某大厦基坑支护结构设计与施工

来源:用户上传      作者: 刘嘎

　　摘要：本文结合工程实例与工程地质状况，分析介绍了金色比华利大厦项目深基坑支护结构方案，并在采用的桩-锚支护结构体系设计与验算的基础上，对桩-锚支护施工技术与监测要点进行了详细阐述和总结。
　　
　　关键词：人工挖孔灌注桩；基坑支护；桩-锚支护；优化加固；监测
　　
　　中图分类号：TU94+2
　　文献标识码：B
　　文章编号：1008-0422（2011）06-0165-04
　　
　　1工程概况
　　某大厦项目由湖南高速公路管理局下属的湖南高广房地产开发有限公司投资开发，本人在该项目中任高广房产公司工程部部长，负责整个项目的工程管理和技术方案审核。某大厦拟建场地基坑位于长沙市郊区，基坑周边环境情况为：地下室、地下车道北距三一九辅道约3.50m，东向紧邻围墙（红线），距离约4.50~6.50m左右，南向为高广房地产公司13、14号栋（17F），该两栋高层采用人工挖孔灌注桩，持力层分别为强风化泥质粉砂岩，距离地下室边线约14.50~17.50m，地下室边线距离拟建小区道路路边1.50~3.00m，西向为小区道路，距路边7.0~9.0m。原始地貌单元为剥蚀残丘。金色比华利大厦主楼29层，裙楼4~5层，地下2层，深度约为8.5~9.6m，建筑总高度100m，采用框架筒体结构。
　　本工程的±0.000标高相当于绝对标高56.45m，地下室底板板底标高为43.15m。基坑周边现地面标高情况为：北向切方区56.45m，东向58.20m，南向59.90m，西向58.80m。基坑开挖和支护高度：北向切方区13.30m，东向15.05m，南向16.75m，西向15.65m。管网情况为：主要分布在基坑的南向和西向，分布有消防水管、雨水管、污水管、电缆（弱电），埋藏深度为0.5~4.0m之间。
　　设计所需参数是根据勘察报告并结合工程经验确定，相关指标值如表1。
　　根据勘察结果，场地内圆砾④为强透水地层，但呈零星分布，且厚度不大，其他均为弱～微透水性地层。根据场地内水文地质条件，基坑开挖后，水量一般不大，可采用挖集水井或降水井的方法降水，以及排水沟、泄水孔等方法明排处理。
　　2基坑支护方案分析与选择
　　基坑支护的方案较多，如放坡、护壁桩、锚杆、喷锚等等，各种方案都有其优点和局限性，因此，选择合理的方案是保证基坑支护工程质量的关键。本基坑支护结构设计着重考虑了以下因素：
　　1）基坑及地下车道的北侧为三一九辅道，距离约3.50m，进行基坑支护时，不能对其造成破坏影响。
　　2）基坑的南侧为高广房地产开发有限公司开发的13、14#栋高层住宅楼，距离地下室边线为14.50~17.50m；小区道路边距离地下室边线为1.50~3.00m，住宅楼的基础为人工挖孔灌注桩，持力层为强风化泥质粉砂岩，埋深约12.00m，该区域有一层地下室，埋深-4.0m左右，中部有一化粪池，尺寸为5.0m×12.50m，埋深在3.00m左右，进行基坑支护时，不能对其造成破坏影响。
　　3）基坑东向紧邻围墙（红线），距离围墙4.50~6.50m，墙外为现代汽车4S店，进行基坑支护时，不能对其造成破坏影响。
　　4）基坑西向为小区道路，距离路边7.00~9.00m。
　　综上所述，本基坑开挖及支护深度大，周边无放坡余地，故基坑支护采取人工挖孔灌注桩加锚索的支护型式。
　　
　　3 基坑桩-锚支护结构设计与验算
　　3.1基坑支护设计方案
　　基坑AB段、CD段（南向）段、BC 、BC段（东向）采用人工挖孔灌注桩和锚索（杆）支护，人工挖孔灌注桩桩径D1000，桩芯砼标号为C25，桩间距为2000，单排，桩的实际长度18.30m。桩顶设置圈梁，尺寸500×1000（h×b），砼标C25，要求桩主筋入圈梁450。桩及圈梁的配筋详见结构大样图1。
　　锚索（杆）锁定在锚梁上，锚梁由2根[20或2根[25槽钢和钢垫板组成，当锚固体达到75%的强度时，可进行锁定，锁定荷载值为0.35~0.50倍设计抗拔值。桩间土采用挂钢筋网喷射砼进行处理，喷射砼C20，厚度100mm，具体见表2。
　　基坑车道以上部分采用土钉墙支护，放坡角度70°，基坑车道以下部分采用土钉墙支护，放坡角度70°，面层采用挂网喷射砼处理，砼标号C20，厚度δ=100mm，网筋为Φ6.5@200×200，骨架筋为1Φ16@1600
　　×1600。土钉施工参数见表3。
　　3.2基坑支护结构相关验算
　　以南向为例，锚杆设计在原设计的基础上进行了优化加固，见图2。本工程地面等效荷载南向按15Kpa取值；西向按25Kpa取值；南向优化加固锚杆为2排，第一排锚杆的设计抗拔力T1=156KN；第二排锚杆的设计抗拔力T2=175.5KN；南向基坑深度平均值：58.34-45.85=12.49m，南向CD段加固计算力学模型图参见图3，具体验算如下：
　　3.2.1土压力强度计算
　　地面荷载引起的对桩主动土压力强度ea0:
　　 ea0=q0・ka1=15×0.613=9.20KPa
　　基坑底上部土体对桩悬壁段产生的主动土压力强度ea1:
　　ea1=ea0+γ1h1ka1-2c1ka1=9.20+18.59×
　　12.49×0.613-2×22.26×0.782=116.72KPa
　　基坑底上部土体对桩锚固段产生的主动土压力强度e'a1:
　　 e'a1=ea0+γ1h1ka2-2c2 ka2=9.20+18.59×
　　12.49×0.335-2×46.41×0.579=33.24KPa
　　基坑底下部土体对桩锚固段产生的主动土压力强度ea2:
　　ea2=γ2h2ka2-2c2 ka2=21.47×10.77×0.335
　　-2×46.41×0.579=23.72KPa
　　桩的锚固段所受的被动土压力强度ep2:
　　 ep2=γ2h2kp2-2c2 kp2=21.47×10.77×2.98
　　6+2×46.41×1.728=855.86KPa
　　3.2.2力平衡验算
　　主动土压力Ea：
　　Ea0=ea0・h1=9.2×12.49=114.91KN/m
　　Ea1= ea1h1=×116.72×12.49=728.92KN/m
　　E'a1=e'a1h1=33.24×10.77=357.99KN/m
　　Ea2=ea2h2= ×23.72×10.77=127.73KN/m
　　
　　Ea=Ea0=Ea1+E'a1+Ea2=1329.55KN/m
　　被动土压力Ep：
　　Ep=ep2h2=855.86×10.77
　　
　　=4608.81KN/m
　　所以：Ep+T1/2+T2/2》Ea，满足要求。
　　3.2.3桩的弯矩平衡验算
　　以桩底作为支点：
　　主动土压力产生的弯短Ma：
　　Ma0=Ea0(h1+h2)=114.91×( ×12.49+
　　10.77)=1955.20KN.m/m
　　Ma1=Ea1(h1+h2)=728.92×( ×12.49+
　　10.77)=10984.82KN.m/m
　　M'a1=E'a1(h2)=357.99×( ×10.77)
　　=1927.78KN.m/m
　　Ma2=Ea2(h2)=127.73×( ×10.77)
　　=458.55KN.m/m

　　Ma=Ma0+Ma1+M'a1+Ma2
　　=15326.35KN.m/m
　　被动土压力产生的抗弯短Mp：
　　 Mp=Ep(h2)=4608.81×(×10.77)
　　=16545.63KN.m/m
　　锚杆的抗弯短MT：
　　MT=T1(h1-2+h2)+T2(h2-5.2+h2)= ×156×
　　(12.49-2+10.77)+ ×175.5×(12.49-5.2+10.77)
　　=3221.21KN.m/m
　　总抗力弯短M抗=MP+MT=19766.84KN.m/m
　　M抗/Ma=1.29>1.25 满足要求；
　　3.2.4锚杆抗拔力验算
　　锚杆参数：L=18m；Lm=13m；螺纹钢直径d=28mm；钻孔直径D=130mm；钢筋抗拉强度标准值σ=400Mpa；
　　第一排锚杆验算：
　　根据南面已施工的第一排试验锚杆，每m锚杆的抗拔力大于1.2T；则第一排加固锚杆的抗拔力：T1=1.2Lm=1.2×13=156KN
　　锚杆杆体截面验算：
　　
　　
　　
　　满足要求。
　　第二排锚杆验算：
　　抗拔力验算：
　　
　　
　　锚杆杆体截面验算：
　　
　　
　　
　　满足要求。
　　
　　4 基坑桩-锚复合支护施工技术
　　4.1人工挖孔灌注桩施工
　　1）人工挖孔灌注桩施工流程为：场地整平→放线定桩位及高程→开挖第一节桩孔土方→支护壁模板→浇筑第一节护壁砼→检查桩位(中心)轴线→架设垂直运输架→安装木辘轳→安装吊桶、照明、活动盖板、水泵、通风机等→先拆第一节模板→校对桩孔垂直度和直径→开挖吊运第二节桩孔土方(修边)→支第二节护壁模板→浇筑第二节护壁砼→检查桩位(中心)轴线→逐层往下循环作业→开挖扩底部分→清除虚土排除积水→检查验收→吊放钢筋笼就位→放砼溜筒(导管)→浇筑桩身砼(随浇随振)→桩顶位置。
　　2）挖孔灌注桩施工先进行试成孔施工，然后进行成孔施工。试成孔的数量不少于两个，以便核对地质资料，检验所选的设备、施工工艺以及技术要求是否适宜，同时检验并修正技术参数。通过试成孔施工，信息化管理。本段未出现坍孔或流沙，地下水量少，采用既定的人工成孔，结合护壁施工，挖掘及支撑护壁两道工序应连续作业，护壁每1m一节。
　　3）挖孔达到设计深度后，进行孔底清理，终孔验收合格后吊入钢筋笼，钢筋笼制作必须具有足够的刚度，在同一断面接头钢筋面积不超过钢筋总面积的50%，长度及几何尺寸应符合设计与验收规范要求。
　　4）桩身混凝土连续浇筑，桩身砼使用粒径不大于50mm的石子，坍落度90mm，机械搅拌。砼的落差大于2m，用溜槽加串桶向桩孔内浇筑砼，分层振捣密实。第一步浇筑到扩底部位的顶面，然后浇筑上部砼，分层高度不大于1.5m。砼浇筑到桩顶时，超过桩顶设计标高200mm，以保证在剔除浮浆后，桩顶标高符合设计要求。
　　5）为保证开挖施工期间的安全，施工实行跳桩开挖。每日开工前检测井下有无危害气体和不安全因素，桩顶孔口上设置悬挂软梯，并严加管理。
　　4.2锚杆支护施工
　　锚杆支护施工工艺流程：人工修坡→喷射混凝土→锚杆定位→锚杆钻机就位→钻进成孔→安放锚杆及止浆塞→压力注浆→养护→挂网、焊接加强筋→锚固锁定→喷射混凝土
　　4.2.1锚杆施工
　　1）钻孔：钻孔是锚固工程费用最高，控制工期的作业，特别是毛石挡土墙上钻孔工艺, 关键是工艺参数把握，因而也是影响锚固工程经济效益的主要因数。该段锚杆钻孔径为130mm，采用地质钻机打孔，所有钻孔机搭平台支架，确保精度，使后续的锚杆插入和注浆作业能顺利进行，锚孔深度超过设计长0.5m。
　　2）安放锚杆：锚杆采用Φ25-32钢筋，中间每隔2m设一个对中支架。采用土钉机将锚杆按设计角度及位置对正，将锚杆击入土中达到设计长度，见图4。
　　3）压力灌浆：采用注浆泵，高压注浆管安接在锚杆头上，入土端加工成桩尖状，滤水孔对向间距500mm，孔眼前端（造管尖侧）焊接钢筋或角钢块，构成孔前倒刺及保护块，注浆管随锚杆下入孔底，并采用低压慢灌工艺，压入水泥浆，用32.5R水泥，按水灰比0.50~0.55配制水泥浆液，浆体中掺入早强剂，灌浆压力达到0.6MPa~0.8MPa压力，并稳压3分钟~5分钟时间，即可停止注浆，并根据现场情况，实时调整压力和时间，
　　4）锚杆锁定：锚杆锁定在肋梁或桩上。
　　
　　5基坑施工监测与测试
　　5.1基坑边坡施工监测与信息化管理
　　为了确保基坑边坡周边建筑物与道路的安全，保证基坑支护结构在挖土和整个施工过程中的稳定，实行监测管理，引入信息化动态管理机制。各监测项目、测点布置等见下表4。
　　对主要监测项目设定的控制值为：支护结构最大水平位移控制值为5.8mm，周围地面沉降变形的控制值为5mm，水平位移控制值为4mm。在整个土方开挖和基坑支护施工过程中，始终坚持科学的态度，加强信息化动态管理。根据监测信息反馈，随时调整设计与施工方案。从监测结果来看，各点的监测数据都在设计允许和控制范围内，未出现异常的情况。
　　5.2锚杆抗拔测试
　　本工程完工后，经有资质检测单位对上排和下排锚杆进行了抗拔性能检测，满足设计要求，检测合格。按规范要求，保证最大试验荷载不超过钢筋强度标准值(fptk)的0.8倍，即Qmax≤0.8fptk.A。检测结果见下表5。
　　
　　6结束语
　　综上所述，本工程在深入掌握和研究已有工程地质、水文地质资料和周边环境条件的基础上，进行方案的分析、论证与优化加固设计，确保基坑结构的稳定，基坑变形也控制在允许的范围之内。通过实践证明，选择合理的基坑支护方案是保证基坑支护工程质量和施工安全的关键。
　　
　　
　　参考文献：
　　[1]JGJ120-99.建筑基坑支护技术规程[S].
　　[2]建筑地基基础工程施工质量验收规范.
　　GB0202-2002.中国建筑工业出版社，2002.
　　[3]建筑桩基技术规范.JGJ94-94[S].北京，中国建筑工业出版社.
　　[4]陈忠汉.深基坑工程[M].北京:机械工业出版社，2002.
　　[5] 长沙市挡土墙及基坑支护工程设计.施工与验收规程.DB43/009-1999.
　　
　　注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

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