论软土地基深基坑支护细节分析

　　【摘要】：本文针对大型基坑支护工程实例进行了详细论述，总结水泥搅拌桩和树根桩联合支护结构在软土地基深基坑支护中的应用，体现了以水泥搅拌和树根桩为主体的联合支护结构的重大经济优势，为软土地基深基坑支护提出更经济、安全的新型支护型式。
　　【关键词】：水泥搅拌桩；树根桩；深基坑；支护结构
　　1引言
　　随着城市经济的不断发展，与日俱增的汽车消费市场带动了地下停车场朝着大型、多层方向发展，建筑物基坑越来越深，规模越来越大，而开发商为了提高自己的竞争力，千方百计降低建筑成本，这给基坑支护技术提出了更高的要求，特别是对于地质条件复杂，工程地质特性差的深基坑支护，如何在保证安全的前提下，尽最大可能降低成本，具有挑战性。
　　2工程与地质概况
　　该安置小区建筑面积2O万m2，由10栋18层住宅楼组成，设有一层地下车库，地下室面积为37500m2，基坑开挖深度为6．2m，周边总长约950m，基坑平面近似长方形，长边约380m，短边约100m。本场区地表以下有杂填土、流塑状淤泥层、以及二层透水砂层，基坑支护涉及的土体性质非常差，加上基坑周边分布有建筑物和交通繁忙的街道，同时，发包商要求基坑周边的空地作为施工场地，因此基坑支护的施工难度大且要求高。本场区“岩土工程勘察报告”推荐的基坑支护地层力学设计参数如表l。
　　表1基坑支护地层力学设计推荐参数表
　　层次 土层名称 平均厚度
　　（m） 密度
　　(Kpa/cm3) 内聚力c
　　(kpa) 内摩擦角
　　（°）
　　1 杂填土 1.8 19.0 2 20.0
　　2 粘土 1.2 18.3 18 7.5
　　3 沙砾 3.1 19.0 3 7.5
　　4 淤泥质土 1.6 17.2 14 28.0
　　5 粉砂 1.3 19.2 0 6.0
　　6 粉质粘土 4.9 18.6 16 8.6
　　
　　3基坑支护的设计
　　由于本场区土体性质非常差，周边有建筑物和街道且空地要用来搭建临时建筑和堆放建筑材料，故不可能采用放坡形式；若采用钻孔桩、挖孔桩等支护结构，造价太高。综合比较后，认为该场区采用搅拌桩和树根桩联合支护结构较为适宜。
　　3．1搅拌桩、树根桩的设计要点
　　软土地基深基坑中水泥搅拌桩及树根桩的设计．可根据工程实践经验结合基坑实际情况进行初步设计，然后通过稳定性验算进行调整设计参数，达到安全、经济的目的。水泥搅拌桩的设计主要从桩径、桩间距、桩间搭接、桩身强度、水泥掺人比以及施工工艺等几个方面考虑。水泥搅拌桩宜通过软土层或透水层进入较好的不透层1.0m—1．5m，桩径宜采用d=550mm(桩长较长，且土层较硬时，采用d：550mm桩径)。桩与桩之间搭接150mm为宜，桩身强度一般采用1.0MPa—1．3MPa，对于淤泥质土层，桩身强度不宜大于1．0MPa，水泥掺入比一般采用12％-20％，成桩采用四搅两喷工艺。
　　树根桩的设计要点也应从桩长、桩径、桩间距、桩中插入体以及成桩工艺等几个方面考虑。根据大量的工程实践，树根桩桩长以穿过软土底部进入好地层不小于1．5m，入坑底不小于0.3倍坑深为宜，对于坑壁土质很差的基坑，应适当增加其入坑底的长度，但一般不必超过1．2倍坑深。树根桩桩径可采用d=300mm较为经济合理，桩中可插工字钢或钢筋增加桩体的抗剪能力，当对基坑的变形控制较严时，可插入20a工字钢，并插至桩底，而一般情况可采用5～b16钢筋笼。树根桩的桩间距一般采取l000mm-2000mm，对于土层性质较差，或基坑深度较大的情况树根桩应适当加密。
　　树根桩在基坑支护结构中，主要起到控制土体侧向位移的作用。平面上应布在水泥搅拌桩的坑内一侧，并紧靠水泥搅拌桩。为了增加支护结构的整体性，达到更好的支护效果，在水泥搅拌桩及树根桩顶部应采用冠梁连成一体，冠梁顶部一般距坑顶1．5m-2.0m为宜，冠梁采用现浇钢筋混凝土，尺寸一般为600mm×850mm。
　　3．2支护结构计算的主要公式
　　土压力的计算，由于深基坑支护是近些年来才发展起来的工程运用学科，新的完善的支护结构上的土压力理论还没有正式提出，要精确地加以确定是比较困难的。而且由于土的土质比较复杂，土压力的计算还与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。实际应用中主动土压力强度直接采用朗肯土压力公式进行。被动土压力强度考虑地基土与挡土墙之间的摩擦力，采用下面以朗肯土压力公式表述的改进库仑公式的简化公式：
　　
　　式中：Pp一计算点处的被动土压力强度Kpa；
　　y1一计算点以上各层土的重度(KN／m)，地下水位以上，取天然重度，地下水位以下，水土合算时取饱和重度，水土分算时取浮重度；
　　h1一计算点以上各层土的厚度m；
　　kp、kph计算点处的被动土压力系数；
　　 一计算点处地基与墙面的摩擦角度(。)，取：(2／3—3／4)，且≤20。，当地基土较差时(如淤泥质粘土)取大值，反之取小值；
　　C，一计算点处的土的粘聚力(Kpa)和内摩擦角(。)，具体取值见表1。
　　支护结构的位移计算采用迭代法，假设共有m根地基梁，n根H梁(H梁为支撑系统和水平梁的总称)。考虑竖向地基梁与H梁接触处位移的协调有：
　　
　　式中：udij一地基梁位移(i=1，2，⋯，m；J=1，2，⋯，n)；
　　uhij一水平梁位移(i=1，2，⋯，m；J=1，2，⋯，n)o
　　判断DJ<JD(JD为迭代的精度差值，一般为2％一3％)，如不满足精度，继续迭代；如已满足精度，最后一次的计算结果为所求的结果。
　　3．3基坑支护方案的确定
　　根据工程实践经验并结合基坑实际地质情况，采用水泥搅拌桩和注水泥浆对土体进行加固，主要作用有：①水泥固化时吸水，可以减小该部分土体的含水量，提高土层的c、值；②可以改善支护体系的受力状况，减小树根桩的受力和配筋；③使支护体系形成箱形，提高支护体系的整体刚度，减小基坑的变形。根据有关参考资料和经验，经加固处理后土体的内聚力为50kPa以上，内摩擦角为25。以上。故被动土压力强度计算层，适当提高内摩擦角和内聚力，取内摩擦角=25。，内聚力c=50kPa；主动土压力强度计算层采用勘察报告中土的抗剪强度指标的统计结果(见表1)。
　　初步估算、综合比较、分析，本基坑支护方案选用水泥搅拌桩和树根桩联合支护形式。初步确定的基坑支护方案如下：
　　(1)树根桩进入粉质粘土层，深度为12．5m，间距为800mm，桩径为300mm，树根桩上部空2．1m做冠梁，树根桩的有效长度为10．4m，树根桩中配5根16的螺纹钢筋，钢筋笼长度到底，砼强度C25。
　　(2)沿树根桩外侧布置双排搅拌桩加固土体并作为止水帷幕，第一排搅拌桩与第二排搅拌桩平面错开成梅花形布置，加固深度为7．2m一7．7m，桩径小为550mm，间距为400mm，第一排搅拌桩上部空2．1m做冠梁；为了增加挡土墙的抗剪强度，第一排搅拌桩每隔一桩插入一根直径70mm到底的钢管(对应树根桩的搅拌桩不插钢管)，第二排搅拌桩上部插入直径2Omm长2．5m的钢筋；桩身强度1．2MPa。
　　(3)树根桩和第一排搅拌桩上部做冠梁连成一体，冠梁采用C25砼现浇，配1O根16mm的螺纹钢筋，截面尺寸为600mm×850mm。冠梁下设一排预应力花钢管锚杆，间距1．6m，锚长14m，其中自由段4m，锚固段10m，与水平方向的夹角为15。。
　　(4)基坑底部沿树根桩脚边注水泥浆加固，加固宽度为3．5m，深度为4m。按照上面的初步设计方案以及相应参数进行计算。计算的最大弯矩为683kN•rrdm，最大剪力为147kN／m，最大位移为32mm。根据计算的结果表明．该设计方案是安全可靠的。基坑剖面示意如下图：
　　图1基坑剖面示意图
　　4搅拌桩和树根桩联合支护的施工
　　4．1工程施工布局
　　根据本工程的特点，基坑开挖涉及的土体性质非常差，基坑土方开挖量大，若一次开挖基坑土方之后再施工冠梁和预应力花钢管锚杆，势必给施工带来许多困难，并且在大量基坑土方开挖、冠梁及预应力花钢管锚杆施工过程中，基坑的变形会发展很快，可能影响基坑和周围建筑物的安全。综合这些因素，我们决定在树根桩施工完成后，先在树根桩的外侧施工双排搅拌桩；外侧搅拌桩施工完成后再开挖基坑土方，基坑土方开挖分几次先后进行，第一次开挖基坑四周6．5m宽土方到一2．5m处；此时开始施工冠梁，接着施工预应力花钢管锚杆；在冠梁及预应力花钢管锚杆施工过程中，基坑中央的土方可以先进行开挖，待冠梁及预应力花钢管锚杆施工完成后，才把四周的基坑土方开挖到基底；开挖到基底时，立即进行注水泥浆加固处理。
　　4．2施工要点和难点的解决
　　结合本工程土体中含水量大的具体情况，采用喷粉法施工水泥搅拌桩，该法在含水量大的地层中成桩质量稳定、效果好。根据本工程工期紧的特点，采用近年来才有的组合式多轴深层搅拌机，可一次形成四轴(轴距560mm，直径D700mm)正方形或条形排列、深26m的搅拌桩，大大加快了施工进度，具有造价较低、设备先进和工期较短等优点。为了保证搅拌均匀，本工程采用四搅两喷工艺，掺灰量和提升速度以试桩时确定的合适量为控制，水泥掺入量控制在14％一16％为妥。现场施工时常发生“抱团”现象，由于搅拌头上形成很大泥团与钻头一起旋转，导致搅拌不均。经过分析发现是由于土体粘性较高的原因，后来通过更换钻头，使钻头叶片的大小、倾角和叶片距等更适合搅拌作业，并且及时清理钻头和适当减慢提升速度，以确保成桩质量。
　　5基坑监测情况
　　施工监测技术的任务是配合施工过程动态测量地层各点的水平侧移、垂直位移及地面沉降、建筑物变形和地下水位变化情况，把测量结果及时反馈于施工过程，指导施工和实施控制，防止施工事故的发生。监测分为两类，地层水平位移观测和地层垂直位移。地层水平位移监测采用测斜管观测监控，地层垂直位移采用观察地面沉降的方法监测，观测过程配合基坑施工进行。
　　5．1基坑测点布置与测斜管埋设
　　根据基坑施工要求和场地环境条件的实际情况，在基坑边缘、周边建筑物设置测点28个，并在基坑边缘布置了6个测孔以测量地层深部位移以全面了解基坑变形情况。测斜管埋设时，采用120型钻机成孔，钻进过程中用泥浆护壁，以防孔壁坍塌。钻至粉质粘土层2O0m以下方可终孔，钻孔平均深度为l2m。放置测斜管后，在孔壁和管壁之间回填砂土。测斜管的埋设过程如下：定位放点一钻机就位一调整钻杆垂直度一下管钻孔一泥浆护壁一终孔一埋设测斜管一回填沙土一设置保护盖。
　　5．2变形观测
　　测斜管主要用于测量地层的水平变形。测斜管可测量施工地层垂直剖面各点的东西和南北方向水平位移，较准确地评价施工安全性及对邻近设施和地层的影响。当基坑开挖时开始监测各剖面的测斜、地面沉降，地下室施工完成后结束测量，在施工的全过程均进行观测。施工监测的重点时段为：基坑开挖到基底与地下室底板施工完成的这一时间段。测斜管测量工艺如下：测试仪调试一探头对槽一探头滑到孔底一探头上提一记录数据一探头提出孔外一探头转向90。槽一重复3—6操作一测量结束。
　　5．3实测数据与计算值的对比分析相应各测斜管l、2、3、4、5、6位置的计算位移和实测位移的对比见表2：
　　表2实测位移与计算位移的比较
　　
　　 基坑开挖到基底时相应各测斜管1、2、3、4、5、6位置的实测位移曲线见图2(向基坑内位移为正)：
　　
　　 图2基坑开挖到基底时实测位移曲线
　　通过整个基坑工程施工过程中的检测结果表明，大多数测点的实际位移值与计算值基本一致，相差并不大。说明水泥搅拌桩和树根桩联合支护结构形式在软土地基深基坑支护中是可行的，其安全性在工程实践中已得到考验。
　　6结语
　　经大量实践证明，水泥搅拌桩具有止水效果好、造价低的优点而被广泛采用。水泥搅拌桩在软土地基基坑支护中，可有效地阻止软土的滑移和管涌现象，降低基坑的支护难度，为基坑工程顺利进行起着重要的作用。
　　参考文献：
　　[1]竺松,龚迪快,许冠.软土深基坑支护结构设计实例[J].山西建筑,2010,(22).
　　[2]胡楚旺.深基坑支护工程技术的浅析[J].陕西建筑,2010,(06).

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