土层，且钢板桩截面宽度大，保证截面的力学性能得到充分的发挥，很好地抵抗基坑土体的侧压力。
4、本发明所述预应力钢板桩支护结构及其施工方法，限位装置与预应力预应力筋相接触的表面为弧形曲面，减小预应力筋与限位装置的摩擦，减小磨损、提高预应力筋的使用寿命。
5、本发明所述预应力钢板桩支护结构及其施工方法，根据待开挖基坑的地质资料、基坑深度及周边环境确定支护桩的长度、钢支座的数量、钢支座的长度以及钢支座的间距，操作方便。
6、本发明所述预应力钢板桩支护结构及其施工方法，支护单元的钢桩、钢支座、预应力筋及预应力筋与支护桩底部的锚固均可以在工厂预制、组装，运至现场可直接打入，使用完成后可以回收，重复利用，节约成本。
附图说明
图1是一种预应力钢板桩支护结构含三个钢支座的示意图。
图2是钢支座的侧视图。
图3是一种预应力钢板桩支护结构含五个钢支座的示意图。
图4是图3的俯视图
图5是一种预应力钢板桩支护结构含七个钢支座的示意图。
图6是一种预应力钢板桩支护结构含三个钢支座和支撑结构的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1-3所示，一种预应力钢板桩支护结构，包括多个预应力支护单元，所述多个预应力支护单元通过固定在其上端的冠梁2连在一起。所述每个预应力支护单元包括支护桩1、多个钢支座3和预应力筋4，支护桩1竖直设置在待开挖基坑的一侧，支护桩1的下端深入基坑坑底以下，支护桩1为H型钢或钢板桩，钢支座3为H型钢；所述多个钢支座3自上而下垂直设置在支护桩1上，多个钢支座3均朝向待开挖基坑，多个钢支座3的长度自上而下先递增后递减；所述多个钢支座3的端部均设置有限位装置5；预应力筋4依次通过所有钢支座3上的限位装置5，预应力筋4的一端锚固于支护桩1的下部，另一端紧固于支护桩1上端的冠梁2上。所述相邻支护单元之间连接有至少一片钢板桩。
利用上述预应力钢板桩支护结构进行施工的方法，包括以下步骤：
步骤一、根据待开挖基坑的地质资料、挖深及周边环境条件确定支护桩1的长度、钢支座3的数量、钢支座3的长度以及每个预应力支护单元上相邻钢支座3的间距，将预应力筋4的一端锚固于支护桩1的下部，预应力筋的另一端依次通过所有钢支座3上的限位装置5，预制预应力支护单元。
步骤二、利用打桩设备将多个预应力支护单元依次打入待开挖基坑的四周，钢支座3均朝向待开挖基坑；支护桩1的下端深入基坑坑底以下，保证对预应力筋4施加预应力时，基坑底部土体对支护桩1下端起到支撑作用，提高了支护桩1的稳定性。
步骤三、利用打桩设备将至少一个钢板桩打入相邻的预应力支护单元之间，钢板桩与钢板桩或预应力支护单元之间通过锁扣连接，使所有预应力支护单元通过与钢板桩连接形成围堰，能有效防止基坑渗水。
步骤四、在预应力支护单元的顶端设置冠梁2，通过冠梁2将所有预应力支护单元固定连接在一起；使得所有预应力支护单元与冠梁2形成一个整体，保证了整个支护结构的稳定性。
步骤五、通过预应力施加装置对预应力筋4施加预应力，张拉预应力筋4，保证每个预应力支护单元的多根预应力预应力筋4受到相同的拉力，将预应力预应力筋4的上端锚固在冠梁2上。
步骤六、进行基坑开挖，并随着基坑开挖深度的增加逐步提高预应力筋4的预应力，基坑开挖到坑底时，将预应力预应力筋4上端锚固在冠梁上。随着基坑开挖深度的增加，基坑侧壁土体的侧压力增大，则需要逐步提高预应力筋4预应力以抵抗基坑土体的侧压力。
步骤七、进行地下结构施工，完成底板、侧墙、中板、顶板、换撑、地下防水等施工。
步骤八、回填支护桩1与地下室外墙孔隙间的土方，然后依次释放预应力筋4的预应力、拆除冠梁2、回收支护结构。对支护结构进行回收以便再次利用，节约成本。
每个支护桩1上的多个钢支座3的长度自上而下先递增后递减，预应力筋4受力张紧后呈弧形，则预应力预应力筋4将所受拉力的水平分量施加给支护桩1，相当于支护桩1对基坑侧壁土体施加向外的推力，很好的抵抗了土体的侧压力，减少了支撑结构6的数量，节约成本。另外，由于每个支护桩1上设置有多个钢支座3，使得支护桩1本身的强度得到提高，能够有效的防止支护桩1因为施加预应力或土体的侧压力而变形。
实施例一：
根据待开挖基坑的地质资料、挖深及周边环境条件确定支护桩1的长度、钢支座3的数量、钢支座3的长度以及每个预应力支护单元上相邻钢支座3的间距，将预应力筋4的一端锚固于支护桩1的下部，预应力筋的另一端依次通过所有钢支座3上的限位装置5，预制预应力支护单元。
如图1所示，所述支护桩1的长度为15m，基坑开挖深度10m，相邻支护单元之间连接有两个钢板桩，整个支护结构形成一个围堰。每个支护桩1上设置有三个钢支座3，每个支护桩1上相邻钢支座3间距的最大值为3m，最小值为1m，最长的钢支座3长度为0.5m，所述每个预应力支护单元上设置有三根预应力预应力筋4，每根预应力预应力筋4的公称直径为15.2mm，支护桩1深入坑底以下5m。
实施例二：
如图4所示，所述支护桩1的长度为18m，基坑开挖深度12m，相邻支护单元之间连接有一个钢板桩，整个支护结构形成一个围堰。每个支护桩1上设置有五个钢支座3，每个支护桩1上相邻钢支座3间距的最大值为3m，最小值为1m，最长的钢支座3长度为0.7m，每个预应力支护单元上设置有四根预应力预应力筋4，每根预应力预应力筋4的公称直径为15.2mm，支护桩1深入坑底以下6m。
实施例三：
如图5所示，所述支护桩1的长度为30m，基坑开挖深度15m，相邻支护单元之间连接有一个钢板桩，整个支护结构形成一个围堰。每个支护桩1上设置有七个钢支座3，每个支护桩1上相邻钢支座3间距的最大值为3m，最小值为1m，最长的钢支座3长度为0.9m，每个预应力支护单元上设置有五根预应力预应力筋4，每根预应力预应力筋4的公称直径为15.2mm，支护桩1深入坑底以下15m。
实施例四：
如图6所示，在实施例一的基础上进一步改进，所述冠梁2朝向基坑中心的一侧设置有一个支撑结构6，基坑为四面支护，支撑结构6的另一端支撑在基坑另一面的冠梁2上，通过设置支撑结构6抵抗基坑两侧土体的侧压力，进一步提高支护结构的支护效果。其他结构或步骤与实施例一中的相同。
本发明中未做特别说明的均为现有技术或者通过现有技术即可实现，而且本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。