悬臂双排桩深基坑支护新体系的研究与应用.doc

目 录1.1 课题的背景与提出31.2 悬臂双排桩深基坑支护新体系研究31.2.1 支护体系方案优选31.2.2 支护体系受力机理41.3 悬臂双排桩深基坑支护新体系在佛山中医院医疗综合大楼的应用61.3.1 工程概况61.3.2支护体系设计61.3.3 保证支护体系桩土共同工作的措施91.3.3.1 深层搅拌桩帷幕拱91.3.3.2 支护体系施工工艺流程91.3.3.3基坑降水改善土体的力学性能101.3.4 后排桩加设预应力竖向锚索111.3.4.1 施工工艺流程111.3.4.2 预应力锚索的施工工艺121.3.4.3 预应力锚索的张拉及质量控制121.3.5 其他技术与构造措施131.3.5.1 优化土方开挖顺序131.3.5.2 加设角部支撑141.3.6 基坑及支护体系的变形与沉降观测141.3.6.1 监测内容与方法151.3.6.2 监测频次151.3.6.3 监测控制标准与监测结论151.4 关键技术、实施效果与创新161.4.1 关键技术161.4.1.1 考虑桩土共同工作的支护体系161.4.1.2 桩预应力竖向锚索的支护体系161.4.2 实施效果 171.4.3 创新171.4.3.1 计算模式的创新171.4.3.2 竖向锚索的应用171.4.3.3 支护高度的突破171 悬臂双排桩深基坑支护新体系的研究与应用1.1 课题的背景与提出随着城市建设的发展，高层建筑逐渐增多，城区建筑物日益密集。由于使用功能和开发地下空间的要求，高层建筑一般都设计有较大平面尺寸和深度的地下室。地下空间的开发涉及到深基坑的安全，这对座落于软土地基上的建筑密集地区尤为重要。在软土层厚、地下水位高的地区，基坑周边建筑密集、邻近城市道路、车流、人流量大，且市政管网复杂的条件下，如何保证基坑开挖时边坡稳定、周边环境安全、正常的生活和工作秩序不受影响，是工程施工首当其冲的重大技术难题。如何因地制宜、因时制宜地优选基坑支护方案直接涉及到保护周边环境和开挖安全，是工程施工的头等大事。基坑有多种支护体系，确定的原则是在保证基坑安全和周边环境安全的前提下，从工期、费用等因素综合考虑优选。佛山市中医院医疗综合大楼的深基坑支护体系，正是考虑了上述诸多因素，对深基坑支护技术发展和创新的一个成功范例。1.2 悬臂双排桩深基坑支护新体系研究1.2.1 支护体系方案优选软土高水位地区的深基坑通常采用的支护体系有：桩锚体系、桩排内支撑体系及地下连续墙体系，并根据地下水情况采取降水或止水帷幕等措施。桩锚体系受到建筑红线以及邻近建筑地下结构的限制，近年来已不多采用。对于开挖平面大的基坑，桩排内支撑体系需要设置结构复杂内支撑体系，因内支撑必须与开挖交叉进行，不仅工期长、费用高，而且对土方工作面也有一定影响；地下连续墙也存在需要设置内支撑、工期长、费用高、影响开挖工作面的问题。对于佛山市中医院医疗综合大楼（以下简称综合大楼）工程，上述方案都不是最佳选择，需要另辟蹊径，寻找既能保证基坑和环境的安全，又有更好的技术经济效益的支护方案。过去曾有少数工程采用过双排灌注桩加止水帷幕的支护体系，双排钻孔灌注桩是按2.0m或更大一些的排距设计，桩顶设置冠梁（冠梁沿纵向和两排桩之间设置），按门式刚架考虑，另设水泥土桩（深层搅拌桩或旋喷、摆喷桩）做止水帷幕。因支护挡土高度一般在6.5m左右，计算模式与实际的设置状况有差异，所以采用此支护体系的工程都不同程度的存在一定的失误，效果不够理想，因此这种支护体系没有得到推广应用。但是在挡土高度不大的情况下，这种支护体系具有刚度较好，而且坑内没有任何障碍、方便挖土等优点，这给了我们启发：能否找到一种有足够刚度和稳定性又不需要设置内支撑的支护体系作为综合大楼基坑支护方案呢？课题组就这一课题开展了技术攻关。课题组分析了工程所在地的工程地质、水文地质和周边环境情况，研究并确定了以下两种支护设计方案及相应的降水措施： 考虑桩土共同工作的悬臂式双排桩支护体系采用双排钻孔灌注桩，在桩排之间设深层搅拌桩帷幕。在钻孔灌注桩顶设纵向冠梁和横向连梁以发挥桩的整体作用；深层搅拌桩既形成了止水帷幕又加固了桩排间的土体，在此基础上靠前排桩将深层搅拌桩另加两条形成土拱，形成桩土共同工作的双排灌注悬臂式深基坑支护体系。 桩预应力竖向锚索支护体系因基坑北边场地狭窄、布桩困难，故采用了钻孔灌注桩与竖向预应力锚索共同工作的支护体系。 在基坑内布置的降水井，起到降低基坑内地下水位、疏干基坑内土体、便于开挖外运的作用，同时基坑内土体含水率降低，被动土压力得到一定程度的提高，有利于减少支护体系的变形，提高支护体系的稳定性。1.2.2 支护体系受力机理1.2.2.1 考虑桩土共同作用的双排钻孔灌注桩结合深层搅拌桩支护体系以及钻孔灌注桩加竖向预应力锚索体系。这是两种创新的支护体系，本文以全新的视角来对其受力机理进行分析。以往对双排桩的分析方法是将双排桩视为刚架，采用土力学原理来进行计算，但这种方法并未反映支护体系的受力机理。对于深大基坑施工，开挖深度往往较大，不同于普通刚架，由于连接两排钻孔灌注桩的冠梁刚度比桩小许多，因此不能将其视为刚架。其异常复杂的受力机理给支护体系设计带来很大困难，因此必须采用接近实际受力状况的简化方法对其受力机理进行分析。由于桩本身侧向刚度较小，桩抵抗水平荷载能力较差，因此采用双排灌注桩，两排桩桩顶用冠梁连接，中间采用深层搅拌桩做止水帷幕，双排桩和深层搅拌桩共同构成支护结构体系。由于深层搅拌桩改变了土体的力学性质，被加固的桩间土体可以考虑桩土共同工作，两排桩中间土体可按照有限元的分析方法，将土体转化为若干二力杆，这样整个支护结构体系就可以视为悬臂式的等代桁架，桩间土体参与刚度分配，从而支护体系的侧向刚度大大提高，尤其是通过冠梁的连接，使得支护结构具备整体性，从而其抵抗变形能力大大提高。桩土共同工作支护体系受力机理如图1.1所示。图1.1 桩土共同工作支护体系受力机理示意图1.2.2.2 采用预应力竖向锚索共同工作的计算模式是前排桩如一般单排桩的受力状况，竖向锚索的预应力在一定程度上起到了平衡主动土压力，减少支护体系向基坑内变形、增加基坑稳定性的作用，桩预应力竖向锚索共同工作的悬臂式支护体系作用机理如图1.2所示。图1.2 桩预应力竖向锚索共同工作的悬臂式支护体系受力机理示意图1.3 悬臂双排桩深基坑支护新体系在佛山市中医院医疗综合大楼的应用1.3.1工程概况佛山市位于广东珠江三角洲腹地。佛山市中医院医疗综合大楼位于佛山市汾江中路与亲仁路交汇处，工程占地面积达13671m2，建筑面积约114000m2，建筑高度为89.1m。地下2层，地下室总面积21000 m2，地上23层，裙楼5层，结构形式为框架-剪力墙结构，场地地层土主要由杂填土、冲积成因的粘性土、淤泥质土、砂土、残积成因的粉质粘土，以及强风化、中风化、微风化泥岩组成。场地地下水位高、穿越淤泥软土和含水细砂层。基坑地质构造如图1.3所示。图1.3 基坑地质构造示意图基坑开挖范围东西长约140.2m，南北宽平均约72m，现场周围地面标高约-0.50m。基坑平均挖深9.45m，最深达12.2m（电梯井处）。东北两侧紧邻建筑密集区，西南两侧紧靠城市主干道，施工用地十分窄小。基坑边与已建房屋最窄处只有1.7m，施工时既不能对周边道路和建筑造成不利影响，还要不影响医院正常工作。医院地理位置及周边环境如图1.4所示。1.3.2支护体系设计根据1.2的分析成果，结合基坑开挖的实际情况：支护桩长近20m（15.85m19.75m），确定桩间距、排距、锚索的锚固长度等相关参数。基坑平面布置图如图1.5所示。钻孔灌注桩、深层搅拌桩及其相互位置如同1.6、图1.7所示。图1.4地理位置及周边环境图图1.5 基坑平面布置图图1.6 桩土共同工作的双排桩相互位置平面图图1.7 桩与预应力锚索共同工作的双排桩相互位置平面图在基坑的东、西、南边采用桩土共同工作的双排悬臂桩支护体系，即用900钻孔灌注桩按排距3.15m、桩距2.2m梅花型布置，两排桩间用两排500间距300mm的深层搅拌桩形成加固土体和止水帷幕，灌注桩桩顶放置纵向冠梁1000mm500mm，冠梁间设500mm500mm连梁。基坑北侧坑边与已有建筑物之间场地狭窄，采用了双排桩预应力竖向锚索共同工作的悬臂支护体系，双排桩间距仅1.1m2.1m，即前排桩为1000、桩距1.2m的钻孔灌注桩，后排桩按桩距3.6m布置，中间用两排500、间距300mm的深层搅拌桩作止水帷幕。在钻孔灌注桩顶设两条1000mm500mm纵向冠梁，冠梁间用“M”形500mm500mm梁连接。如图1.8所示。图1.8 双排悬臂桩支护结构大样图1.3.3保证支护体系桩土共同工作的措施支护最高达9m的桩土共同工作的双排悬臂桩支护体系是综合大楼施工的一项创新，其要点在于桩土共同工作，因此应有以下措施保证创新设计的实现。1.3.3.1深层搅拌桩帷幕拱深层搅拌桩帷幕拱既有止水作用，又有加固土体、保证桩土共同工作的作用，必须保证桩身质量和桩与桩间搭接严密。需要控制好每根深层搅拌桩单位长度的水泥用量，控制提升搅拌速度和重复搅拌次数，控制好桩与邻近桩施工的间隔时间。为了保证双排桩与土体的共同作用，在双排深层搅拌桩后局部另增加了两条深层搅拌桩，使之形成土拱，如图1.9。为了使搅拌桩与灌注桩之间更好的结合，改变了传统的先施工钻孔灌注桩、后施工深层搅拌桩的顺序，采用了先施工深层搅拌桩、后施工钻孔灌注桩的顺序，这种“硬咬软”的施工顺序使得两种不同类型的桩结合的更好，有效改善桩间土体的力学性能。图1.9 钻孔灌注桩深层搅拌桩平面位置示意图1.3.3.2支护体系施工工艺流程对于双排钻孔灌注桩先施工深层水泥土搅拌桩，再钻孔灌注桩。双排桩施工工艺流程如图1.10所示。施工测量定位深层搅拌桩帷幕施工*钻孔灌注桩施工测斜管设置工程桩施工冠梁体系施工水平角撑安装降水井施工预降水土方开挖观测点埋设*为使支护桩能较好地与深层搅拌桩“咬合”，取得较好的止水效果，深层搅拌桩应先于钻孔灌注桩施工。图1.10 支护结构体系施工工艺流程图1.3.3.3基坑降水改善土体的力学性能为了便于开挖施工，提高基坑内土体的被动土压力以及改善桩间土体的力学性能，采用了深层搅拌桩止水帷幕（深18.0m）阻隔基坑外的地下水、基坑内疏干降水的方法（井点降水）来改善钻孔灌注桩间土体的力学性能。降水井点平面布置如图1.5所示。 降水方案的选择 基坑内降水采用“小口径井点法”降水，这种方式降水占地面积小，容易施工、易维护、降水效果好，其排泄方式为径流渗透积累排泄，抽水携带的（排）砂量小，基本不会破坏土层的结构。 降水井布置 根据岩土工程勘察报告：渗透系数取4.7m/d，含水层厚度取其平均值12.3m，单口井深18.5m，影响半径取30m，降水为12m。按建筑与市政降水工程技术规范(JGJ/T111-98)第6.4.3条中的（6.4.3-1）式和第6.4.5条中的（6.4.5-1）式计算单井出水量后，选用佛山水泵厂生产的2TC30离心式自吸泵，流量28m3/h，确定在基坑周边布置需28口井，坑内电梯井加深坑部位布置4口井。经计算，离心泵每天工作12.4h，可满足降水要求。 降水监测在工程的东、西及北端各设水位观测井1个。对各降水井和观测井的水位、水量进行同步监测。抽水开始后，在水位未达到设计降水深度以前，每天观测三次水位、水量。 当水位已经达到设计降水深度，且趋于稳定时，则每天观测一次。在基坑开挖过程中，密切监视基坑侧壁、基坑坑底的渗水情况，遇渗水现象出现，立即查明原因，及时采取抢险措施。 基坑降水效果降水期间，基坑外地面沉降极其微小，基坑壁没有渗水和桩间土塌落的情况，说明止水帷幕有效、降水适度。在不影响环境的情况下，土方开挖和0.00以下工程顺利施工。说明止水、降水方案是成功的。1.3.4 后排桩加设预应力竖向锚索基坑北紧邻已有建筑，空间狭窄，只能布置1000，间距1.2m双排桩、排距1.12.1m。在临边环境严峻而场地比较狭窄的地段，双排桩排距不能满足设计要求，为了提高支护体系的稳定性、减小变形，采用桩预应力竖向锚索体系。支护体系大样如图1.11所示。图1.11 桩预应力竖向锚索体系1.3.4.1 施工工艺流程支护体系的施工工艺流程如图1.12所示。施工测量定位深层搅拌桩帷幕施工*位支护钻孔灌注桩施工位后排桩内锚索施工冠梁体系施工测斜管埋设水平角撑安装土方开挖工程桩施工降水井施工预降水观测点埋设*为使支护桩能较好地与深层搅拌桩“咬合”，取得较好的止水效果，深层搅拌桩应先于钻孔灌注桩施工。图1.12 支护结构体系施工工艺流程图1.3.4.2预应力锚索的施工工艺预应力锚索是用3j15.2的1860级高强预应力钢绞线制作，是在后排桩混凝土达到强度的20%后，钻130孔穿透全桩直至深入中风化岩层6.5m。将钢绞线装好固定端锚头后，三根一束放至中风化岩孔的底部（有预应力监测的钢绞线要事先埋好应力传感器），放入的无粘结预应力钢绞线塑料保护套应确保完整无破损（若有局部破损应及时用胶带修补），钢绞线间无交叉。预应力钢绞线就位并固定后，用水泥砂浆进行压力灌浆（用P.O42.5水泥、水灰比0.4左右配制）。灌浆压力按0.40.5MPa控制。当水泥砂浆强度达到30MPa时进行张拉，张拉按600kN/束控制。1.3.4.3预应力锚索的张拉及质量控制预应力锚索张拉准备380V.32A电源箱，安装千斤顶，连接好油路系统，空机进行运转，确认机件正常后再张拉。张拉时按二次循环张拉，第一次张拉20%控制应力值,持荷3分钟， 第二次张拉控制20%, 控制应力值持荷3分钟，第三次张拉以进行超张拉，持荷2分钟后，卸荷至预应力筋的张拉控制应力值。张拉作业以控制张拉力为主，实际伸长值与计算值核对，即实际伸长值与计算伸长值偏差在-5%10%范围内，若超出此值时应立即停止张拉，检查原因，采取措施排除偏差后才能继续张拉。张拉完毕后，预应力钢绞线离锚具端部不小于400mm处，用手提砂轮将多余预应力钢绞线切除。质量保证措施无粘结预应力钢绞线盘料应分类堆放，盘径不小于2米，在通风干燥处，露天堆放时，不得直接与地面接触，并采取覆盖措施。运料及吊装时，吊点要用麻包缠绕，轻装轻放，防止塑料外套破裂。无粘结预应力钢绞线严格按设计要求下料，其长度允许偏差为 105 mm。检查塑料外套是否破裂。若发现破裂，及时用防水胶带缠绕修补。胶带搭接宽度不小于胶带宽度的1/2，缠绕长度必须超过破损长度的一倍。无粘结预应力钢绞线安装时，必须垂直，严禁交叉穿插，并保证足够1米的张拉长度。组装承压板时必须平正，严禁倾斜。严禁电弧焊接触无粘结预应力钢绞线及锚具。无粘结预应力钢绞线张拉机具及仪表必须由专人使用和管理，并定期维修和校验。当张拉设备出现反常现象时或千斤顶检修后必须重新检验标定。无粘结预应力钢绞线张拉完后，用砂轮锯切断超长部分，严禁用电弧切断或冲击锚具。1.3.5其他技术与构造措施1.3.5.1 优化土方开挖顺序土方开挖顺序对基坑支护体系的变形有一定的影响，因此结合实际情况优化土方开挖顺序很重要。土方开挖前先进行连续7昼夜的基坑预降水，将水位降至设计高度，然后再开挖。土方开挖分四个区、两层进行，阶梯形挖土后退，开挖从东至西逐段推进。开挖一个区，即进行该区的垫层、承台胎模等基础施工，然后进行下一个区的开挖施工，逐段向前推进。1.3.5.2 加设角部支撑为了减少基坑变形、增加支护体系的整体刚度及整体稳定性，在基坑四个角部冠梁顶及-3.5m处用325钢管设置了两层两道临时水平钢管角撑，支撑设置如图1.13所示。图1.13 钢管水平角撑示意图图1.14 基坑监测点平面布置图1.3.6 基坑及支护体系的变形与沉降监测为了及时判断基坑支护体系的工作状况，施工对周边环境的影响程度，深基坑工程必须按信息施工的原则，在有代表性的关键部位布置监控点，基坑监测点平面布置如图1.14所示。按确定的制度及时监测、及时反馈信息，以便采取必要的对策，将可能发生的突发事件消除在萌芽状态，确保基坑及周边环境的安全。1.3.6.1监测内容与方法用测斜仪进行支护结构变形的监测。用钢筋计、频率计进行支护结构应力应变的监测。用应力传感器进行预应力锚索预拉力值的监测。用水准仪进行基坑支护结构沉降、基坑周围地表及建（构）筑物沉降、地下管线沉降的监测。用全站仪进行支护结构水平位移、周围建（构）筑物的倾斜及水平位移、地下管线位移的监测。用钢尺量度进行支护结构裂缝、基坑周围地表裂缝、周围建（构）筑物裂缝的监测。1.3.6.2监测频次土方开挖期间各项监测每天一次,开挖完成后7天内仍为每天一次，以后可放宽为25天一次；当地下室底板完成后调整为10天一次；若出现异常情况或变形较大时，将对观测频率作适当加密。 1.3.6.3监测控制标准与监测结论 根据监测报告，施工期间重要监测项目的监测结果如下：表1 对基坑和周围建筑物进行沉降、位移的动态监测结果序号监测项目标准mm实测值结论报警值控制值1支护体系沉降18205mm（塔吊位置）基坑支护体系及周边环境安全。2支护体系位移253020mm（塔吊位置）3支护体系挠曲变形22mm（322#桩）4支护体系应力应变监测13.897KN（367#桩15m处）5预应力垂直锚杆的应力监测581.0KN（预拉应力600KN）6基坑周围建筑物沉降监测18207.3mm（宿舍楼13#点）7基坑周围建筑物裂缝监测16mm（宽度） 2300mm（长度） 由此表可以得出结论：通过基坑降水、桩排间加深层搅拌桩止水帷幕以及使之形成土拱、采用预应力竖向锚索等措施，改善了桩间土体力学性能，有效的提高了支护体系的抗侧向变形能力。另外，基坑监测表明：开挖对原有建筑的安全以及周围环境没有明显影响。1.4 关键技术、实施效果与创新1.4.1 关键技术1.4.1.1 考虑桩土共同工作的支护体系在两排支护桩之间的500深层搅拌桩按桩中心距300mm布置，桩间结合良好（相割200mm），局部形成34排深层搅拌桩与前排支护桩形成平面呈拱形的水泥土帷幕，不但起到了止水的效果，更重要的是加固了两排桩间的土体，改善土体的力学性质。按先施工深层搅拌桩后施工钻孔灌注桩的施工顺序，在成桩过程中形成了“硬咬软”的格局，（即钻孔灌注桩成桩时可以切入低龄期的深层搅拌桩内，与之相割），支护桩与帷幕最关键部位紧密相贴，受力效果良好。通过冠梁的连接作用、以及加固的桩间土体的共同工作，使支护体系抗主动土压力的侧向刚度大为提高。考虑桩土共同工作，将桩排之间的土体按有限元分析的方法，将土体视为若干相互联系的二力杆，整个支护结构转化为等代桁架的模式进行计算。1.4.1.2桩预应力竖向锚索的支护体系一般的桩锚支护结构都是水平的土层锚杆通过围檩将锚拉力传到支护桩上，从而起到控制支护结构的变形，减少桩身弯矩，提高支护体系的承载能力。由于土层锚杆的锚固力有限、蠕变大，对于开挖深度大的基坑就需要设置多层锚杆。本支护体系不同于桩锚体系：采用的竖向预应力锚索，巧妙地应用了无粘结预应力技术，将高强度低收缩钢绞线锚固于中风化岩层中，由于锚索蠕变量小、锚拉力损失小，因而通过张拉和锚固可获得较大的预应力。预应力通过后排桩和冠梁，将锚拉力传到前排桩上，这些构件的构造措施和施工质量是传递锚拉力的保证，特别是在后排桩设置竖向预应力，由于不受土压的干扰，保证了按确定的传力途径传力。 1.4.2 实施效果在基坑开挖和0.00以下结构施工的全过程，选择了有代表性的关键桩位，对桩顶位移、桩身弯曲、钢筋应力、预应力锚索拉力进行了监测；对基坑降水、周边建筑物的位移、沉降和裂缝进行了全面的监测。监测结果表明：支护体系的桩顶位移、桩身变形、钢筋拉力都远小于允许值，锚索拉力也与预应力相符。在施工过程中未发生任何突发事件与险情，说明支护体系的工作可靠、实施效果良好，表明了支护体系的策划设计和技术模式符合实际情况。值得注意的是：监测数据显示，在开挖达到6.5m时，支护结构的位移和变形极其微小，周边建筑的位移和沉降几乎可以忽略不计，继续开挖至8.5m深度时才有所发展，表明了支护体系在0.00以下的工作性能极其可靠。 悬臂双排桩深基坑支护新体系较好地解决了深基坑周围有建筑物、不能采用锚拉支护体系的难题，所取得的直接经济效益显著，为其他城市旧城区改造建设中类似场地条件的深基坑工程设计与施工实践，提供了可借鉴的技术经验和方法。 1.4.3 创新1.4.3.1 计算模式的创新根据特殊方式布置的水泥土拱加固双排桩间土体，可以提高支护体系抗侧向位移能力，按有限元方法将双排桩间土体视作若干相互关联的二力杆，按桩土共同工作的模式，对悬臂式支护体系按悬臂式等代桁架分析计算，设计的支护体系成功实施，说明在计算模式和体系设计方面的创新是成功的、有效的。1.4.3.2 竖向锚索的应用用无粘结预应力钢绞线作嵌岩的竖向锚索，通过后排桩、冠梁传递预应力，这种结构体系对原有的桩锚体系来说，属于重大突破和创新。1.4.3.3 支护高度的突破上述体系解决了在软土地基条件下，用悬臂式支护体系完成8.512.2m的深基坑开挖，这是对原有悬臂支护体系的支护高度范围的重大突破。