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高層建筑地下室基坑支護工程結構設計與施工處理
2013年12月09日

    1、工程概況

  湖南某建筑工程東面為小區道路,距路邊約20m;南面為單層臨建某酒店,間距約5.5m,該臨建基礎采用φ600噴粉樁,樁長約15m,但現場觀察有部分墻體有不同程度的開裂,是基礎不均勻沉降引起的,如果地下室深基坑支護結構有較大變化,就會對該酒店造成較大不利影響;西面為圍墻,距離約10m,北面是八層宿舍樓,間距約13m。該建筑物占地成矩形,長55.52m,寬18.5m。總建筑面積約15500m2,樓高15層,設一層地下室,地下室層高分別為4.4m和3.4m,但外露0.9m在地面上。場地自然標高約為-0.90m,地下室基礎承臺墊層底標高分別為-6.4m和-7.35m,即地下室挖土深度分別為5.5m及6.45m,具體布置詳見圖1。



  2、地質條件

  按地質鉆探資料提示,地質情況按孔深分層如下:0~3.7m為雜填土,松散;3.7~16.7m為淤泥質粘土,飽和流塑;16.7~24.1m為中細砂角礫層,飽和,中細砂松散,角礫稍密;24.1~26.6m為粉質粘土,飽和硬塑;26.6~29.3m為粉質土層,濕堅硬;29.3~55.5m為強風化花崗片麻巖。地下水位較高,地表下約0.84m。

  3、基坑支護結構設計方案的選擇

  根據該建筑物地形及鉆探資料,綜合分析該地下基坑有如下幾個特點:

  1)基坑開挖深度大。

  2)基坑開挖深度范圍內是雜填土、淤泥,土性差;地下水位較高。

  3)地下室南面距某酒店只有5.5m,且酒店有約3.0寬洗車槽場地及海鮮水池設在此5.5m范圍內。鉆孔樁,噴粉樁等機械無法靠近施工。并且一定要保證酒店正常營業,地下室施工時要保證該酒店建筑物的安全。

  通過對多種方案綜合分析,最后確定地下室基坑南面采用拉森Ⅲ型鋼板樁圍護,其余三面采用鉆孔樁φ800、φ1100圍護,鉆孔樁外側采用φ500、φ400噴粉樁聯成止水帷幕。鉆孔樁除基坑底為-7.35m部分采用兩層水平支撐外,其余鉆孔樁均采用一層水平支撐設計,鋼板樁采用兩層水平支撐設計。第一層支撐體系采用鋼筋混凝土梁(其中鋼板樁仍使用HK300C工字鋼作腰梁,節點利用焊接鋼筋錨入支撐混凝土中),中間設φ800鉆孔支承樁。第二層支撐體系采用HK300C工字鋼。由于部分基礎承臺阻擋節在二層支撐的支撐樁上,考慮到不能拖延加設支撐的時間,因而先加設支撐,然后支撐與承臺混凝土一起澆筑(見圖2、圖3)。

  此設計方案本著“安全、經濟”的原則,一方面采用鉆孔樁及鋼筋混凝土支撐,經濟合理,節省工程開支,又能保證基坑支護結構有足夠的剛度和整體性;另一方面,鋼板樁可接駁加長,使樁錘能懸空施打板樁,以解決場地限制問題;另外,鋼板樁的抗滲性能較好,鋼支撐安拆方便,施工速度快,且鋼板及鋼支撐可重復使用。



  4、支護結構設計的驗算取值

  4.1鉆孔樁的計算(按等值梁法計算)

  4.1.1r、Ck、ψk按20m范圍內的加權平均值計算,求得:r=15.9Kn/m,ψk=120;主動土壓力系數Ka=tg2(45-12/2)=0.66;被動土壓力系數Kp=tg2(45+12/2)=1.52;查表得K=1.28;eAh=rhKa=15.9×5.5×0.66=57.7kN/m2;eAq=qKa=2.64kN/m2;計算簡圖見圖4.

  4.1.2基坑面以下支護結構的反彎點取在土壓力零的d點,視為一個等值梁的一個鉸支點,計算樁上土壓力強度等于零的點離基坑底面下的距離為:y=Pb/r(K?Kp-Ka)=2.94m。

  4.1.3按簡支梁計算等值梁的兩支點反力,求得:Po=127.3kN/m,Ra=134.6kN/m。

  4.1.4計算鉆孔樁最小入土深度to=X+Y,X=10m,求得:to=12.94m;t=1.13×to=14.62m;L=h+t=5.5+14.62=20.12m。綜合考慮樁長取L=20m。

  4.1.5按剪力為零處彎矩最大,求得最大彎距:Mmax=246.8kN/m。

  4.1.6采用φ800徑鉆孔樁,每隔1100mm布置,最大彎矩設計值:Mmax=246.8×1.1×1.2=325.8kN/m樁混凝土等級為C25,通過常規方法計算,鉆孔樁選配16φ20(對稱配筋,承受最大彎矩每側配密箍)。

  4.2水平支撐GL1的截面設計

  水平支撐GL1的截面尺寸定為500×900mm,作用于GL1的豎向荷載包括GL1的結構自重g=1.25kN/m和支撐頂面的施工荷載q=9.7kN/m2,作用在支撐結構上的水平力包括由土壓力和坑外地面荷載引起的圍護墻對腰梁QL1的側向力。可按圍護墻沿腰梁長度方向分布的水平乘以支撐中心距確定,即支撐的軸向力為NO=7.5Ra=7.5×134.6=1009.5kN。

  水平支撐GL1按偏心受壓構件計算。取內力標準值綜合系數為1.2,則GL1上的彎矩M=1.2×(g+q)lo2/8=219.1kN/m;軸力為N=1.2No=1211.4Kn,為了構造簡便,GL1采用對稱截面配筋,經按常規方法計算,GL1上下各選配6φ25。

  4.3腰梁QL1的截面設計

  QL1梁的截面尺寸定為500×800mm,圍護墻沿QL1梁長度方向分布的水平反力為q=Ra=134.6kN/m,考慮八字撐的影響,QL1梁的計算跨度按規范取lo=(l+l1)/2=5.0m,QL1梁按連續梁考慮。查表知Mmax=0.107qlo2×1.2=504.75kN/m,最大剪力Qmax=0.607,qlo=408.5kN.通過正截面承載力計算及斜截面抗能力計算,選配6φ25(每側)。

  4.4工字鋼I30的強度驗算

  查表Wx=472.3×103mm2;(f)=215Mpa,得f=Mmax/Wx=106.9Mpa<(f)),所以,采用I30工字鋼偏于安全。

  4.5鋼板樁的計算

  基坑深6.5m,經驗算是一層內支撐不滿足要求,為此要用第二層內支支撐。采用現在拉森Ⅲ型鋼板樁,其截面特性:Wx=1600×103;f=200N/mm2;最大彎矩設計值:Mmax=1.2×189.2=227.04kNm/m;f=Mmax/Wx=142﹤200N/mm2;考慮到現有鋼板樁規格等因素,經驗算樁長設計為20m,保證深基坑支護結構安全。

  4.6第二道腰梁QL2的截面設計

  設計采用H鋼HK300C,其截面特征值:A=225.1×102mm2;Ix=40948×104mm4;Iy=13734×104mm4;Wx=2559×103mm3;Wy=900×103mm3;ix=135mm;iy=78mm;沿QL2梁上分布水平力q=1.2×243.2=291.8kN/m;M=0.107qLo2=780.7kNm;f=M/Wx=305<315N/mm2。

  4.7第二層水平支撐QL2截面設計

  GL2梁采用HK300C鋼梁,其自重q=1.77kN/m;自重產生彎矩M=22.2kN/m;軸向力No=7.5RB=2188.8Kn;ε=M·A/N;W=0.089<30;λ=lo/iy=117;ψb=0.374;f=2=260N/mm2﹤315N/mm2。

  以上結構設計理論值經驗算,符合設計規范要求。

  5、基坑支護結構的施工處理措施要點

  5.1鋼板樁的施工

  為避免施工打工程樁時震動及土壤擠壓對酒店的基礎影響,所以靠近酒店(平行于A軸)的鋼板在工程樁施工前先打,打完鋼板樁后在板樁背后做排水溝。

  5.2鉆孔樁及噴粉樁施工

  全部鉆孔樁均在工程樁完成后才進行鉆孔施工,鉆孔樁采用“跳打”的方式施工。噴粉樁按鉆孔樁的施工進度分段插入施工。

  5.3挖土施工及支撐的設置和拆除

  5.3.1鉆孔樁完成后,降土約1.3m深(即支撐梁面標高-2.2m),制作第一層支撐,該層支撐完成后大面積回填300mm厚土,支撐面為不少于300mm厚的準石粉石渣,這樣一方面保護支撐不被機械壓壞,另一方面有利于運泥車在場上行走。

  5.3.2地下室大面積降土時,根據加設第一層支撐后,未加設第二層支撐之前,保證鋼板樁安全的驗算挖土深度來開挖土方,并且通過研究核算決定,除坑底設計標高為-7.35m的部分和靠A軸至鋼板樁的范圍內挖土至-5.9m深,并按I-I剖面圖所示在靠近鋼板樁留設土臺外,其余部位均大面積降土至標高-6.4m。這樣,通過預留土臺,增加被動土壓力的土坑力,保證鋼板樁的安全,充分利用機械挖土,加快施工速度。實踐證明該方法是可行的,但不同的土質其留設的土臺的寬度不同。

  5.3.3第二層支撐應在挖土后兩天內加設完成,不能拖延時間,保證整個支護結構安全。

  5.3.4全部樁承臺施工完畢后,用石粉、石渣將基坑回填至于-5.9m處,這樣,使整個基坑底回復于一層支撐的深度,然后拆除第二層支撐,繼續填土至能施工地下室底板為止。

  5.3.5第一層支撐(-2.2m)待±0.00樓面施工完畢,圍堰樁與地下室外壁回填土方至-3.00標高外才拆除。

  5.4降排水處理措施

  基坑上部外圍采用集水井和排水溝聯合排水,雖然鋼板樁及粉噴樁止水帷幕抗滲性能較好,但為防止基坑開挖時的雨水、少量滲水及土層含水量的影響,基坑底四周共設8個集水井,井壁用磚砌筑,但磚縫必須疏水,井內徑為1.0m,井底標高比施工面低0.8m,井內設潛水泵,集水井用排水溝縱橫聯接。這樣,由排水溝、集水井和抽水設備組成一個簡易的降排水系統將地下水位降低至6.0m以下。

  5.5鋼板樁的回收

  完成±0.00樓面,全部支撐拆除后,采用吊車在A~B軸的樓面行車回收鋼板樁。

  6、施工監測

  為及時掌握基坑支護工程的變化動態,對該項工程采取專門監測,對所定的監測內容定時進行觀測,印制標準表格,進行數據整理,繪制位移(沉降)-時間坐標圖,以觀察各參數隨時間的變化趨勢,及時反饋信息,指導土方開挖和后續工程施工。

  觀察項目包括:

  ①觀察南面酒店及北面八層宿舍樓的軸線標高變化,在靠近基坑支護工程的墻轉角及中間各設四個三角標志;

  ②觀察東面小區道路及西面圍墻的標高位移變化,各設兩個標志;

  ③鋼板樁墻及鉆孔樁墻每隔15m設一點,觀察水平位移和垂直度。

  監測結果表明:從挖土到地下室工程完工,共進行18次監測,在整個監測過程中,圍堰的位移、傾斜、支撐變化均正常,周圍建筑物、道路、管線安全。主要監測結果如下:

  ①南面酒店的軸線無變化,最大沉降量為3mm。

  ②東面小區道路及西面圍墻無明顯變化。

  ③鋼板樁最大傾斜13mm,最大移位為18mm;鉆孔樁的最大位移為4mm,無明顯傾斜面。監測結果也說明此基坑支護結構設計方案是十分成功的,并且說明采用鋼板樁和鉆孔樁,鋼支撐和鋼筋砼支撐所組成的基坑支護結構,剛度及整體性良好。

  7、基坑支護結構技術經濟分析

  該基坑支護結構的總造價約為252萬元,總設計基坑支護長度為156.95m,平均每延長米的費用為1.6萬。基坑支護結構施工工期為52d。這對于主要土層內磨擦角僅為9°且挖土深度超過6m的地下室基坑支護工程來說是比較經濟和省時的。

  8、結論與設計體會

  8.1地下室基坑支護結構的設計必須滿足強度和變形兩個方面的要求,特別是變形問題。

  8.2針對不同的情況,采用因地制宜的圍護措施,不僅能達到圍護目的,而且經濟省時。本工程基坑圍護針對不同現場情況,不同開挖深度,綜合采用了鉆孔樁、鋼板樁、卸土、挖土預留土臺、鋼筋混凝土內支撐和鋼內支撐等方法,即達到設計的目的,而且圍護費也合理。

  8.3內支撐的設置不僅滿足整個支護結構計算內力的合理性,同時還要為方便施工創造條件。本工程設上、下兩層支撐均采用對撐及角撐,不僅滿足設計內力要求,而且有利于機械挖土,且第二層支撐采用工字鋼,用電焊聯接,施工靈活方便,縮短工期;工字鋼可回收重復使用,降低基坑支護費用。

  8.4鋼支撐與工程基礎承臺一起澆筑,安全性大大提高,且不影響承臺受力,加快施工速度。

  8.5對基坑支護結構及周圍建筑物的監測,實行信息化施工,不僅使施工具有科學性,確保施工安全,也為優化設計合理組織施工提供可靠依據,節省了工程造價。

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