基坑工程止水及支护设计.doc
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1、 某某基基坑坑工工程程止止水水及及支支护护设设计计 孙会哲1 李宏义2 曹红印3 刘洪平4【摘【摘 要】要】:北京某基坑工程地下水埋藏浅,赋存条件复杂,基坑紧邻建筑物,增长了基坑降水及基坑支护难度。根据场地地质条件,在充足论证的基础上,本工程采用了深层搅拌水泥土桩止水帷幕作为止水方案,为减少造价,以止水帷幕配合短土钉作为一般地段的支护方案,重要部位以悬臂式钢筋混凝土灌注桩支护,取得了很好效果。本文介绍了深层搅拌水泥土桩止水帷幕与钢筋混凝土灌注桩在该基坑止水及支护中的成功应用。关键词:基坑止水、支护,深层搅拌水泥土桩止水帷幕,钢筋混凝土灌注桩,土钉 1工程概述工程概述 拟建工程位于北京市朝阳区,
2、拟建地下车库地下 1 层,建筑物长 84m,宽 36m,上部覆土 1.5m,基础底面为地下 6.00m,现浇钢筋混凝土框架结构,墙下筏板基础,基坑开挖深度约 6.0m。因基坑开挖深度较大,且紧邻建筑物,地下水位埋藏较浅,需采用支护及降排水措施,以保证基坑开挖及周边建筑物稳定。2场地岩土工程条件场地岩土工程条件 2.1 工程地质条件 拟建场地地貌单元属永定河冲洪积扇的东北边沿,地形平坦,地基土重要由新近沉积粉质粘土以及第四系沉积粉质粘土、粘质粉土、砂质粉土、粉细砂构成:新近沉积粉质粘土:黄褐色,湿,可塑,土质不均,含铁、锰氧化物,偶见砖屑。本层上部为素填土薄层。层厚 1.502.00m。粘质粉土
3、:褐黄色,饱和,土质不均,含铁、锰氧化物及云母片,属中高低压缩性土。层厚 3.303.80m。粉质粘土粘土-1:褐黄色,饱和,软塑可塑,土质不均,含少量姜石及铁、锰氧化物。呈透镜体分布于粉质粘土层中。属中中高压缩性土。粘质粉土:灰色,饱和,土质不均,含铁、锰氧化物及云母片,属中低低压缩性土。层厚 1.805.90m。粉质粘土-1:灰色,饱和,软塑可塑,土质不均,含少量姜石及铁、锰氧化物及钙质条纹。呈透镜体分布于粉质粘土层中。砂质粉土-2:灰色,饱和,土质不均,含细砂团及云母片。呈透镜体分布于粉质粘土层中。粉细砂:灰色褐黄色,饱和,密实,重要矿物成分以石英、长石。层厚 1.505.20m。夹砂质
4、粉土1透镜体。中粗砂:灰黄色,饱和,密实。重要矿物成分为长石、石英,含少量砾、卵石。层 厚 0.505.00m,层底标高 21.7222.53m。1、2、3、4:中国兵器工业北方勘察设计研究院 粉质粘土:灰黄褐色,饱和,可塑硬塑,土质不均,含铁、锰氧化物斑点,夹粘质粉土薄层,属中低低压缩性土。层厚 2.506.80m,层底标高 15.3720.03m。土层名称 C(kPa)(度)k(m/d)粘质粉土 20 25 0.1 粉质粘土粘土-1 20 10 0.05 粘质粉土 15 20 0.1 粉质粘土-1 20 15 0.1 砂质粉土-2 10 20 0.5 粉细砂 0 30 2.0 砂质粉土-1
5、 5 20 0.5 中粗砂 0 35 5.0 粉质粘土 20 20 0.1 地基土层抗剪及渗透指标 表 1 2.2 水文地质条件 根据岩土工程勘察报告,拟建场地地层为永定河冲洪积层,勘察期间在勘察深度 45m范围内发现三层地下水,第一层为潜水,重要分布在粉细砂、中粗砂中,地下水具微承压性质,含水层埋深 7.410.7m,厚度 2.26.6m,静止水位埋深 8.99.8m。因勘察期间受附近建筑工地降水影响,水位埋深较大;第二层为潜水,重要含水层为粉质粘土,静止水位埋深 17.70m;第三层为微承压水,重要含水层为粉细砂、中粗砂,静止水位埋深 26.10m。根据资料,场地历年最高地下水位接近自然地
6、表。为调查场地地下水变化情况,在基坑开挖前对地下水进行了长期观测,基坑影响范围内观测到两层地下水,第一层为上层滞水,稳定水位埋深 3.5m,第二层为贮存于粉细砂、中砂的微承压水,稳定水位埋深为 4.5m。根据施工规定,本次降水规定降至基坑开挖面以下 0.5m 处,水位埋深-6.5m。基坑降水规定及水文地质条件见图 1。2.3 周边建筑环境 场地周边施工场地狭小,基坑南侧距离新建 3#住宅楼电梯井约 1m,新建 3#住宅楼高12 层,一层地下室,筏板基础,基础埋深 3m,基坑不具有放坡条件,需进行必要支护措施保证 3#楼稳定,同时避免降水作业也许导致 3#楼的地基沉降。基坑平面位置及建筑环境详见
7、图 2。3设计设计方案方案 3.1 设计目的 满足基坑开挖所需的降水、止水规定;保证开挖及施工期间基坑侧壁和周边建筑的稳定;3.2 方案论证 新近堆积粉质粘土1.80-6.00基坑3.103.505.208.509.009.6013.20粘质粉土粉质粘土-1粘质粉土砂质粉土-2粉细砂粉质粘土粘质粉土粘质粉土-4.50-3.50地表高层住宅图1.基坑降水及水文地质条件示意图 开挖基坑3#高层住宅132#高层住宅高层住宅道路图2.基坑平面示意图N84m36m (1)受周边场地条件限制,场地狭小无降水井施工场地,同时降水有也许对周边建筑物导致危害,本工程不能采用降水方案,为消除地下水给施工带来的影响
8、及对周边建筑物导致危害,设计采用止水帷幕方案。同时,基坑开挖深度较大,南部建筑物距离太近,为 保证施工期间基坑侧壁的稳定性及周边建筑物的安全,需采用必要的基坑支护措施。初步 考虑采用深层搅拌水泥土桩墙既可作为止水帷幕起到控制地下水作用,并作为重力式支护结构保证基坑的稳定性。(2)考虑以搅拌水泥土桩墙作为重力式支护结构来保证基坑稳定,西、北、东三侧是可以的,但作为重力式支护结构要保证紧邻 3#楼的南侧基坑稳定,经计算,挡墙宽度需达成 2.4m,受场地限制,南侧允许施工场地只有 1m,只能施工一排搅拌桩,经计算不能满足规定,因此选用钢筋混凝土灌注桩与深层搅拌相结合的方案作为南侧基坑支护方案。(3)
9、根据止水帷幕的设计规定,止水帷幕宜插入含水层底板以下 23m,止水帷幕渗透系数小于 1.0 10-5m/d。根据地层条件,最大加固深度应为地表以下 17m。按照此设计参数施工,施工难度较大,现有施工设备难以完毕,且成本较高,最终选用悬挂式止水帷幕,坑内结合集水井明排设计方案。(4)为减少造价,考虑地下水在地表下 3.50m,设计深层搅拌止水帷幕桩桩顶位于地面下 3.5m,以上地层采用短土钉及喷射混凝土面层支护。3.3 设计方案(1)综合考虑支护及止水结构,基坑四周拟定深层搅拌桩,桩径 600mm,桩间距450mm,共布置深层搅拌桩 1 排,桩顶距地表 3.5m,桩长m。顶部铺设厚度为 200m
10、m 钢筋混凝土顶部压板,并与挡墙用插筋连接,插筋为 112,长度 1m。(2)基坑南侧临近 3#楼地段因距基坑距离较小,采用悬臂钢筋混凝土灌注桩作为支护结构。悬臂护坡桩方案如下:护坡桩桩径 600mm,桩间距 1350mm,桩顶距地表 1.5m,桩长 7.7m,嵌固深度 3.3m。桩顶冠梁宽 600mm,高 500mm。混凝土:桩身及冠梁混凝土采用 C25 混凝土。灌注桩配筋:主筋 818,加劲箍122023,螺旋箍筋8200。冠梁配筋:主筋 616,螺旋箍筋8200。(3)东、北、西侧基坑为减小搅拌水泥土桩墙所承受土压力,水泥土桩墙以上部位采用短土钉及喷射混凝土面层对上部土体加以维护。设计方
11、案为:地表以下 3.5m 范围内采用土钉墙支护,边坡按 1:0.1 放坡开挖,根据场地条件,土 钉支护结构设计参数见下表:土钉支护设计参数 表 2 土钉 道号 竖向间距(m)水平间距(m)入射角()长度 (m)孔径(mm)钢 筋(级)1 1.0 1.30 10.0 4.5 100 16 2 2.2 1.30 10.0 4.5 100 16 3 3.4 1.30 10.0 4.5 100 16 浆体材料采用水灰比为 0.400.45 的 P.O32.5#水泥净浆。面层构造:面层采用挂6250 250 钢筋网,喷射 C20 混凝土面层,厚度 80mm,基坑顶部宽出基坑外缘 1000mm,每道土钉设
12、12 水平加强筋,以增强面层的整体性。间隔布置泄水孔。(4)支护结构嵌固深度拟定后,对基坑底抗隆起稳定性及抗渗流稳定性进行验算。基坑底抗隆起稳定性按(1)式验算:qtht)(N0cD (1)式中:Nc-承载力系数,取 5.14 0由十字板实验拟定的土体强度,本工程根据抗剪强度指标求出,0=58kPa;土的重度(kN/m3);100050025003200-6.0m20003300a.止水、支护剖面图钢筋砼支护桩搅拌水泥土止水帷幕桩4504501350 钢筋砼灌注桩 L=7.7m水泥搅拌桩 L=9.0mb.南侧止水、支护桩 设计平面图水泥搅拌桩 L=9.0m450c.东西北侧止水桩 设计平面图图
13、3.止水帷幕及支护设计图土钉支护t支护结构入土深度(m);q地面荷载(kPa);h基坑开挖深度(m)计算结果:D=2.5 基坑坑底抗渗流稳定性按(2)式验算:wmRW)(Ptt (2)式中:m透水层以上土的饱和重度(kN/m3);t+t透水层顶面距基坑底面的深度(m);Pw-含水层水压力(kPa);RW-渗流稳定抗力分项系数 计算结果:RW=1.4;基坑底抗隆起稳定性及抗渗流稳定性均满足安全性规定。止水帷幕及支护设计见图 3。(5)排水措施:坑底四周距离侧壁 300mm 布置明排水沟及集水井,在搅拌桩之上间隔布置泄水孔。4施工概况施工概况 (1)注浆材料的选择 水泥土重度比原土提高约 3%,含
14、水量减少约 10%,渗透系数约为 10-510-6m/d,抗渗等级为 0.20.4MPa 级,水泥土抗渗性能随水泥掺入比提高而提高,随龄期增长而提高。为增长帷幕抗渗性能,水泥掺量宜取高值,在本工程中,水泥土中水泥掺量为 15%,水泥采用P.O32.5。(2)工艺流程:为保证隔水效果,本次施工采用“二次喷浆、三次搅拌”工艺。就位预搅下沉制备水泥浆提高喷浆搅拌沉钻复搅反复提高搅拌移位清洗。(3)深层搅拌桩施工技术规定 施工机械选用喷浆型双轴深层搅拌机,搅拌头直径 600mm,深层搅拌机械就位时应对中,最大偏差不得大于 2cm,机械垂直度偏差不得大于 1%桩长,搅拌头下沉到设计深度时,再次检查并调整
15、机械的垂直度。当搅拌机的切削和提高搅拌负荷太大,电动机超过额定电流时,应减少速度,适当补给清水,当发生卡钻、停转现象时,应将搅拌头提出地面,重新启动。灰浆制备系统应保证水平泵送距离不大于 50m,保证注浆压力,水泥浆不得有硬结块,每根桩灰浆将压完时,应注入适量清水,以压送管内残留灰浆。灰浆泵及管路应定期拆开清洗。样槽开挖:深层搅拌施工过程中,会出现较大涌土现象,高于原地面,为桩顶标高控制及后期混凝土面板施工带来麻烦,为克服涌土带来的不利后果,在水泥土墙施工前开挖一定深度的样槽,样槽深 1m,宽出水泥土墙 500mm。施工前清除施工范围内一切障碍,清除障碍范围较大或深度较深时,做好覆土压实,防止
16、机架倾斜。水泥采用新鲜、不受潮、无结块的水泥,搅拌时注意控制搅拌时间、水灰比、及外加剂掺量,严格称量下料。正式施工前进行了工艺试桩,拟定合理的提高速度及注浆速度,以及钻进深度、灰浆配合比、喷浆压力等,克服注浆不均匀及缺浆冒浆的缺陷。深层搅拌采用搅拌头上下各二次的搅拌工艺,喷浆时提高(或下沉)速度不大于0.5m/min,水泥浆水灰比不宜大于 0.5,泵送压力大于 0.3MPa,泵送流量恒定。为保证隔水效果,相邻桩的搭接不小于 150mm,前桩水泥土尚未固化时进行后续搭接桩施工,时间间隔不得大于 10 小时。钻头及搅拌叶检查:经常性制度性的检查搅拌叶磨损情况,当发生过大磨损时,应及时更换或修补钻头
17、,钻头直径偏差不超过 3%,并应保持注浆孔畅通。(4)灌注桩施工 因地下水影响,灌注桩施工不能采用干作业施工,本次施工采用压灌成桩,振动沉入钢筋笼。5效果评价效果评价(1)止水效果 本工程若不采用排水措施,按照承压水完整井计算基坑出水量:)1lg(73.20rRMSkQ (3)式中 Q基坑总涌水量(m3/d)M承压含水层厚度(m)k 渗透系数(m/d)R 影响半径(m)r0 概化基坑圆半径(m)根据计算结果并结合 2#高层住宅降水经验,基坑每日出水量 400m3左右,止水帷幕施工完毕后,基坑每日出水量约 3m3,达成预期止水效果,基坑周边稍有渗水,基坑干燥,保证了基础施工的顺利进行。根据水位观
18、测结果,周边地下水位基本保持稳定。(2)基坑稳定性 在基坑开挖完毕后及基础施工期间,基坑坡壁稳定,周边建筑物未出现加速沉降及不均匀沉降。6结结 语语 本工程条件复杂,结合实际地质条件,为保证基坑降水及基坑和周边建筑物稳定,将深层搅拌水泥土桩止水帷幕、土钉支护、钢筋混凝土灌注桩支护手段综合用于该基坑止水及支护,保证了基坑及周边建筑物的安全,具有技术先进性和经济合理性,止水效果良好,基坑坑壁稳定,达成了预期目的。参参 考考 文文 献献 国家标准建筑地基基础设计规范(GB50007-2023);业标准建筑基坑支护技术规程(JGJ120-99);行业标准建筑地基解决技术规范(JGJ79-91);行业标
19、准建筑基坑工程技术规范(YB9258-97);5中国建筑工业出版社简明深基坑工程设计施工手册 牛志民1 陆洪根2 雷颖3 【摘 要】论述了实散组合桩复合地基的承载原理和设计。最后介绍了工程应用。关键词 实散组合桩 承载力 临界桩长 贯入度 中图分类号 U472 0引引 言言 桩式复合地基为桩(竖向增强体)和其周边地基土共同承担荷载的地基,对其中的散体桩、柔性桩、刚性桩均有了相应的设计和施工规范。近年来随着复合地基的快速发展,在特定的条件和地质环境下,又出现了上部为实体(水泥土、低强度混凝土等),下部为散体(碎石、级配砂石等)组成的实散组合桩复合地基,其中以夯扩碎石低强度混凝土桩较为普遍。这种桩
20、型可运用散体材料改变桩端持力层,提高实体桩的承载力,减小地基土的沉降。1 夯扩实散组合桩的概念和承载原理夯扩实散组合桩的概念和承载原理 夯扩实散组合桩是细长锤夯击成孔或螺旋钻引孔,向孔内分批投入填充料(上部为干硬 性混凝土,下部为散体材料)并用重锤夯实、挤密而形成的组合桩。夯锤在高动能作用下对散体部分和实体部分进行冲、砸、挤压,使桩体密实并使桩体在垂直向为变径体,从而提高单桩的承载力。此外,土体应力释放过程中,土体对桩体产生极大的侧限“抱紧”作用,更能提高实体桩的侧摩阻力。重锤在冲孔和夯实过程中对桩间土进行挤密,提高了桩间土的承载力。上部荷载通过基础传递给实散组合桩复合地基,其中实体桩作为重要
21、的受力杆件发挥桩端阻力和侧摩阻力,散体部分作为重新置换的桩端重要承受端阻力。2 夯扩实散组合桩复合地基的设计夯扩实散组合桩复合地基的设计 21 夯扩实散组合桩复合地基承载力设计 夯扩实散组合桩复合地基承载力可按下式进行设计)1()1(/.skpkspfmAmRf 式中kspf.和skf分别为复合地基和桩间天然地基土承载力特性值;为桩间土的挤密和发挥系数。一般取 1.22.1,一般取 0.751.0;R 为实散组合桩单桩承载力设计值,Ap为实体段桩截面积(根据工程实际材料用量反算)。其中单桩承载力 R 取值,有条件时应做现场静力载荷实验直接测定,无条件时,实散组合桩单桩承载力设计值可按式(2)计
22、算。)2(/spkpsisikrAqrluqR 1、2、3:中国兵器工业北方勘察设计研究院 式中:R实散组合桩单桩承载力设计值(kN);qsik实体段桩侧第 i 层土极限侧摩阻力标准值(kPa);Li实体段桩侧第 i 层土的厚度(m);qp.k上部实体段和下部散体段界面极限压力标准值(kPa);Ap实体段桩截面积 m2(根据工程实际材料用量反算);rs实体段桩侧、桩段阻力分项系数。式(2)中 qp.k事实上就是散体桩的极限承载力)3()45(2kskpkpftgq 式中:qp.k散体桩极限承载力标准值(kPa);fs.k散体桩桩头标高处加固桩间土经深度修正后承载力的标准值(kPa);散体桩桩头
23、标高处加固桩间土应力提高系数,一般为 1.22.0;p.k散体材料内摩擦角标准值(),取 3050。根据理论公式计算的单桩承载力必须满足桩体的强度公式)4(3/pckAfR 式中 fck实体桩试块(边长 150mm 立方体)标准养护 28d 立方体抗压强度的平均值;根据公式拟定后的桩端承载力,在施工中可采用控制贯入度的方法控制散体部分密实度和桩端承载力,可采用)5(02.05/ukhQHws 式中 s贯入度;Wh锤的重量(kN);H锤的落距(m);Quk散体桩承载力(kN);折减系数。散体部分的承载力理论计算值在施工中能通过直观的贯入度得到较好的控制,达成施 工和设计的密切配合。22 临界桩长
24、 夯扩实散桩长涉及实体段的桩长和散体段的桩长,在设计中应考虑基地压力和场地的 地质条件,根据软弱层的厚度考虑散体部分的桩长,必要时应考虑夯扩的影响深度和范围。其桩长可采用式(6)计算。)6(21LLLcr 式中 Lcr实散组合桩的临界桩长(m);L1实体段的长度(m);L2散体段的长度(m)。对于一般粘性土、粉土、砂土,L2可采用)7()2/45(21 2DtgLpk 式中 pk散体材料的内摩擦角();D实体段桩身直径(m)。临界桩长拟定后须进行软弱下卧层演算,若不能满足规定,则散体部分桩长须进行加长。23 实散组合桩复合地基沉降计算 复合地基的变形计算一般在假设条件及弹塑性理论下计算,由于土
25、体的非均质性和半 无限弹性体,至今尚无一种理论能覆盖其各种因素的计算公式。复合地基的沉降涉及三部分:加固区变形、下卧层变形和柔性垫层变形,其沉降计算 式为:)8(321ssss 式中:s1加固区的变形(mm);s2下卧层的变形(mm);s3柔性垫层的变形(mm)。对加固区的变形分实体部分和散体部分,可采用复合模量法(Ec 法)、应力修正法(Es法),桩身压缩量(Ep 法)进行计算,对下卧层的变形 s2,可按 GBJ792023 规范计算,由于柔性垫层厚度小(1030mm),且在施工前已压密,该部分变形 s3可忽略不计。24 柔性垫层 柔性垫层(砂、碎石)具有调整桩土应力比、保证桩土变形协调、为
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