软土地基深基坑支护结构方案选型

软土地基深基坑支护结构方案选型

李　静　仝兴华　高福聚

[石油大学(华东),东营257061]

[摘　要]　针对软土地基的工程特性和深基坑支护的基本要求,结合工程实例,对软土地基深基坑支护结构方案的选型

进行了探讨。

[关键词]　深基坑:软土地基;支护结构

[中图分类号]　T U471.8 [文献标识码]　B [文章编号]　10012523X (2004)0820054203

PRIMAR Y STU DY OF SE L ECTION OPTIMUM PROJECT IN DEEP

FOUN DATION RETAINING EXCAVATION OF SOFT SOI L

Li Jing T ong X ing 2hua G ao Fu 2ju

[Abstract ]　In this paper ,in accordance with the engineering property of s oft s oil and the basic demands of deep foundation retaining

excavation ,combined with the practical engineering ,the selection optimum project in deep foundation retaining excavation of s oft s oil is researched.

[K eyw ords ]　Deep foundation excavation ;S oft s oil foundation ;Retaining structure

收稿日期:2004-04-30

作者简介:李　静(19672),女,山东蓬莱人,讲师,毕业于天津大学土

木系结构专业,硕士研究生毕业于石油大学(华东)工程力学专业,十几年来,一直从事土木工程的教学和研究工作。

随着我国城市化建设的快速发展,高层建筑和市政工程大量涌现,由于深基坑开挖往往发生在商业繁华区,场地局限,临近建筑、道路和地下设施密集,使最经济、最易行的放坡开挖这一传统技术,不再成为可能,这样就势必带来了大规模的深基坑支护工程问题,支护结构方案的优选是保证整个深基坑支护工程顺利进行的关键。

1　软土地基深基坑支护结构方案的选型1.1　软土地基深基坑支护结构的特征

软土系指饱和软粘土,其天然含水量W 大于液限W 1、孔隙比大(天然孔隙比e ≥110)、压缩性高(压缩系数a 1-2

≥0105MPa -1

)、强度低(不排水抗剪强度c u ≤30kPa )和具有

灵敏结构性的土层。它包括淤泥和淤泥质粉质粘土、淤泥质粉土等,我国沿海和沿江的许多城市如上海、天津、杭州、宁波、厦门、武汉、深圳、东营等均有软土广泛分布。

1.1.1　软工的工程特性

a )触变性;

b )流变性;

c )高压缩性;

d )低强度;

e )低透

水性;f )不均匀性。

1.1.2　软土地基深基坑开挖可能出现的岩土工程问题

a )由于开挖临空和卸载而引起的边坡土体和支护结构

变形、基底隆起或整体失稳;

b )由于开挖造成地下水坡度的陡降使得地下水从侧壁

涌出而产生涌水和流土,或者由于承压含水层上伏不透水层的揭穿而造成坑底管涌和冒砂;

c )由于前两个原因而造成的基坑周边地面(或地下)的

变形,甚至破坏。

1.2　软工地基深基坑支护结构的优选

a )简易的钢板桩为槽钢等型钢,由于截面抗弯能力弱,

只用于较浅的基坑(h ≤4m )。且防渗能力弱,有时需降水,正规的钢板桩为热轧锁口钢板桩,其型式有U 型、Z 型、一字型、H 型和组合型。常用者为前两种,尤其是U 型应用最多。

我国生产的鞍型钢板桩为“拉森式”

(U 型)钢板桩,其截面为400mm ×310mm ,每延米桩墙的截面模量为2042m 3

。钢板

桩由于一次性投资大,多以租赁方式租用,用后拔出归还,钢板桩的优点是材质可靠,打造方便,施工速度快有一定挡水能力,可重复使用,费用较低。缺点是刚度较小,用于较深基坑支撑拉锚工作量大,如不作足够的拉锚,在变形大透水性大的土层中不能完全挡水:拔除时带土,土层移动会危害周围环境。

b )钻孔灌注桩支护墙是在深基坑工程中应用最多的一种。根据目前的施工工艺,钻孔灌注桩为间隔排列,缝隙不小于100mm ,因此不具备挡水功能,需另做挡水帷幕,目前我国应用较多的是厚112m 的水泥土搅拌桩。在地下水位较低的地区则不需做挡水帷幕。若基坑周围狭窄,不允许在钻孔灌注桩后再施工112m 的水泥土挡水帷幕时,可考虑在水泥土桩中套打钻孔灌注桩,常用桩径有:600mm 、700mm 、

800mm 、900mm 、1000mm 。钻孔灌注桩的优点:施工无噪声、

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5第31卷第8期2004年8月

建　筑　技　术　开　发

Building T echnique Development

V ol.31,N o.8

Aug.2004

无振动、无挤土、刚度大、抗弯能力强、变形较小。其缺点是有时质量不容易控制,且造价相对较高。

c)地下连续墙是于基坑开挖之前,用特殊挖槽设备,在泥浆护壁之下开挖深槽,然后下钢筋笼,浇筑混凝土形成的地下土中的混凝土墙。目前常用厚度为600mm、800mm、1000mm,多用于-12m以下的深基坑,其优点为:施工时对周围环境影响小,能紧邻建(构)筑物等进行施工;刚度大,整体性好,变形小;处理好接头能较好的抗渗止水;如用逆作法施工,可实现两墙合一,能降低成本。其缺点是地下连续墙如单纯用作围护墙,只为施工挖土服务则成本较高;泥浆需要妥善处理,否则会影响环境。

d)喷锚支护是一种边坡稳定式的支护,其作用与被动起挡土作用的上述围护墙不同,它是起主动嵌固作用,增加边坡的稳定性,使基坑开挖后坡面保持稳定。喷锚支护结构中,锚杆一般通长注浆,锚杆位于稳定土体的部分为锚固段,其余为自由段,锚固段和自由段承受的摩擦力方向相反,锚固段提供的锚固力对边坡的稳定起着关键作用。锚管一般沿钢管全长或钢管大部分范围内开设注浆孔(注浆孔外侧焊制倒刺),注浆时浆液往往首先从靠近基坑的注浆孔流出,并可能沿钢管外壁向基坑壁溢出。水泥浆不再向锚管深处流动,从而造成锚杆锚固段全部或部分范围内没有浆体包裹,这就严重危害了边坡的安全性。在工程实践中,需要对锚管的结构进行改造,总的来说,这种方法效果较好,较经济。

e)综合应用在实际的工作中,施工的环境往往很复杂,如果单一地选用某种支护方案,有时可能达到安全的效果,但是不经济;有时施土方便,但欠安全。优化的方法是在综合考虑安全、经济、方便施工这三方面的要求后往往就会选用综合上述若干种支护方案的方法。

1.3　软土地基深基坑支撑结构的选型

1.3.1　支撑的分类

a)按支撑结构的位置在坑内还是在坑外可分为内支撑和拉锚。内支撑受力合理,安全可靠,易于控制围护墙的变形,但内支撑的设置给基坑内挖土和地下室结构的支模和浇筑带来了一些不便,位于软土地区土的变形较难控制。

b)按支撑的材料可分为钢支撑和钢筋混凝土支撑两类。钢支撑常用者为钢管和型钢两种。钢管支撑多用609钢管,有多种壁厚(10mm,12mm,14mm)可供选择。壁厚大者承载力高。亦有用较小直径钢管者,如580,406钢管等。型钢支撑多用H型钢。钢支撑的优点是安装和拆除方便,速度快,能尽快发挥支撑的作用,减小时间效应,使支护墙因时间效应的增加变形减小;可以重复使用,多为租赁方式,便于专业化施工,可以施加预紧力,还可根据围护墙发展变形情况,多次调整预紧力值以限制围护墙变形发展。其缺点是整体刚度相对较弱,支撑的间距相对较小;由于两个方向施加预应力,使纵横向支撑的连续处,处于铰接状态。

钢筋混凝土支撑,是随着挖土的加深,根据设计规定的位置现场支模浇筑而成。其优点是形状多样性,可浇筑成直线、曲线构件,可根据基坑平面形状,浇筑成最优化的布置形式;整体刚度大、安全可靠、可使围护墙变形小,有利于保护周围环境;可方便地变化构件截面和配筋,以适应其内力的变化。其缺点是支撑成型和发挥作用时间长,时间效应大,使围护墙因时间而产生变形增大;属一次性的、不能重复利用;拆除相对困难,如果控制爆破拆除,有时周围环境不允许,如用人工拆除,时间较长,劳动强度大。

1.3.2　内支撑布置型式的优选

内支撑的布置要综合考虑下列因素:

a)基坑平面形状、尺寸和开挖深度;

b)基坑周围的环保要求和邻近地下工程的施工情况;

c)主体工程地下结构的布置;

d)土方开挖和主体工程地下结构的施工顺序和施工方法。

一般情况下,对于平面形状接近方形且尺寸不大的基坑,宜采用角撑,使基坑中间有较大的空间,便于组织挖土;对于形状接近方形但尺寸较大的基坑,宜采用环形、便于桁架支撑,受力性能较好,亦能提供较大的空间便于挖土;对于长方形基坑,宜采用对撑或对撑加角撑,安全可靠,便于控制变形。2　工程实例分析

2.1　工程概况

新上海国际大厦是由新上海国际大厦有限公司投资兴建的大型商住楼宇,座落于浦东陆家嘴金融开发区。东邻浦东南路,南毗银都大厦,西为拟建的新世界金融大厦,北面为规划道路。该大厦的上部为框筒结构,38层,建筑总高度为16812m。地下为4层,采用桩筏基础,主楼和裙房的筏板厚度分别为315m和310m,在整个筏板下共布置450根直径<800、长度为50m的钻孔灌注桩作工程桩。实际基坑开挖深度为13.4m,局部为15.8m,基础平面为72m×76m,基础混凝土量为1700m3。该工程的整个基础处于典型的软土地基范围,其土的分层及物理力学指标如表1所示。

表1　各层土的物理力学指标

土层

编号

土层

名称

层厚

Πm

含水

量W

Π%

重度γ

Π(tΠm3)

孔隙比

e

塑性

指数

I p

固结快剪

ΦΠ°CΠkPa

压缩模

量E0

ΠMPa

K0

①填土 1.2

②粉质粘土 3.236.2 1.84 1.0315.614.712 4.030.45

③淤泥粉土7.033.3 1.83 1.0513.415.98 4.320.41

④淤泥粘土17.048.1 1.73 1.3520.69.210 2.580.53⑤

粘土夹

粉质粘土

23.135.8 1.85 1.0217.111.916 5.630.44

⑥粉质粘土28.123.2 2.00.6315.112.1377.880.43注:地下水位一般为018m。

2.2　基坑支护结构方案的选择

本工程地下有4层,实际基坑开挖深度为13.4m,基础底面积达5000m2,属于大面积、深开挖的基础工程,而且场区东邻浦东南路,基础距该路的地下管线约12m,南面与正在施工的银都大厦相距只有8m,故对围护结构的变形必须严格控制。此外,工程所处的土质情况较差,地下水位高,而且濒临黄浦江,水压力较大,要考虑承压水对深基坑开挖可能产生的管涌。本工程用地系数大,场地小,基坑无法放坡, (下转第86页)

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第31卷李　静等:软土地基深基坑支护结构方案选型第8期

(上接第55页)

因此,如何在不利的地质条件和复杂的周围环境下,选择合理的支护结构方案,是影响整个工程工期、造价和质量的关键因素。

根据新上海国际大厦工程的特点,结合上海地区已有的施工技术和工程经验,初步拟定两种基坑支扩结构的方案: 方案一:利用钻孔灌注桩作为承受土压力的主要结构,采用钢管作为斜支撑。近年来,灌注桩作为挡土结构在上海地区的深基坑支护工程中得到大量的应用,以灌注桩挡土加上深层搅拌桩止水,再伴以适当的内支撑的支护结构对于7～11m的深基坑能获得很好的效果。但对于11m以上的深基坑,由于主动土压力的增大以及钻孔灌柱桩和搅拌桩的施工质量的难以把握,隔水效果不好,往往需要采取坑外降水措施,对周围环境带来一定的影响,利用钢管作为内支撑,施工和拆卸均感方便,但对于本工程的深基础,必须采用多道支撑,用钢量非常大。

方案二:选用地下连续墙作为承受土压力的主要结构构件,内部采用钢筋混凝土斜角支撑。目前,在软土地区,对11m以上的深基坑多数选用地下连续墙作为支护结构,在工程中已被广泛应用,有成熟的施工经验,墙体刚度大、变形小、止水效果好,结合钢筋混凝土内支撑,能有效地控制围护墙体的变形,确保地下管线和周围房屋建筑的安全。

经过反复比较,认为方案二具有受力合理、成本低,并适合该工程的特点和现场施工条件。

3　结论

软土地基深基坑支护结构选型必须遵循安全、适用、经济的原则,要求首先保证基坑与周围土体的强度与稳定性及变形控制;其次要求支护结构应使施工合理和操作方便;最后要求支护结构在资金和人力投入、材料消耗方面较经济,且保证工期。

参考文献

1　余志成,施文华.深基坑支护与施工[M].北京:中国建筑出版社,1998

2　秦四清等.深基坑工程优化设计[M].北京:地震出版社,1998

3　徐杨青.深基坑工程设计的优化原理与途径.岩石力学与工程学报,2001,20(2)

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