水泥土桩墙深基坑支护方案的探讨
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摘要:软土地区深基坑工程比较复杂,深基坑支护方法较多,已有大量的工程实践经验,也有一些失败的教训,本文针对软土地区深基坑水泥土桩墙支护设计、施工控制提出了思路。
关键词:软基深基坑;支护设计;施工控制
一、问题的提出
今年6月27日上海市莲花南路“莲花河畔景苑”一幢在建13层楼房倒覆,根据上海市政府公布的调查结果,大楼两侧的压力差使土体产生水平位移,过大的水平力超过了桩基的抗侧能力,从而导致房屋倾倒质量安全事故,造成特大的财产损失;8月6日福州公正新苑保障房项目工地基坑南侧支护体系发生坍塌,造成不良社会影响,给周边建筑带来威胁。这些都是典型的地下室基坑开挖的施工质量安全事故。
随着城市土地利用率提高,高层建筑不断涌现,建筑基础的埋深嵌入要求,以及人防工程、地下车库的需要,深基坑项目越来越多。为了防止质量安全事故,在软土地区深基坑支护设计、制定施工方案时,主要注意以下几方面。
二、防止基坑塌方的措施
(一)支护设计方案。
根据不同的基坑深度、地质、环境与荷载情况采用不同的支护结构,常见的支护结构类型:(1)水泥土桩墙(深层搅拌桩或粉喷桩)支护结构。(2)悬臂式支护结构。即没有内支撑和锚杆的支护结构。(3)内撑式支护结构。由支护桩或墙和内支撑组成。(4)土钉墙支护结构。(5)拉锚式支护结构和其他支护结构。(6)放坡开挖及简易支护等。
对于的饱和粘性土,包括淤泥、淤泥质土、粘土和粉质粘土等,采用水泥土搅拌桩墙比较适宜。
水泥土桩墙(水泥土搅拌桩)是水泥浆与软土搅拌形成或水泥粉体与软土搅拌形成的柱状固结体,前称为深层搅拌桩后者称为粉喷桩。其原理:利用水泥、石灰等材料作为固化剂的主剂,通过特制的搅拌机械就地将软土和固化剂(浆液状或粉体状)强制搅拌,利用水泥和软土之间所产生的一系列物理化学反应,使软土硬结成具有整体性,稳定性和一定强度的桩体,从而提高地基承载力,减少软土地基的沉降量,抑制侧向变形,满足工程建设要求。
水泥土搅拌桩墙的破坏形式通常有整体滑动破坏、墙体向外倾倒破坏、墙体水平滑移破坏、地基承载力不足引起变形过大失稳、墙身强度不过而断裂破坏等五种形式。作用于支护结构上的荷载通常有:土压力、水压力、影响区范围内的建(构)筑物荷载、施工荷载、地震荷载等。其中最重要的荷载是土压力和水压力,其计算方法有“水土分算”和“水土和算”法两种,对于粘性土可按“水土和算”法进行,这时采用土的饱和重度计算总的水土压力。
1.水泥土桩墙按重力式挡土墙考虑的计算:
(1)深基坑支护土压力计算
由于土的土质比较复杂,要精确地确定是比较困难的,目前,土压力的计算,仍然是按朗肯公式进行。常用的公式为:
主动土压力:
Eα=1/2γH2tg2(45°-Φ/2)-2CHtg(45°-Φ/2)+2C2/γ
式中:Eα――主动土压力(KN),γ――饱和土的容重,采用加权平均值。H――挡土桩长(m)。Φ――土的内摩擦角(°)。C――土的内聚力(KN)。
被动土压力:
Ep=1/2γt2 tg2(45°+Φ/2)+2Ct tg(45°+Φ/2)
式中:Ep――被动土压力(KN),t――挡土桩的入土深度(m),
(2)抗倾覆稳定性验算
Kq=抗倾覆力矩/倾覆力矩=(Wb/2+ZpEp)/ ZaEa
式中:W――墙身自重(KN),Za――主动土压力作用线离墙趾距离(m),Zp――被动土压力作用线离墙趾距离(m),b――挡土桩墙厚度(m)。Kq――抗倾覆力安全系数,一般取Kq≥1.1―1.3。
(3)抗滑移稳定性验算
Kh=墙体抗滑力/墙体滑动力=(WtgΦo+Cob+ Ep)/ Ea
式中:Φo――墙底土层的内摩擦角(°),Co――墙底土层的内聚力(KN),Kh――墙底抗滑移安全系数,一般取Kh≥1.15―1.2
(4)墙体应力计算
正应力验算:一般取坑底截面处验算
σmax=γoz+q0+Mx1/I≤qu/Kj, σmin=γz-Mx2/I≥0
式中:σmaxσmin――分别表示坑底截面最大、最小应力(KPa),γo――水泥土桩墙墙体平均重度(KN/m2),z――坑底以上水泥土桩墙的高度(m)q0――支护结构顶面堆载(KPa)
M――坑底截面的弯矩(KN-M) x1 x2――水泥土桩墙于坑底截面形心至最大最小应力点的距离(m) I――水泥土桩墙截面处的贯性矩(m4) q0――水泥土桩墙无侧向抗压强度(KPa), Kj――水泥土桩墙不均匀系数,取2.0,
剪应力验算:
τ= Eα/mb≤0.1 qu/Kj
式中:τ――计算截面处的剪应力(KPa)Eα――计算截面处主动土压力的合力(KN)m――计算截面水泥土置换率
(5)基底承载力验算
水泥土桩墙重比原状土增加不大,一般不必验算。
2.水泥土桩墙单层支锚的计算:
单层支锚桩墙支护结构因在梁顶端附近设一道支撑或拉锚,可认为在支锚处无水平移动而成一道简支支撑,根据入土深度有两种情况:
(1)入土较浅时,桩墙前侧的被动土压力全部发挥,桩墙底端有向前少许位移的可能,桩墙体可看作在支锚点铰支而下端自由的结构,桩墙前后的被动和主动土压力对支锚点的力矩相等。
(2)入土较深时,桩墙底端向后倾斜,桩墙的前后侧均出现被动土压力,此时桩墙结构相当于上端简支而下端嵌固的超静定梁。工程上通常采用等值梁法计算。
(二)施工方案编制与论证
住房和城乡建设部《危险性较大的分部分项工程安全管理办法》规定:开挖深度超过5m(含5m)的基坑(槽)的土方开挖、支护、降水工程,应当组织专家对专项方案进行论证。《福建省建筑边坡与深基坑工程管理暂行规定(试行) 》:第二条本规定所称深基坑,是指开挖深度超过4m的基坑或深度虽未超过4m,但地质情况和周围环境较复杂的基坑。第八条 深基坑工程地下室二层以上(含二层,深度超过7m),且地质条件和周围环境较复杂、工程影响较大,或者超过规范规定的,边坡与深基坑工程的设计方案,建设单位应组织省土木建筑学会专家库中不少于3人的专家进行专项论证(专家库名单由省土木建筑学会公布)。其余的建筑边坡和深基坑工程应由建设单位组织专家进行专项论证。
(三)施工控制要点
(1)定位放线,对周边环境的测设。
(2)基坑设计护坡桩要保证护坡桩桩身质量及桩距、桩长、桩径,要保证沉桩深度,两排桩以上时要保证桩排距和相对关系。
(3)坑顶应设截水设施,防止地表水流入基坑冲刷坡面。基坑挖土施工不得在坑顶任意堆土或架设有振动作用的机械。
(4)深基坑施工时,宜采用动态设计信息化施工,严密控制基坑变形和基底隆起,一般的支护结构位移控制以水平位移为主。根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-99)规定安全等级划分,对于一级基坑的最大水平位移,一般宜不大于30mm,对于较深的基坑,应小于0.3%H,H为基坑开挖深度。对于一般的基坑,其最大水平位移也宜不大于50mm为宜。
三、几点体会
1、对于各种成因的饱和粘性土,包括淤泥、淤泥质土、粘土和粉质粘土等,水泥土搅拌桩墙比较适宜。由于其抗拉强度远小于抗压强度,故常适用于基坑深度不大( 5～7 米) ,可采用重力式挡墙结构的支护形式。如果在桩体内插入适量的钢筋或钢管,可提高其抗弯性能,减少桩体侧向位移,增大支护高度,则支撑深度可达10米,可按支锚桩墙结构的支护形式。
2、由水泥土形成的支护桩墙造价低、无振动、无噪音、无污染、施工简便、工期短、止水性好等优点。适应于对环境污染要求较严,隔水要求高的软土地层,这种支护结构防水性能好,可不设支撑,基坑能在开敞的条件下开挖,具有较好的经济效益。
3、水泥土桩墙可设计成不同深度,提高墙底的磨擦力,增强抗滑稳定性。增加墙宽是提高抗倾覆稳定性和抗滑移稳定性的最有效而经济的措施。
四、工程实例
我市某商住楼的地下室工程,开挖深度5.3至5.85米正处于淤泥土中,基坑平面尺寸为78.9米X63.7米,基坑围护结构采用水泥土桩锚管支护结合被动区加固方式,桩径600毫米,桩与桩搭接100毫米,水泥土桩四排@500,插入48x3焊接钢管@1000,整个基坑施工过程到地下室完工效果良好。水泥土桩典型剖面如下:
参考文献:
[1]赵明华主编.《土力学与基础工程 》武汉理工大学出版社
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