某大廈深基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘 要：本文針對(duì)某大廈工程土質(zhì)及周?chē)h(huán)境情況，提出了對(duì)其基坑支護(hù)的需求，通過(guò)對(duì)各種支護(hù)方案在結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)方面特點(diǎn)的比較，確定了該工程采取鉆孔灌注樁與內(nèi)支撐的圍護(hù)的方案。依據(jù)基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程和工程經(jīng)驗(yàn)，選用連續(xù)梁方法分工況對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，按所設(shè)計(jì)支護(hù)進(jìn)行施工，達(dá)到了安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的效果。

關(guān)鍵詞：基坑； 支護(hù)； 鉆孔灌注樁； 內(nèi)支撐； 工況

中圖分類(lèi)號(hào)：TU94+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1008-0422（2009）06-0210-03

1前言

本工程由一棟20層主樓及裙房組成，主樓及裙樓下部均設(shè)二層地下室。基坑地面面積1983.12m²，基地原地面標(biāo)高取用3.60m作為施工場(chǎng)地設(shè)計(jì)高程（包括硬地坪厚200mm）?；娱_(kāi)挖深度為8.30m，基坑周長(zhǎng)約160.34m。

本工程基坑南側(cè)道路下共設(shè)有七路管線(xiàn)，包括煤氣、電力、上水、電話(huà)等，最近處電話(huà)管線(xiàn)離基坑內(nèi)邊線(xiàn)約6m。

擬建場(chǎng)地淺層地下水為潛水型，主要受大氣降水與地表徑流補(bǔ)給?？碧綔y(cè)得地下水靜止水位在地表以下0.28~0.52m，絕對(duì)標(biāo)高為2.93~2.88m。試驗(yàn)表明地下水對(duì)混凝土無(wú)侵蝕性。地面以下4~8m左右為粘質(zhì)粉土或砂質(zhì)粉土，設(shè)防烈度7度時(shí)易引起輕度液化，基坑開(kāi)挖深度范圍內(nèi)可不考慮地震影響。因本工程開(kāi)挖的基坑較深，必須采用非常安全可靠且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)保證施工的安全性，下面就詳細(xì)以本工程為例，分析一下基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)如何進(jìn)行選型和設(shè)計(jì)。

2基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型與方案設(shè)計(jì)

2.1圍護(hù)結(jié)構(gòu)介紹

深基坑支護(hù)的傳統(tǒng)施工方法是板樁支撐系統(tǒng)或板樁錨拉系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)多年的探索與工程實(shí)踐，目前我國(guó)基坑工程所采用的支護(hù)結(jié)構(gòu)型式多樣，按其受力性能大致可分為五大類(lèi)，即懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)、重力式支護(hù)結(jié)構(gòu)、錨噴（網(wǎng)）支護(hù)結(jié)構(gòu)、單（多）支點(diǎn)混合支護(hù)結(jié)構(gòu)、拱式支護(hù)結(jié)構(gòu)。

2.2支護(hù)體系選擇的影響因素

（1）基坑平面的幾何尺寸，開(kāi)挖深度，防水抗?jié)B要求；

（2）地下工程的類(lèi)型、特點(diǎn)，建筑物基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及上部結(jié)構(gòu)類(lèi)型；

（3）場(chǎng)地的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件；

（4）基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)所受的土壓力、地面超載等因素；

（5）基坑周邊建筑物、道路、地下管線(xiàn)、市政設(shè)施、附近水域狀況及對(duì)基坑施工的特殊要求等；

（6）施工技術(shù)、降排水方法、施工作業(yè)設(shè)備、材料等對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的適用的可能性；

（7）根據(jù)可行性、安全性、工期、造價(jià)進(jìn)行綜合比較，優(yōu)化選擇圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案類(lèi)型。

2.3 支護(hù)方案的需求分析

根據(jù)該工程特點(diǎn)、施工條件以及周邊建筑、設(shè)施情況，基坑支護(hù)應(yīng)主要考慮：

（1）由于距離附近建筑物太近且為將來(lái)施工場(chǎng)地考慮，不允許進(jìn)行放坡處理。

（2）護(hù)坡方案必須絕對(duì)安全可靠，盡量減小土體側(cè)移，防止周邊土層開(kāi)裂引起已建成建筑物傾斜和路面開(kāi)裂。

（3）由于地下管線(xiàn)和建筑物的基礎(chǔ)都離基坑比較近，支撐適合用內(nèi)支撐，不適合用拉錨支護(hù)。

（4）此工程的地質(zhì)主要是粉土和粘土等弱透水性土。

（5）必須考慮經(jīng)濟(jì)方面的投入。

2.4 支護(hù)方案選擇與確定

根據(jù)建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程JGJ120-99，支護(hù)結(jié)構(gòu)的選型如表1。

2.4.1 初選方案

鑒于以上分析，可選擇的護(hù)坡方案主要有三種：

方案一：鉆孔排樁+樁間旋噴樁止水+鋼筋混凝土內(nèi)支撐方案；

鉆孔樁排樁擋土，樁間設(shè)旋噴樁作為止水帷幕，設(shè)鋼筋混凝土支撐。

方案二：地下連續(xù)墻+鋼管支撐方案；

方案三：SMW工法，墻體采用雙軸攪拌樁，插入型鋼。圍護(hù)墻頂設(shè)置周圈鋼筋混凝土壓頂圈梁。

2.4.2 方案比較(表2)

2.4.3 方案確定

基坑支護(hù)的一個(gè)大的原則就是根據(jù)基坑開(kāi)挖深度、地質(zhì)條件、周邊環(huán)境采取合適的支護(hù)形式保證基坑的安全，在同樣保證基坑安全的情況下，考慮適合的造價(jià)。根據(jù)上面特點(diǎn)的比較，從地質(zhì)適用性，安全性，實(shí)用效果，經(jīng)濟(jì)性，工期等綜合考慮，我認(rèn)為方案一為最佳，即鉆孔排樁+樁間旋噴樁止水+鋼筋混凝土內(nèi)支撐方案。

3基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

（1）基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)采用以分項(xiàng)系數(shù)表示的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（2）基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)可分為下列兩類(lèi)：

承載能力極限狀態(tài)：對(duì)應(yīng)于支護(hù)結(jié)構(gòu)達(dá)到最大承載能力或土體失穩(wěn)過(guò)大變形導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)或基坑周邊環(huán)境破壞；

正常使用極限狀態(tài)：對(duì)應(yīng)于支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形已妨礙地下結(jié)構(gòu)施工或影響基坑周邊環(huán)境的正常使用功能。

（3）基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)表3選用相應(yīng)的側(cè)壁安全等級(jí)及重要性系數(shù)。

（4）支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮其結(jié)構(gòu)水平變形、地下水的變化對(duì)周邊環(huán)境的水平與豎向變形的影響，對(duì)于安全等級(jí)為一級(jí)和對(duì)周邊環(huán)境有限定要求的二級(jí)建筑基坑側(cè)壁，應(yīng)根據(jù)周邊環(huán)境的重要性、對(duì)變形的適應(yīng)能力及土的性質(zhì)等因素確定支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平變形限值。

（5）當(dāng)場(chǎng)地內(nèi)有地下水時(shí)，應(yīng)根據(jù)場(chǎng)地及周邊區(qū)域的工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、周邊環(huán)境情況和支護(hù)結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)型式等因素，確定地下控制方法。當(dāng)場(chǎng)地周?chē)械乇硭畢R流、排瀉或地下水管滲漏時(shí)，應(yīng)對(duì)基坑采取保護(hù)措施。

（6）根據(jù)承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)要求，基坑支護(hù)應(yīng)按下列規(guī)定進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)算：

（1）基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)均應(yīng)進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)的計(jì)算，計(jì)算內(nèi)容應(yīng)包括：①根據(jù)基坑支護(hù)形式及其受力特點(diǎn)進(jìn)行土體穩(wěn)定性計(jì)算；②基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的受壓、受彎、受剪承載力計(jì)算；③當(dāng)有錨桿或支撐時(shí)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行承載力計(jì)算和穩(wěn)定性驗(yàn)算；

（2）對(duì)于安全等級(jí)為一級(jí)及對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形有限定的二級(jí)建筑基坑側(cè)壁，尚應(yīng)對(duì)基坑周邊環(huán)境及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行驗(yàn)算。

（3）地下水控制計(jì)算和驗(yàn)算：①抗?jié)B透穩(wěn)定性驗(yàn)算；②基坑底突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算；③根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行地下水位控制計(jì)算；

（7）基坑支護(hù)設(shè)計(jì)內(nèi)容應(yīng)包括對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算和驗(yàn)算、質(zhì)量檢測(cè)及施工監(jiān)控的要求。

（8）當(dāng)有條件時(shí)，基坑應(yīng)采用局部或全部放坡開(kāi)挖，放坡坡度應(yīng)滿(mǎn)足其穩(wěn)定性要求。

3.2設(shè)計(jì)說(shuō)明

根據(jù)所選的方案設(shè)計(jì)，對(duì)維護(hù)樁的計(jì)算應(yīng)該分工況進(jìn)行，由各個(gè)工況計(jì)算所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行灌注樁的入土深度和配筋計(jì)算，以及可計(jì)算出內(nèi)支撐的支撐力及其配筋情況，從而根據(jù)計(jì)算所得的數(shù)據(jù)確定最優(yōu)化支護(hù)方案。

本基坑工程的土質(zhì)比較均勻，而所需的開(kāi)挖深度都一樣，所以模擬基坑的四周情況都相同。由于土質(zhì)大部分是粘土，作用在維護(hù)樁墻上的側(cè)向壓力采用水土合法。土的飽和重度γ取自然重度?？油獾孛娉d取q=20KN/m²，C按直剪固結(jié)快剪取峰值。側(cè)向土壓力按朗金土壓力方法分層計(jì)算。

本基坑工程是單支撐結(jié)構(gòu)，采用等值梁法對(duì)支撐維護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。工況分為兩個(gè)：第一個(gè)工況內(nèi)力按挖土至支撐設(shè)置標(biāo)高但尚未設(shè)置支撐時(shí)進(jìn)行計(jì)算；第二個(gè)工況是設(shè)置支撐后，挖土至相應(yīng)基坑底標(biāo)高時(shí)。詳見(jiàn)圖1，先對(duì)第二個(gè)工況進(jìn)行計(jì)算，再進(jìn)行第一個(gè)工況的驗(yàn)算。

3.3工況二計(jì)算

在澆筑底板以前的開(kāi)挖階段，檔墻是兩個(gè)支點(diǎn)的靜定梁，兩個(gè)支點(diǎn)分別是第一道支撐及土中凈土壓力為零的一點(diǎn)。

先計(jì)算各層的被動(dòng)土壓力，再計(jì)算最大彎矩為Mmax=781KN.m，兩支座反力為RA=399KN，QB=205.5KN。最后計(jì)算出鉆孔灌注樁的插入深度為12.7m（實(shí)際施工取21m長(zhǎng)的樁）。

3.4工況一驗(yàn)算

在設(shè)置支撐以前的開(kāi)挖階段，可將擋墻作為一端嵌固在土中的懸臂樁。計(jì)算出最大彎矩為Mmax=456.52KN.m。

3.5灌注樁截面配筋設(shè)計(jì)

計(jì)算參數(shù)為：預(yù)選樁直徑為D=1000mm，樁間間距為1.5m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，fc =14.3N/mm2，受力鋼筋采用HRB335級(jí)鋼筋，fy=300N/mm2，鋼筋保護(hù)層厚度取as=50mm，該基坑的安全等級(jí)是二級(jí)，γ0=1.0，螺旋箍筋用HPB235，其間距按構(gòu)造要求配置。

先求出截面彎矩設(shè)計(jì)值M=1464KN.m，再進(jìn)行配筋計(jì)算，得出按20Φ22進(jìn)行配筋，沿灌注樁周邊均勻配置，箍筋按構(gòu)造要求配置，按照規(guī)范取螺旋筋Φ8@250mm，每隔1500mm布置一根Φ14的焊接加強(qiáng)鋼筋，以增加鋼筋籠的整體剛度。

3.6樁頂圈梁的設(shè)計(jì)

樁頂部設(shè)置連續(xù)梁，可以增加護(hù)坡樁的整體性，形成閉合的結(jié)構(gòu)。圈梁鋼度越大，則圈梁的作用越相當(dāng)與支點(diǎn)的作用，對(duì)樁的受力和變形起顯著改善作用。因此設(shè)計(jì)時(shí)可將其斷面加大，配以適量的配筋，增加其鋼度。根據(jù)大量的工作經(jīng)驗(yàn)，建議?。篈q=（0.5~0.8）As ，設(shè)計(jì)圈梁高度400mm，寬度1000mm，配置10 25，滿(mǎn)足最小配筋率要求，箍筋按構(gòu)造要求，配Φ8@250，拉鉤為Φ8@250。

3.7鋼筋混凝土內(nèi)支撐設(shè)計(jì)

采用鋼筋混凝土內(nèi)支撐，圍護(hù)樁的變形較小，能確保周?chē)ㄖ锏陌踩涂刂频缆返淖冃螤顟B(tài)。鋼筋混凝土支撐的截面為600mm*600mm，上下均勻配置4Φ 25，箍筋為Φ8@200。

3.8止水帷幕旋噴樁的設(shè)計(jì)

高壓噴射注漿用作止水帷幕時(shí)，應(yīng)該根據(jù)防滲要求進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

防水工程設(shè)計(jì)時(shí)，一般按雙排或三排布孔形旋噴形帷幕，孔距應(yīng)不小于1.73r、排距不小于1.5r。

本工程的旋噴樁設(shè)計(jì)為雙排，直徑為Φ800mm，孔距為750mm，排距為600mm，水泥滲量為15%。樁深入到基坑底面4m下，即樁長(zhǎng)12.3m。旋噴樁的平面布置圖如圖2。

3.9最終方案

地質(zhì)情況基本相同的基坑，四周都采用鉆孔灌注樁加鋼筋混凝土支護(hù)，用旋噴樁做防水帷幕。全部都用C30的混凝土。

鉆孔灌注樁直徑為1000mm，樁按20Φ22進(jìn)行配筋，延樁周邊均勻配置，螺旋筋Φ8@250mm，每隔1500mm布置一根Φ14的焊接加強(qiáng)箍筋。

樁頂圈梁高度400mm，寬度1000mm，配置10 25，箍筋為Φ8@250。

旋噴樁直徑為Φ800mm，孔距為750mm，排距為600mm，樁長(zhǎng)12.3m，水泥參量為15%。

4小結(jié)

基坑開(kāi)挖反映了土、樁、支撐之間相互作用過(guò)程。深基坑開(kāi)挖與支護(hù)屬于地下結(jié)構(gòu)施工力學(xué)范疇，方案的設(shè)計(jì)涉及工程結(jié)構(gòu)、土力學(xué)和施工方面的知識(shí)，而且依靠經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)和理論之間的密切結(jié)合。具體設(shè)計(jì)的時(shí)候，除了應(yīng)該掌握擬建場(chǎng)地土質(zhì)特征外，還需要了解環(huán)境荷載因素和相鄰建筑物、地下管線(xiàn)的特性及其承受變形的能力，仔細(xì)考慮施工方法和計(jì)算地下室施工全過(guò)程的各種施工應(yīng)力。該設(shè)計(jì)中采用方案對(duì)比方法是行之有效的，經(jīng)驗(yàn)和綜合判斷有重要作用。

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