艺苑大厦深基坑采用环形支护结构的设计与施工

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1、高级职务工程系列专业论文深基坑支护 设计和施工浅探11 / 1211 / 12深基坑支护设计施工浅探【摘 要】：深基坑支护的设计、施工、监测技术是多年来在施工中逐渐涉及的技术难题。深基坑的护壁，不仅要求保证基坑内正常作业安全，而且要防止基坑及坑外土体移动，保证基坑附近建筑物、道路、管线的正常运行。【关键词】 深基坑 支护结构 施工技术1. 深基坑支护类型选择 经过工程实践和筛选，形成了适合于不同地质条件和基坑深度的经济合理的支护结构体系。水泥搅拌桩和土钉墙是目前5m以内，后者乃至10m以内首选的支护形式，土层条件好时，15m左右基坑亦经常使用。前者既能挡土又能挡水，后者较多地应用于地下水位较低

2、或者地下水位能够被疏干降低的场区。水泥土搅拌桩有好几种布置型式：实体式、空腹式、格构式、拱型或拱型加钻孔灌注桩，既可以浆喷也可以粉喷。土钉墙可以单独使用，也可以和其它支护型式联合使用。对于5-10m深软土基坑，常采用钻（冲、挖）孔桩、沉管灌注桩或钢筋砼预制桩等，并可作各种布置，如需防渗止水时，则辅之以水泥土搅拌桩、化学灌浆或高压注浆形成止水帷幕，有时亦用钢板桩或H型钢桩。当基坑深度大于10m时，可考虑采用地下连续墙，或SMW工法连续墙，并根据需要设置支撑或锚杆。遇特殊结构物（如地铁盾构的工作井、排水泵站、取水构筑物等）则采用沉井或沉箱。在建筑物基坑中也有用沉箱的。深基坑支护不仅要求确保边坡的稳

3、定，而且要满足变形控制要求，以确保基坑周围的建筑物、地下管线、道路等的安全。如今支护结构日臻完善，出现了许多新的支护结构形式和稳定边坡的方法。2. 深基坑支护土压力由于土的土质比较复杂，土压力的计算还和支护结构的刚度和施工方法等有关，要精确地确定也是比较困难的。目前，土压力的计算，仍然是简化后按库仑公式或朗肯公式进行。常用的公式为：主动土压力：E=1/2H2tg2（45-/2）-2CHtg（45-/2）+2C2/工中：E主动土压力（KN），土的容重，采用加权平均值。H挡土桩长（m）。土的内摩擦角（）。C土的内聚力（KN）。被动土压力：EP=1/2t2KPCt式中：EP被动土压力（KN），t挡土

4、桩的入土深度（m），KP被动土压力系数，一般取K2=tg2（45-/2）。由于传统理论存在达些不足，在工程运用时就必须作经验修正，以便在一定程度上能够满足工程上的使用要求，这也就是从以下几个方面具体考虑：2.1. 土压力参数：尤其抗剪强度C/的取值问题。抗剪强度指标的测定方法有总应力法和有效应办法，前者采用总应力C、值和天然重度（或饱和容量）计算土压力，并认为水压力包括在内，后者采用有效应力C、及浮容量计算土压力，另解水压力，即是水土分算。总应办法应用方便，适用于不透水或弱透水的粘土层。有效应力法应用于砂层。2.2. 朗肯理论假定墙背和填土之间无摩擦力。这种假设造成计算主动土压力偏大，而被动土

5、压力偏小。主动土压力偏大则是偏安全的，而被动土压力偏小则是偏危险的。针对这一情况，在计算被动土压力时，采用修正后的被动土压力系数KP，因为库仑理论计算被动土压力偏大。因此采用库仑理论中的被动土压力系数擦角，克服了朗肯理论在此方面的假定。可以求得修正后的KP是：KP=CosDCosKF）-Sin（o+）Sino2式中是按等值内摩擦角计算，对粘性土取D=是根据经验取值，一般为1/3-2/3。2.3. 用等值内摩擦角计算主动土压力。在实践中，对于抗深在10m内的支护计算，把有粘聚力的主动土压力E，计算式为：E=1/2CHtg2（45-/2）+2C2/。用等值内摩擦角时，按无粘性土三角形土压力并入o，

6、E=1/2H2tg（45-/ 2），而E=E由此可得：tg（45-SX（o2= rH2tg2（45-/2）-4CHtg（45-/2）+4C2/r2rH22.4. 深基坑开挖的空间效应。基坑的滑动面受到相邻边的制约影响，在中线的土压力最大，而造近两边的压力则小，利用这种空间效应，可以在两边折减桩数或减少配筋量。2.5. 重视场内外水的问题。注意降排水，因为土中含水量增加，抗剪强度降低，水分在较大土粒表面形成润滑剂，使摩擦力降低，而较小颗粒结合水膜变厚，降低了土的内聚力。2.5.1. 水压力：因支护桩所处地层主要为粘性土层，且为硬塑中密状态，另开挖前已作降水处理，故认为此压力采用水土合算是可行的。

7、2.5.2. 土压力：桩后主动土压力，采用朗肯主动土压力计算，即：E=1/2H2tg2（45-/2）-2CHtg（45-/2）+2C2/桩前被动土压力，采用修正后的朗肯被动土压力计算，即：EP1/2t2KP+2KP Ct.式中：KPCosCos-Sin（+）Sin23. 护坡桩的设计工程支护结构主要采用钢筋混凝土钻孔灌注桩加斜土锚的设计方案，考虑基坑附近建筑屋的影响及动截荷的影响，支护设计时，参照部分支护结构设计的相关情形取地面均布载荷q=40KN/m，：3.1. 桩上侧土压力：桩后侧主动土压力，因为桩后土为三层（如杂添土、粘土、粉粘土）所以计算时采用加权平均值的C、，=21.32，得：E=4

8、.7H2-2.76H+108.49；桩前侧被动土压力：因为桩前侧土为两层（粘土层、粉质粘土层），所以计算时应采用加权平均值的C、，得：EP33.89676t2+104.5t；均布载荷对桩的侧压力：由公式EqqKaH，得：Eq=18.672H.3.2. 桩插入深度确定：计算前须作如下假设：（1）锚固点A无移动；（2）灌注桩埋在地下无移动；（3）自由端因较浅不作固定端，按地下简支计算。3.2.1. 建立方程：对铰点（锚固点）A求矩，则必须满足：MA=03.2.2. 插入深度及柱长计算：根据实际情况t取最小正解根据建筑结构设计手册及综合地质资料，取安全系数为1.2，所以桩的总长度为：L=h+1.5t

9、（m）3.3. 锚拉力的计算：由于桩长已求出，对整个桩而言，由于力平衡原理可以求出A点的锚拉力，FA=0，即：E+Eq=Ep+TA（KN）4. 土层锚定设计锚固点埋深，锚杆水平间距，锚杆倾角按常规确定且考虑小倾角，这是因为考虑到：（1）基坑附近有建筑物的存在，倾角小，锚杆的握裹力易满足；（2）支护所在粘土层较厚，并且均一，可作为锚定区；（3）粘土层的下履层（粉质粘土层、粉砂层、圆砾层）都是饱水且较薄。4.1. 土层锚杆抗拔计算：土层锚杆锚固端所在的粘土层：4.1.1. 土层锚杆锚非固端段长度的确定：由三角关系有：BF=sin（45-/2）/sin（45-/2+a）（H-a-d）代入数据计算得：

10、4.1.2. 土层锚杆锚段长度的确定：该土层锚杆采用非高压灌浆，则主体抗压强度按下面公式计算：r=C+（1/2）rhtg。式中：r埋深h处的抗剪强度，K安全系数1.5，d锚杆孔径.5. 工程实例5.1 工程概况艺苑大厦位于青岛市崂山区，北靠东海路，南邻延安路，东西两侧分别为芝泉路和南京路。工程由两幢高层住宅楼、一个地下人防工程及车库和沿东海路裙房组成。该地块原设计工程名称为东海广场，由三幢高层商住楼及裙房组成，其工程桩和基坑围护挡土、止水桩已施工完成。由于艺苑大厦和东海广场在建筑物数量、结构形式、使用功能和基坑占地面积等方面均有改变，因此本工程的基坑支护设计和施工存在如何利用原东海广场已施工完

11、成的基坑围护、止水桩以降低成本的问题。本工程基坑占地面积为8700m2，基坑开挖面标高为-14.150m（电梯井深坑部位为-16.150m），自然地坪标高为-0.800m，基坑实际挖深一般为-13.350m。5.2 工程地质情况土层岩土工程性质 表1土层名称土层厚度容重(KN/m3)C(Kpa)()渗透系数(cm/s)填土2.1粉质粘土夹粘土1.018.71315.26.45E-63.89E-6淤泥质粉质粘土5.718.01013.51.39E-64.04E-6淤泥质粘土8.717.0107.91.54E-69.20E-7-1粉质粘土30.218.312.016.1工程所在地岩土条件较为恶劣，

12、地表浅部对基坑影响比较大的土层有5层，如表1所示。从表1可以看出，这些土层的粘粒含量高，强度低，渗透性差。场地地下水水位埋深在0.51.5m。5.3 基坑支护设计方案5.3.1 支护结构方案根据周围环境情况和本工程的实际特点，采用如图1、2所示围护挡土、隔水结构。在基坑东侧、西侧及南侧的部分区域利用原围护结构挡土止水。原围护结构用用1100mm钻孔灌注桩排桩为挡土结构，桩底标高为-26.200m，实际桩长为25.400m。止水采用1.2m宽的双排深层搅拌桩，前后排搅拌桩错开半个桩位，交错搭接，互相咬合，以消除因桩间搭接不良而可能形成的直线渗水通道。桩和桩之间的搭接长度为20cm，前排桩长18m

13、，后排桩长16m，搅拌桩水泥掺量为13%。由于第一道支撑标高较低，为有效控制基坑开挖的初期位移，在止水搅拌桩后增打5排搅拌桩，形成4.2m宽的搅拌桩坝体，从而大大减少基坑初期开挖位移。在经侧及南侧的大部分区域属于基坑缩小部位，需重新布置围护挡土、止水桩。由于坑内的原工程桩已经全部施工完成，并且北侧目前为裙房部位，围护体系不仅要避开原有工程桩，还需避让裙房桩基，因此只能采用950mm和600mm小直径的钻孔灌注桩作挡土结构，桩底埋深同原围护桩。考虑到外围原围护结构的搅拌桩打入淤泥质粘土较深，因此从节约成本考虑，这两个部位不再用深层搅拌桩止水，而采用深井降水防渗，同时降水可以大大减少桩体内力。基坑

14、监测报告表明，基础底板浇筑完成后，这两个部位的土体侧向位移均比其他部位小1520mm左右，实际施工效果较好。根据基坑开挖深度，本工程设置一道钢管支撑和二道现浇钢筋混凝土支撑，中心标高分别为-1.500m、-1.600mm和-10.450m。第一道钢管支撑布置在基坑的角部，由八榀60912双拼钢管支撑组成。由于本工程基坑形状呈凹多边形，因此两道钢筋混凝土支撑的布置有一定难度。经过多种方案比较，最后采用了一种较为灵活的支撑平面布置体系，即大部分支撑区域采用受力较为均匀的内、双圆环形式，外环直径为92m，内环直径为76m，两个圆中间采用桁架布置形式。内环中部形成一个无支撑的直径为76m的圆形大空间，

15、既整体性好，又有利于基坑开挖。在基坑西部则采用对撑形式，使整个基坑的支撑布置形成两个既独立又互补的受力体系，如图3所示。根据结构受力分析结果，确定第一道钢筋混凝土支撑断面内圆为21m，外圆为1.20.9m，径向支撑和对撑断面为0.800.90m；第二道钢筋混凝土支撑内圆断面为2.41m，外圆断面为1.60.95m，径向支撑和对撑断面为0.90.9m。支撑立柱采用4根14016和14014角钢格构柱，断面尺寸为480480。为减少挡土桩内力及坑底隆起量，基坑开挖至坑底后，随挖随浇筑基础垫层，控制依据为当开挖出约60m2左右后立即浇筑垫层，并根据基坑施工监测资料在侧向位移较大的部位将垫层加厚至30

16、0mm，在电梯井深坑部位加设40#H型钢支撑加固。5.3.2 结构受力分析主动土压力取值采用固结快剪峰值指标，地面施工超载为20kN/m2，地下水位为-0.75m，采用郎金土压力计算公式，、层土水土计算，、层土水土合算（950钻孔灌注桩层土水土分算，、层土水土合算）。被动土压力计算系数采用地基基床系数“m”。挡土结构侧向位移、内力计算采用“m”法有限元程序进行模拟实际施工工况计算。支撑体系采用空间框架程序SuperSAP计算。结构受力分析考虑了以下五种工况：工况一：开挖至-6.500m，浇捣第一道钢筋混凝土支撑；工况二：开挖至-10.950m，浇捣第二道钢筋混凝土支撑；工况三：开挖至-14.1

17、50m，浇捣基础垫层；工况四：浇捣基础底板，在底板和围护桩之间设传力带，拆除第二道钢筋混凝土支撑，施工地下三层；工况五：在地下三层顶板处设传力带，拆除第一道钢筋混凝土支撑，施工地下二层、地下一层。计算表明，挡土墙最大变矩Mmax=855kNm/m，最大水平位移为35mm，第一道钢筋混凝土支撑最轴力为16919kN，第二道钢筋混凝土支撑最大轴为28029kN，最大轴力均位于内圆支撑上。5.4 基坑开挖本工程基坑开挖具有量大面广的特点，挖土总量为1160000m3。土方开挖充分利用圆形支撑的特点，采用中心岛式开挖，先挖周边，后挖中央，利用中心岛土体的自重减少基坑变形。在基坑南北两侧各布置一座钢栈桥

18、，挖土时两座钢栈桥和中心岛连接成一条出土通道，即土方车由北侧的钢栈桥进入中心岛装土，再经南侧的钢栈桥运出现场。随着挖土施工的进展，中心岛的土体根据需要，逐步收缩土体的直径和降低标高，最后将基坑内的土方全部挖除。挖土时，为使基坑支护结构受力均匀和尽可能减少基坑暴露时间，采取平面对称开挖和限时完成支撑。根据支撑形式，土方开挖分三层进行。第一层土从自然土面-0.800m至第一道混凝土支撑底-6.500m，土层厚5.700m。开挖采取平面对称，先挖角，再挖周边，并逐步向中央收缩。开挖前，先采用挖土机挖出沟槽安装基坑角部-1.500m标高的60912钢管支撑，并用路基箱在基坑内铺设汽车通道，使土方车进入

19、基坑直接装土。为防止开挖过程中引起土体滑坡，第一层土开挖分二次进行，先用2m3挖土机向下挖土至3.800m。开挖出足够工作面后，用一台1m3挖土机进入-3.800m工作平台，并向下挖土至-6.500m。二台挖土机上下接力出土，混凝土支撑底的土体由人工修平。第一层土开挖后，基坑中部形成直径约44m的中心岛。混凝土支撑施工随挖土进度分段形成，并做到挖土结束后48小时内限时完成，以减少基坑暴露时间。第二层土开挖从第一道混凝土支撑底-6.500m至第二道混凝土支撑底-10.950m，土层厚4.45m。开挖前利用混凝土支撑养护期间，将中心岛土体标高挖低3m，直径收缩至32m，在其表面做200mm厚钢筋混

20、凝土地坪，合其将南北两座钢栈桥连成一线，形成“北进南出”的挖土通道。在混凝土支撑强度达到设计强度的80%后即可开挖第二层土。第二层土开挖也分二次进行，上皮土用0.8m3挖土机停留在支撑面向下挖土至-9.00m，挖土时用土将混凝土支撑覆盖，并铺上路基箱架空，使支撑不直接受力。下皮土用0.4m3挖土机进入支撑下部停留在-0.900m工作平台开挖至-10.950m。由0.4m3挖土机将土传递给0.8m3挖土机，再由0.8m3挖土机将土传递给停留在中心岛上的2m3挖土机装车运出。第三层土开挖从第二道混凝土支撑底-10.950m至基础垫层底-14.150m，土层厚3.2m。由于第三层土开挖时，大量的工程

21、桩冒出，并且两道混凝土支撑之间的净空高度较低，因此支撑下部的挖土采用0.125m3挖土机和人工相结合的方式进行。随着第二层土挖土结束，中心岛的土体形成三阶平台放坡，上部直径收缩至15m左右，从上至下平台处布置2m3挖土机、0.8m3挖土机、0.4m3挖土形成接力形式。第三层土由0.125m3挖土机和人工结合将基坑角部和边缘的土方传递至中心岛处，再由中心岛处的挖土机装车运出。中心岛的土方最后布置一台加长臂挖土机停留在钢栈桥上挖除。挖土结束后，停留在基坑底部的挖土机由50t汽车吊吊离基坑。基坑开挖实行信息化施工，在施工前后及施工过程中，对支护本身或对象的动态变化进行了监测，并把这种信息及时反馈到施

22、工过程，做出安全性评估，必要时采取适当的临时支护措施，以确保边坡的稳定和安全。相邻建构筑物、地下管线、地下工程等保护对象的沉降、水平位移和异常现象对深大基坑的监测内容通常包括：a.支护结构的位移和内力（弯矩）；b.支撑轴力变化；立柱的水平位移、沉降或隆起；c.坑周土体位移及土压力变化；d.坑底土体隆起；e.地下水位及孔隙水压力变化；实测结果显示基坑最大水平位移为65.02mm，比设计计算值小16.02mm，第一道钢筋混凝土支撑最大轴力为16391KN，比设计计算轴力小528KN，第二道钢筋混凝土支撑最大轴力为21330KN，比设计计算轴力小6699KN，说明基坑开挖过程中，支护结构的受力和变形

23、始终处于受控状态。5.5 工程小结本工程基坑支护设计从节约投资成本方面考虑，对处于周围环境相当复杂且开挖深度达13.350m的基坑，采取钻孔灌注桩挡土和两道钢筋混凝土支撑相结合的支护结构体系达到了预期目的。采用内外双圆支撑体系，使基坑开挖受力均匀，并在中部形成一个较大的挖土空间，为土方开挖带来极大方便。在基坑北侧、南侧重新布置围护结构区域，未采用深层搅拌桩作止水帷幕，而采用深井泵降水防渗，既降低了工程造价，又大大减少桩体内力，对环境未造成不良影响，具有很好的推广价值。6 结束语深基坑支护工程是近二十年来随着城市高层建筑发展而发展的一门新的实践工程学，它还有待于理论上的完善，如何取一种在经济技术上都合理的支护类型就必须充分考虑现场环境、工程地质条件以及工程要求。参考文献 建筑基坑支护技术规程简明施工计算手册 土力学地基和基础 深基坑支护工程设计技术