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協(xié)會刊物
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密集建筑區(qū)軟土深基坑支護設(shè)計與施工 |
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時間日期：2008-5-21 已被閱讀次：[10118] |
廣東省六建集團有限公司 李奇遜 劉艷秋 莫家權(quán) 徐建邦 雷元新
[摘 要] 本文就珠江三角洲地區(qū)舊城改造中，一個較典型的密集建筑區(qū)軟土深基坑支護設(shè)
計與施工實例進行分析探討，提出一種較新的深基坑支護設(shè)計方法。
[關(guān)鍵詞] 深基坑；支護設(shè)計；剛架式支護；預應(yīng)力垂直錨桿；基坑監(jiān)測
1.前言
當前，在廣東珠江三角洲地區(qū)的舊城改造工程遇到諸如:a)在密集建筑區(qū)建高層，基坑
開挖要考慮與相鄰建筑及城市管道之間的影響；b)隨著高層建筑的增多和功能的需要，許多
工程都要求修建占地面積大且形狀不規(guī)則的兩層甚至多層地下室；c)珠江三角洲屬沖積平原
、軟土層較厚、地下水位高、含水層透水系數(shù)大等問題。這些問題為這類工程施工特別是深
基坑開挖帶來了新的課題，使密集建筑區(qū)軟土深基坑支護成為一個非常突出的關(guān)鍵技術(shù)。
本文謹就位于廣東珠江三角洲腹地的佛山市中醫(yī)院醫(yī)療綜合大樓深基坑支護設(shè)計與施工
的實例，探討密集建筑區(qū)軟土深基坑支護設(shè)計與施工的一種新方法。
2.工程概況
佛山市中醫(yī)院醫(yī)療綜合大樓占地面積達13671m2，建筑面積約114000m2，地下2層，地上
23層，裙樓6層，±0.000以上高度為＋100.2m，結(jié)構(gòu)形式為框架－剪力墻結(jié)構(gòu)，整幢建筑均
采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)�；悠骄谏�9.45m，最深達12.2m�；舆吪c已建房屋最窄處只有1.
7m，施工場地狹小，要求不能對周邊道路和建筑造成影響，保證中醫(yī)院的正常營業(yè)。
3.工程地質(zhì)
根據(jù)地質(zhì)鉆孔揭露情況：場地自上而下有雜填土(1)，粉質(zhì)粘土(2)，淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、
淤泥(3)，粉細砂、中砂(4)，粉質(zhì)粘土、粘土、粉土(5)，淤泥質(zhì)粘土(6)，粉細砂、中砂(7
)，殘積粉質(zhì)粘土(8)，強風化泥巖(9)，中風化泥巖(10)，微風化泥巖(11)，場地地下水主
要為地表水回滲和第四紀潛水，主要賦存于填土層和第四紀飽和砂層中，富水性屬中等，地
下水位埋深0.40～1.45m。
4.支護方案的選擇與設(shè)計
4.1.方案的選擇
根據(jù)本工程蒸坑施工場地的特點，主要提出以下三個方案：
a)方案1：單排(φ900樁，間距1100)懸臂鉆孔樁、二排深層攪拌樁支護結(jié)鉤。
b)方案2：單排(φ800樁，間距1000）鉆孔陣加鋼筋混凝土架內(nèi)支撐、排深層攪拌樁支
護結(jié)構(gòu)。
c)方案3：東、南、西3側(cè)采用雙排（φ900樁，間距2200，排距3150）鉆孔樁、2排深層
攪拌樁（在鉆孔樁間距2200跨中增加2條第3排深層攪拌樁）支護結(jié)構(gòu)。北側(cè)采用單排(φ100
0樁，間距1200）鉆孔樁，后排增加垂直預應(yīng)力錨桿樁、（φ900樁，間距3600），受場地限
制，排距1100～2150不等)，2排深層攪拌樁支護結(jié)構(gòu)。
經(jīng)專家對上述三個支護方案進行比較論證，認為方案三支護結(jié)構(gòu)方式先進合理，支護體
系變形移小，有利于開挖和地下室施工，能縮短工期，能較大幅地降低造價，因此最后確定
選擇采用方案三。但是這種支護結(jié)構(gòu)也有其開挖太深、樁間距過大、樁間土改良不理想所帶
來的缺陷，造成穿孔漏水、地面下陷的風險。
4.2.方案的設(shè)計
4.2.1.基坑支護方案的設(shè)計
a)根據(jù)工程特點、場地四置關(guān)系以及地質(zhì)、地下水情況，本工程基坑開挖的支護、防滲
采用如下設(shè)計方案：
1)工程北面玻璃樓至健力寶大樓段采用單排樁，間距1300，直徑為φ1000鉆孔樁，并在
其后每隔3.6m加一條φ90預應(yīng)力垂直錨桿鉆孔樁（鉆孔樁內(nèi)加預應(yīng)力垂直錨桿，排距因受場
地限制從1.1～2.15m不等）作基坑支護。
2)其余部位采用雙排φ900鉆孔樁，以間距2.2m、排距3.15m呈梅花形布置，作為垂直擋
土的支護結(jié)構(gòu)。
3)在前后排鉆孔樁之間采用樁長為18m的φ雙排深層攪拌樁作基坑防滲止水帷幕。
4)對樁間距2.2m的支護部位為增強樁間土的抗壓能力，在雙排深層攪拌樁外增加二條深
層攪拌樁，形成拱的作用。
b)為了增加支護體的整體剛度和穩(wěn)定性，在鉆孔樁樁頂設(shè)壓頂圈梁，并將雙排樁樁頂用
聯(lián)系梁呈M型連接；在東北角、東南角、西北角位壓頂梁中部增加φ25鋼管角撐。
4.2.2.基坑降水方案的設(shè)計
a)根據(jù)地質(zhì)資料、基坑支護方案及周邊環(huán)境的實際情況，并考慮到占地面積大小、施工
難易程度、降水效果、抽水攜帶的排砂量對土層的空間結(jié)構(gòu)的影響等因素，基坑降水采用小
口徑井點降水法。
b)根據(jù)《建筑與市政降水工程技術(shù)規(guī)范》(JGJ/T111－98)，基坑出水量計算為：
Q=1.366K`(2H－S)/S/nLgR－Lg(r1•r2……rn)
=14888m3/d
單井出水能力計算公式為：
式中：Q——基坑出水量（m3/d）；K`垂直滲透系數(shù)（m/d）；R——影響半徑(m)；H—
—潛水含水層厚度(m)；L`——過濾器淹沒的長度（m）；q——管井出水能力（m3/d）；d—
—過濾器外徑（mm）；S——水位降深值（m）；a`——與含水層滲透系數(shù)有關(guān)經(jīng)驗系數(shù)；r1
•r2……rn——降水干擾井群分別至基坑中心點的距離（m）。
按單井出水能力采用江門水泵廠生產(chǎn)的J300/10深井泵，共設(shè)32個降水井。
c)降水監(jiān)測
1)在工程的東、西及北端各設(shè)水位觀測井1個。
2)對各降水井和觀測井的水位、水量進行同步監(jiān)測。
3)在基坑開挖過程中，密切監(jiān)視基坑側(cè)壁、基坑坑底的滲水情況，遇滲水現(xiàn)象出現(xiàn)，立
即查明原因，及時采取搶險措施。
4.2.3.基坑監(jiān)測方案的設(shè)計
a)監(jiān)測內(nèi)容
1)采用水準儀進行基坑支護結(jié)構(gòu)沉降、基坑周圍地表及建（構(gòu)）筑物沉降、地下管線沉
降的監(jiān)測。
2)采用全站儀進行支護結(jié)構(gòu)水平位移、周圍建（構(gòu)）筑物的傾斜及水平位移、地下管線
位移的監(jiān)測。
3)采用測斜儀進行支護結(jié)構(gòu)撓曲變形的監(jiān)測。
4)采用鋼尺量度進行支護結(jié)構(gòu)裂縫、基坑周圍地表裂縫、周圍建（構(gòu)）筑物裂縫的監(jiān)測
。
5)采用鋼筋計進行支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變的監(jiān)測。
6)采用應(yīng)力傳感儀進行預應(yīng)力錨桿預應(yīng)力值的監(jiān)測。
b)監(jiān)側(cè)頻次；土方開挖期間各項監(jiān)測每天一次，開挖完成后7d內(nèi)仍為每天一次，以后可
放寬為2～5d一次；當?shù)叵率业装逋瓿珊笳{(diào)整為10d一次；若出現(xiàn)異常情況或變形較大時，將
對觀測頻率作適當加密。
c)監(jiān)測控制標準
1)基坑支護及周圍地表沉降監(jiān)測的控制標準為≤20mm，報警標準為18mm。
2)基坑－支護及周圍地表位移監(jiān)測的控制標準為≤30mm，報警標準為25mm。
4.3.剛架式支護結(jié)構(gòu)的計算
4.3.1.計算基本假定
a)將前后排樁與樁頂圈梁看做一個底端嵌固的剛架結(jié)構(gòu)。
b)將圈梁看做沒有變形的絕對剛體，基坑開挖后，在土壓力的作用下，圈梁只能平移而
不產(chǎn)生轉(zhuǎn)角。
4.3.2.剛架式支護結(jié)構(gòu)的計算
4.3.2.1.自立式雙排灌注樁的計算
如圖2所示，采用φ900鉆孔灌注樁，作成雙排梅花式布置，樁頂用圖梁連接。該梁寬大
，與嵌固的樁腳形成剛架。
4.3.2.1.1.土壓力分析
考慮到水平截面有效厚度為1.3m(三排，部分二排0.8m)的深層攪拌樁的改土作用，將各
土層的粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ適當調(diào)高進行設(shè)計計算。
4.3.2.1.1.1.前排樁土壓力分析
基坑開挖后，雙排樁將發(fā)生位移，樁間土受到一定程度的擾動�？紤]到兩排樁的整體剛
序以及其對土體的約束作用，可以近似地認為樁間土仍處于彈性階段，即將樁間土視為受側(cè)
向約束的無限長土體。由彈性力學平面應(yīng)變問題的物理方程，則作用于前排樁背的土壓力為
；
式中：E0、v——土的變形模量、泊松比；εx——z深度處相對于水平位移而引起的橫
向應(yīng)變。
考慮雙排樁頂部圈梁作用，可近似認為：εx=0，則上式為：
由于被動土壓力的發(fā)揮與土的變形有關(guān)；當被動土壓力全部發(fā)揮時，土的變形將很大；
而為工程所不允許。因此，為方便計算對被動土壓力予以折減：
e`p=K1(γ•zKp＋2c Kp ) (2)
式中：K1——被動土壓力折減系數(shù)，一般取0.5～0.7計算。
4.3.2.1.1.2.后排樁土壓力分析：
后排樁前側(cè)向（靠基坑）土壓力按(2)計算。由于雙排樁的剛度較大，故假定后排樁土
位移仍處彈性范圍內(nèi)，即樁背土壓力介于靜止土壓力與主動土力之間，這里稱為彈性土壓力
：
σe=K2(γ•zKa － 2c Kp ) (3)
式中：K2——土側(cè)向壓力修正系數(shù)，一般取1.1一1.2。
4.3.2.1.2.自立式雙排樁的計算
4.3.2.1.2.1.前后排樁的入土深度
前后排樁的計算簡圖如圖3所示。由式(1)(2)(3)，可計算出樁前、樁后的壓力合力：
E`p=3ctoK1 Kp＋(3/2)γ•t0 K1Kp
Ea=1/2(to＋H)2γ•
E"p=3ch`K1 Kp＋(3/2)γ•h`2K1Kp
Ee=(1/2)h`K2(γ•h`Ka－2c Ka
通過對樁底取力矩，按力矩平衡條件求出前后排樁的入土深度to和h`。
t1E`p － 1.2γot2Ea≥0
t1E"p － 1.2γot2Ee≥0
同時h`滿足：
h`≥(H＋to) － btg(45°＋φ/2)
式中：γo－建筑基坑側(cè)壁重要性系數(shù)。
4.3.2.1.2.2.剛架內(nèi)力及變形分析
取單個剛架為計算單元。用為法計算，其基本方程為；
求出上式中的單位變位δij及荷載變位△ip。即可求得剛架的內(nèi)力和樁頂位移。
4.3.2.2.自立復合式密排灌注樁的計算
受現(xiàn)場場地界制，不能按自立式雙排灌注樁進行設(shè)計。采用在后排樁加設(shè)舉應(yīng)力垂直錨
桿的設(shè)計方案，如圖4所示，將組合剛架視為平面三角形狀的三個門式剛架結(jié)構(gòu)進行疊加計
算。
4.3.2.2.1.土壓力分析與自立式雙排樁相同。
4.3.2.2.1.1.自立組合試密排樁的計算
4.3.2.2.1.2.抗傾覆穩(wěn)定驗算
計算時把O`ABO作為一個剛架，把創(chuàng)作為一個轉(zhuǎn)動點近似計算。取單位寬度1m計算了計
算簡圖如圖5所示。土壓力合力為：
Ep=3ctoK1 Kp＋(3/2)γ• t0 K1Kp
Ea=1/2(to＋H)2γ•
通過對樁底O`取力矩，按力矩平衡條件進行驗算。
Ep×t1＋F×L>K×Ea (4)
式中：K－安全系數(shù)，取1.2。
取不同樁長，通過(4)式反復試算，直至滿足要求，可求得樁的人土深度。
4.3.2.2.2.剛架內(nèi)力及變形分析
設(shè)計計算時，采用隔離法，取單個剛架計算。方法與自立式雙排樁的內(nèi)力及變形分析相
同。
4.3.2.3.預應(yīng)力垂直錨桿的計算
4.3.2.3.1.錨桿軸主向拉承載力計算
根據(jù)地質(zhì)資料，取中風化巖體極限摩阻力標準值為350kPa，土體平均極限摩阻力標準值
為90kPa，錨桿軸向受拉承載力為：
Nu= [d×Σqsikli＋d1Σqsiklj＋2c(d1－d2)]=998.52kN
式中：Nu——錨桿軸向受拉承載力設(shè)計值；li——第i層土中擴孔部分錨固段長度；d1
——擴孔錨固體直徑；qsik、qsjk——土體與錨固體的極限摩力標準值；lj－第j層土中直
徑部分錨固段長度；ck——擴孔部分土體粘聚力標準值；d——非擴孔錨桿或擴孔錨桿的直
徑段錨固體直徑；rs——錨桿軸向受拉抗力分項系數(shù)，取1.3。
4.3.2.3.2.錨桿預加力值（鎖定值）取錨桿軸向受拉承載力設(shè)計值的0.5～0.65倍
N=(0.5×Nu)一（0.65×Nu）=499.26～649.04kN
取錨桿預加值（鎖定值）為600kNo4.3.2.3.3錨固段長度計算
取土層錨桿抗拔力安全系數(shù)K=1.4，土層系數(shù)Ko=1，錨固段長度計算為：
取錨固段長度為6m。
式中：Lm——錨固段長度；h——覆蓋土的高度；D——錨桿孔徑；φ——土的內(nèi)摩擦角
；γ——土的重度；c——土的粘聚力。
4.3.2.4.計算結(jié)果（表1）
5.結(jié)束語
實踐證明，在密集建筑區(qū)軟土深基坑支護設(shè)計中采用剛架式支護結(jié)構(gòu)和剛架加垂直錨桿
復合式支護結(jié)構(gòu)是成功的。特別是佛山市中醫(yī)院醫(yī)療綜合大樓地下室工程基坑面積達13671m
2基坑深－9.45～－12.2m,采用上述支護結(jié)構(gòu)顯示出其具有以下優(yōu)點：a）支護結(jié)構(gòu)形式新穎
，特別是剛架加垂直錨桿復合式支護結(jié)構(gòu)，不僅解決了基坑邊緊鄰建筑有樁基、地下室不能
打斜錨桿的難題，而且為深基坑支護技術(shù)開發(fā)了又一獨具特色的技術(shù)。b）垂直錨稈錨入巖
層，抗拉強度是錨人土層的數(shù)倍，錨桿數(shù)量較斜錨桿少，工藝簡單，工效高。C）支護結(jié)構(gòu)
整體剛度大、變形小、位移小。d)支護結(jié)構(gòu)樁埋深淺，彎矩分配合理，配筋少。e）減免了
內(nèi)支撐，方便了土方開挖和地下室施工，縮短工期30d，節(jié)省投資20％。
參考文獻
1蔡偉銘，陳友文．拱形水泥土支護結(jié)構(gòu)在馬鋼料槽開挖中的應(yīng)用．工業(yè)建筑，1995(9)
:14－18
2黃運飛著．深基坑工程實用技術(shù)．北京：兵器工業(yè)出版社，1996
3薛光瑾、熊昌康主編．結(jié)構(gòu)力學．北京：冶金工業(yè)出版社，1992
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