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摘要：本人结合多年的施工和监理工作经验，通过工程实例，详细阐述了高层建筑深基坑工程支护结构设计方案,并对基坑施工采用的人工挖孔护壁灌注桩与锚杆联合支护施工技术及雨季施工措施等进行了深入分析探讨。
关键词：建筑工程深基坑支护 探讨
一工程概况
某综合商住楼建筑工程项目位于城市中心地带,主楼20层,地下室两层,拟采用桩基础,框架结构,设计地坪标高110.40m,基坑开挖深度为-10.00 m。基坑边缘周长为约189 m。基坑东、西、北侧分布多条给水管道,管径0.1 m~0.7m,场地东侧临街为民房,作为深基坑,开挖施工时必须严格控制基坑周边变形,安全施工,避免产生不良的社会影响。
二场地周边环境及工程地质条件
本工程场地地貌单元属河道冲积阶地,人工填土及淤泥质土厚度大,西侧100多米即为河道。据勘察结果,场地地貌单元属河道冲积阶地,场地内埋藏地层性状描述如下:杂填土①:褐灰色,含约20%砖砼等建筑垃圾,俗称火烧土,湿-饱和,松散状态。淤泥质粉质粘土②:黑灰色,含有机质,湿-饱和,软塑-流塑状态。粉质粘土③:浅黄色,夹灰白斑纹,底部含少量细砂,可塑状态。局部呈夹层状产出于圆砾层中。圆砾④:褐灰、灰黄色,成份主要为石英质,不均匀混约20%细砂及粘粒,亚圆形,粒径一般0.2 cm~4 cm,大者﹥6 cm,饱和,中密状态。残积粉质粘土⑤:棕红色,夹灰绿色斑点,系泥质粉砂岩风化残积而成,原岩结构明显,不均匀夹约20%强风化岩块,稍湿,硬塑-坚硬状态。场地下伏基岩为第三系泥质粉砂岩,属于软质岩石,局部见泥灰岩。按风化程度可划分为强、中风化两个带:强风化泥质粉砂岩⑥:褐红色,大部分矿物已风化变质,节理裂隙极发育,岩芯呈土柱及土夹碎塊状。该层在场地内均有分布,揭露层厚0.50 m~11.70m。中风化泥质粉砂岩⑦:棕红色,粉细粒结构,中厚层状构造,多见绿色圆斑,节理裂隙较发育,岩块用手难折断,合金钻具钻进难易程度中,岩芯呈短柱、柱状、块状。据勘察报告书,与基坑开挖支护相关的各岩土层工程特性指标见表1:
表1场地地质状况
场地内地下水有赋存于人工填土中的上层滞水及下伏圆砾层中的潜水,上层水量一般,圆砾层中潜水量较大,与河道水有一定的水力联系。基坑支护工程主要考虑该层地下水对基坑开挖及日后人工挖孔桩施工的不利影响。
三基坑支护设计
1基坑支护方案的选择
综合分析基坑地理位置、土质条件、开挖深度及周边环境,该基坑开挖深度较大,为8.0 m;位于市中心,场地周边环境较狭小,无放坡开挖条件,场地西侧有供水管道及地下管网通过,场地南侧有供水管,一但有失稳现象发生,经济和社会影响较大。软弱土埋深达12.0m,为当地少见的软弱土基坑;地下水位较高,且基坑底部有强透水性地层分布。
综合以上因素,本着经济合理,确保安全的原则,本次基坑设计采用较为成熟的桩锚式支护方式,结合高压摆喷墙止水帷幕,在多家单位的方案比选中,否定了基坑内支撑、超前锚管土钉墙及桩间内嵌旋喷桩止水方案。
2支护的结构设计
在工程设计计算中,根据朗肯土压力理论,按悬壁结构考虑,采用等值梁法按桩底固定法求得桩最小嵌固深度为8.40 m,已进入中风化岩层。本工程明确采用深埋结构计算法,综合考虑本基坑周边地层所能提供的锚固力,经过多次试算,最后确定实际桩嵌固深度为6.50 m,实际桩长14.50m,采用双排锚杆拉结。
由于经典土压力所求土压力偏大,按等值梁法求最大弯矩一般偏于安全,本工程采用弹性土压力模型核算桩体最大弯矩、剪力及变形。求得基坑内侧桩的最大弯矩为1162 kN·m,基坑外侧桩的最大弯矩为301 kN·m,基坑内侧桩的最大剪力为-530 kN·m,基坑外侧桩的最大剪力为305 kN·m。由于是临时支护工程,本着节约安全的原则,工程桩采用φ1000人工挖孔桩,按弯矩图及等效截面法进行配筋,按距桩顶(底)距离2.0, 4.0, 10.0m分别采用6φ25、10φ25、18φ25非均匀配筋,见图2。
基坑变形按m法求得,并求得各支锚的反力,根据计算结果,坑壁最大位移为S=29.61 mm,满足周边管线对变形的控制要求。
3支护方案与止水帷幕
基坑段采用人工挖孔灌注护壁桩与锚杆联合支护体系。护壁桩桩径φ1000 mm,桩间距1.80 m,桩芯砼标号C25。在护壁桩间采用两排锚杆,孔径φ130,入射角35°,锚杆采用锚具锚于2×20槽钢压梁上,锁定荷载50 kN。第一排锚杆拉于-2.00 m处,锚杆长22.0m,自由段长7.5 m,采用2φ32粗螺纹钢筋为拉杆,设计轴向抗拉力400 kN。第二排锚杆位于-5.00 m处,锚杆长16.0 m,自由段长6.0m,采用1φ32粗螺纹钢筋为拉杆,设计轴向抗拉力190kN。
考虑到本场地内进行降水后地面沉降对周边建筑物有影响,本次采用帷幕隔水设计,采用三重管高压定喷形成隔水帷幕,单排,布孔孔距1.40 m,帷幕轴线距基坑开挖边线1.50 m,帷幕防渗施工地层为基坑壁底部的圆砾④层,摆喷板墙顶部深入不透水层1.00 m,标高控制为26.50 m,底部深入下伏弱透水地层1.00 m,形成四周封闭系统。
四基坑开挖及护壁施工技术
1基坑施工
根据基坑设计方案,施工顺序为先施工隔水帷幕,再进行人工挖孔桩及圈梁施工,待其达至初凝强度后,方进行分层土方开挖,并随之分层喷锚及锚杆、压梁等施工,各道工序紧密衔接。
第一排锚杆倾角较大,施工时该排锚杆遇圆砾层时发生垮孔,锚杆长度均未达到设计要求长度,锚杆平均长度为18.0 m,现场协调后及时对该排锚杆进行了抗拔试验,其平均抗拔力仅为10.0T,远低于设计要求。
通过现场挖开挖情况,场地地下水稳定水位为5.2m,原勘察结果中的2.0m水位实际为填土中上层滞水水位。且根据场地开挖到5.5m的地层出露情况,基坑东侧粉质粘土已出露,与原勘察结果偏差较大。
综合以上情况分析,实际水位的降低使原来的计算使用土压力由298kN/m调减为206kN/m。为保证基坑支护的经济安全,根据第一排锚杆抗拔试验结果对第二排锚杆进行了调整,锚杆长度由18.0m变更为22.0m,采用42钢质无缝钢管作为钻具兼拉杆,杆体穿越圆砾层,进入强风化层2.0m,设计轴向抗拉力330kN,虽两排锚杆抗拔力由590kN调减为430kN,施工结果显示锚杆完全满足抗拉及抗弯要求。
2雨季挖土施工技术措施
①根据基础大底板的后浇带分布情况,将基坑分为8个施工区域,每层土的开挖顺序为先东、西两边,后中间,并大体上由南向北推进,最后在基坑北边中部收头。
②雨季施工基底土层常出现橡皮土,采取临时铺一层碎石,进行夯击将表层土挤紧。
③如果基坑挖土时出现流砂,必须采取以下紧急预案措施,防止边坡塌方。首先,在局部流砂土体采取抛石块增加土压重,减少动水压力,并采取快速施工。其次,也可在此土体部位采用井点降水,使动水压力方向朝下,使土体保持无水状态,然后快速施工,穿过流砂土体位置。
④雨季施工技术措施在施工前要进行认真技术安全交底,落实每个技术安全责任。
3变形观测
本次施工在坑缘共设置变形及沉降观测点20个,观测期间建立监测点和观测点系统,在施工期间进行连续的观测,在土方开挖及雨季加密观测,并及时将观测结果反馈给建设和设计单位,按变形量控制基坑开挖的安全。据观测结果,最大位移S=37mm,最小位移9.9mm,最大位移速率为0.183 mm /d~0.794 mm /d;最大位移点在桩顶,最小点在桩底,桩身位移沿深度方向基本上呈线性变化;挖孔桩位移基本处于稳定状态,与计算结果基本吻合,基坑顶部位移结如图3。
结束语
综上所述,本基坑围护施工受厚层淤泥质土弃土影响,工期较长,施工跨越了整个雨季,期间河道最高水位曾达到25.0m,高于场地地面标高,但由于排水通畅,止水效果良好,基坑土开挖过程中地面干燥,施工中无险情及不良现象发生。场地内仅作了常规变形观测,对基坑顶变形和水位作了观测,而未作专业监测,建议类似软土基坑应作好桩、锚、土体内力监测,以便能够直接反映基坑变形受力等情况,对基坑支护安全度作出直观的评价,指导设计方案的优化,节约工程造价。
围护结构计算中m值的取值对基坑变形位移及内力计算影响较大,本工程中该计算方法对变形的预测与实际情况相符,但拐角出处实际变形一般较小,说明桩锚安全偏高,日后支护应予充分考虑基坑的空间效应。施工各方对基坑施工的重视使基坑得以顺利完工,施工现场开挖情况及监测结果及时反馈到设计方可及时发现施工中的隐患,根据地质情况变化进行的动态化设计体现了信息化施工的重要性。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看
关键词：建筑工程深基坑支护 探讨
一工程概况
某综合商住楼建筑工程项目位于城市中心地带,主楼20层,地下室两层,拟采用桩基础,框架结构,设计地坪标高110.40m,基坑开挖深度为-10.00 m。基坑边缘周长为约189 m。基坑东、西、北侧分布多条给水管道,管径0.1 m~0.7m,场地东侧临街为民房,作为深基坑,开挖施工时必须严格控制基坑周边变形,安全施工,避免产生不良的社会影响。
二场地周边环境及工程地质条件
本工程场地地貌单元属河道冲积阶地,人工填土及淤泥质土厚度大,西侧100多米即为河道。据勘察结果,场地地貌单元属河道冲积阶地,场地内埋藏地层性状描述如下:杂填土①:褐灰色,含约20%砖砼等建筑垃圾,俗称火烧土,湿-饱和,松散状态。淤泥质粉质粘土②:黑灰色,含有机质,湿-饱和,软塑-流塑状态。粉质粘土③:浅黄色,夹灰白斑纹,底部含少量细砂,可塑状态。局部呈夹层状产出于圆砾层中。圆砾④:褐灰、灰黄色,成份主要为石英质,不均匀混约20%细砂及粘粒,亚圆形,粒径一般0.2 cm~4 cm,大者﹥6 cm,饱和,中密状态。残积粉质粘土⑤:棕红色,夹灰绿色斑点,系泥质粉砂岩风化残积而成,原岩结构明显,不均匀夹约20%强风化岩块,稍湿,硬塑-坚硬状态。场地下伏基岩为第三系泥质粉砂岩,属于软质岩石,局部见泥灰岩。按风化程度可划分为强、中风化两个带:强风化泥质粉砂岩⑥:褐红色,大部分矿物已风化变质,节理裂隙极发育,岩芯呈土柱及土夹碎塊状。该层在场地内均有分布,揭露层厚0.50 m~11.70m。中风化泥质粉砂岩⑦:棕红色,粉细粒结构,中厚层状构造,多见绿色圆斑,节理裂隙较发育,岩块用手难折断,合金钻具钻进难易程度中,岩芯呈短柱、柱状、块状。据勘察报告书,与基坑开挖支护相关的各岩土层工程特性指标见表1:
表1场地地质状况
场地内地下水有赋存于人工填土中的上层滞水及下伏圆砾层中的潜水,上层水量一般,圆砾层中潜水量较大,与河道水有一定的水力联系。基坑支护工程主要考虑该层地下水对基坑开挖及日后人工挖孔桩施工的不利影响。
三基坑支护设计
1基坑支护方案的选择
综合分析基坑地理位置、土质条件、开挖深度及周边环境,该基坑开挖深度较大,为8.0 m;位于市中心,场地周边环境较狭小,无放坡开挖条件,场地西侧有供水管道及地下管网通过,场地南侧有供水管,一但有失稳现象发生,经济和社会影响较大。软弱土埋深达12.0m,为当地少见的软弱土基坑;地下水位较高,且基坑底部有强透水性地层分布。
综合以上因素,本着经济合理,确保安全的原则,本次基坑设计采用较为成熟的桩锚式支护方式,结合高压摆喷墙止水帷幕,在多家单位的方案比选中,否定了基坑内支撑、超前锚管土钉墙及桩间内嵌旋喷桩止水方案。
2支护的结构设计
在工程设计计算中,根据朗肯土压力理论,按悬壁结构考虑,采用等值梁法按桩底固定法求得桩最小嵌固深度为8.40 m,已进入中风化岩层。本工程明确采用深埋结构计算法,综合考虑本基坑周边地层所能提供的锚固力,经过多次试算,最后确定实际桩嵌固深度为6.50 m,实际桩长14.50m,采用双排锚杆拉结。
由于经典土压力所求土压力偏大,按等值梁法求最大弯矩一般偏于安全,本工程采用弹性土压力模型核算桩体最大弯矩、剪力及变形。求得基坑内侧桩的最大弯矩为1162 kN·m,基坑外侧桩的最大弯矩为301 kN·m,基坑内侧桩的最大剪力为-530 kN·m,基坑外侧桩的最大剪力为305 kN·m。由于是临时支护工程,本着节约安全的原则,工程桩采用φ1000人工挖孔桩,按弯矩图及等效截面法进行配筋,按距桩顶(底)距离2.0, 4.0, 10.0m分别采用6φ25、10φ25、18φ25非均匀配筋,见图2。
基坑变形按m法求得,并求得各支锚的反力,根据计算结果,坑壁最大位移为S=29.61 mm,满足周边管线对变形的控制要求。
3支护方案与止水帷幕
基坑段采用人工挖孔灌注护壁桩与锚杆联合支护体系。护壁桩桩径φ1000 mm,桩间距1.80 m,桩芯砼标号C25。在护壁桩间采用两排锚杆,孔径φ130,入射角35°,锚杆采用锚具锚于2×20槽钢压梁上,锁定荷载50 kN。第一排锚杆拉于-2.00 m处,锚杆长22.0m,自由段长7.5 m,采用2φ32粗螺纹钢筋为拉杆,设计轴向抗拉力400 kN。第二排锚杆位于-5.00 m处,锚杆长16.0 m,自由段长6.0m,采用1φ32粗螺纹钢筋为拉杆,设计轴向抗拉力190kN。
考虑到本场地内进行降水后地面沉降对周边建筑物有影响,本次采用帷幕隔水设计,采用三重管高压定喷形成隔水帷幕,单排,布孔孔距1.40 m,帷幕轴线距基坑开挖边线1.50 m,帷幕防渗施工地层为基坑壁底部的圆砾④层,摆喷板墙顶部深入不透水层1.00 m,标高控制为26.50 m,底部深入下伏弱透水地层1.00 m,形成四周封闭系统。
四基坑开挖及护壁施工技术
1基坑施工
根据基坑设计方案,施工顺序为先施工隔水帷幕,再进行人工挖孔桩及圈梁施工,待其达至初凝强度后,方进行分层土方开挖,并随之分层喷锚及锚杆、压梁等施工,各道工序紧密衔接。
第一排锚杆倾角较大,施工时该排锚杆遇圆砾层时发生垮孔,锚杆长度均未达到设计要求长度,锚杆平均长度为18.0 m,现场协调后及时对该排锚杆进行了抗拔试验,其平均抗拔力仅为10.0T,远低于设计要求。
通过现场挖开挖情况,场地地下水稳定水位为5.2m,原勘察结果中的2.0m水位实际为填土中上层滞水水位。且根据场地开挖到5.5m的地层出露情况,基坑东侧粉质粘土已出露,与原勘察结果偏差较大。
综合以上情况分析,实际水位的降低使原来的计算使用土压力由298kN/m调减为206kN/m。为保证基坑支护的经济安全,根据第一排锚杆抗拔试验结果对第二排锚杆进行了调整,锚杆长度由18.0m变更为22.0m,采用42钢质无缝钢管作为钻具兼拉杆,杆体穿越圆砾层,进入强风化层2.0m,设计轴向抗拉力330kN,虽两排锚杆抗拔力由590kN调减为430kN,施工结果显示锚杆完全满足抗拉及抗弯要求。
2雨季挖土施工技术措施
①根据基础大底板的后浇带分布情况,将基坑分为8个施工区域,每层土的开挖顺序为先东、西两边,后中间,并大体上由南向北推进,最后在基坑北边中部收头。
②雨季施工基底土层常出现橡皮土,采取临时铺一层碎石,进行夯击将表层土挤紧。
③如果基坑挖土时出现流砂,必须采取以下紧急预案措施,防止边坡塌方。首先,在局部流砂土体采取抛石块增加土压重,减少动水压力,并采取快速施工。其次,也可在此土体部位采用井点降水,使动水压力方向朝下,使土体保持无水状态,然后快速施工,穿过流砂土体位置。
④雨季施工技术措施在施工前要进行认真技术安全交底,落实每个技术安全责任。
3变形观测
本次施工在坑缘共设置变形及沉降观测点20个,观测期间建立监测点和观测点系统,在施工期间进行连续的观测,在土方开挖及雨季加密观测,并及时将观测结果反馈给建设和设计单位,按变形量控制基坑开挖的安全。据观测结果,最大位移S=37mm,最小位移9.9mm,最大位移速率为0.183 mm /d~0.794 mm /d;最大位移点在桩顶,最小点在桩底,桩身位移沿深度方向基本上呈线性变化;挖孔桩位移基本处于稳定状态,与计算结果基本吻合,基坑顶部位移结如图3。
结束语
综上所述,本基坑围护施工受厚层淤泥质土弃土影响,工期较长,施工跨越了整个雨季,期间河道最高水位曾达到25.0m,高于场地地面标高,但由于排水通畅,止水效果良好,基坑土开挖过程中地面干燥,施工中无险情及不良现象发生。场地内仅作了常规变形观测,对基坑顶变形和水位作了观测,而未作专业监测,建议类似软土基坑应作好桩、锚、土体内力监测,以便能够直接反映基坑变形受力等情况,对基坑支护安全度作出直观的评价,指导设计方案的优化,节约工程造价。
围护结构计算中m值的取值对基坑变形位移及内力计算影响较大,本工程中该计算方法对变形的预测与实际情况相符,但拐角出处实际变形一般较小,说明桩锚安全偏高,日后支护应予充分考虑基坑的空间效应。施工各方对基坑施工的重视使基坑得以顺利完工,施工现场开挖情况及监测结果及时反馈到设计方可及时发现施工中的隐患,根据地质情况变化进行的动态化设计体现了信息化施工的重要性。
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