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密集建筑区软土深基坑支护设计与施工 |
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时间日期：2008-5-21 已被阅读次：[8014] |
广东省六建集团有限公司 李奇逊 刘艳秋 莫家权 徐建邦 雷元新
[摘 要] 本文就珠江三角洲地区旧城改造中，一个较典型的密集建筑区软土深基坑支护设
计与施工实例进行分析探讨，提出一种较新的深基坑支护设计方法。
[关键词] 深基坑；支护设计；刚架式支护；预应力垂直锚杆；基坑监测
1.前言
当前，在广东珠江三角洲地区的旧城改造工程遇到诸如:a)在密集建筑区建高层，基坑
开挖要考虑与相邻建筑及城市管道之间的影响；b)随着高层建筑的增多和功能的需要，许多
工程都要求修建占地面积大且形状不规则的两层甚至多层地下室；c)珠江三角洲属冲积平原
、软土层较厚、地下水位高、含水层透水系数大等问题。这些问题为这类工程施工特别是深
基坑开挖带来了新的课题，使密集建筑区软土深基坑支护成为一个非常突出的关键技术。
本文谨就位于广东珠江三角洲腹地的佛山市中医院医疗综合大楼深基坑支护设计与施工
的实例，探讨密集建筑区软土深基坑支护设计与施工的一种新方法。
2.工程概况
佛山市中医院医疗综合大楼占地面积达13671m2，建筑面积约114000m2，地下2层，地上
23层，裙楼6层，±0.000以上高度为＋100.2m，结构形式为框架－剪力墙结构，整幢建筑均
采用钻孔灌注桩基础。基坑平均挖深9.45m，最深达12.2m。基坑边与已建房屋最窄处只有1.
7m，施工场地狭小，要求不能对周边道路和建筑造成影响，保证中医院的正常营业。
3.工程地质
根据地质钻孔揭露情况：场地自上而下有杂填土(1)，粉质粘土(2)，淤泥质粉质粘土、
淤泥(3)，粉细砂、中砂(4)，粉质粘土、粘土、粉土(5)，淤泥质粘土(6)，粉细砂、中砂(7
)，残积粉质粘土(8)，强风化泥岩(9)，中风化泥岩(10)，微风化泥岩(11)，场地地下水主
要为地表水回渗和第四纪潜水，主要赋存于填土层和第四纪饱和砂层中，富水性属中等，地
下水位埋深0.40～1.45m。
4.支护方案的选择与设计
4.1.方案的选择
根据本工程蒸坑施工场地的特点，主要提出以下三个方案：
a)方案1：单排(φ900桩，间距1100)悬臂钻孔桩、二排深层搅拌桩支护结钩。
b)方案2：单排(φ800桩，间距1000）钻孔阵加钢筋混凝土架内支撑、排深层搅拌桩支
护结构。
c)方案3：东、南、西3侧采用双排（φ900桩，间距2200，排距3150）钻孔桩、2排深层
搅拌桩（在钻孔桩间距2200跨中增加2条第3排深层搅拌桩）支护结构。北侧采用单排(φ100
0桩，间距1200）钻孔桩，后排增加垂直预应力锚杆桩、（φ900桩，间距3600），受场地限
制，排距1100～2150不等)，2排深层搅拌桩支护结构。
经专家对上述三个支护方案进行比较论证，认为方案三支护结构方式先进合理，支护体
系变形移小，有利于开挖和地下室施工，能缩短工期，能较大幅地降低造价，因此最后确定
选择采用方案三。但是这种支护结构也有其开挖太深、桩间距过大、桩间土改良不理想所带
来的缺陷，造成穿孔漏水、地面下陷的风险。
4.2.方案的设计
4.2.1.基坑支护方案的设计
a)根据工程特点、场地四置关系以及地质、地下水情况，本工程基坑开挖的支护、防渗
采用如下设计方案：
1)工程北面玻璃楼至健力宝大楼段采用单排桩，间距1300，直径为φ1000钻孔桩，并在
其后每隔3.6m加一条φ90预应力垂直锚杆钻孔桩（钻孔桩内加预应力垂直锚杆，排距因受场
地限制从1.1～2.15m不等）作基坑支护。
2)其余部位采用双排φ900钻孔桩，以间距2.2m、排距3.15m呈梅花形布置，作为垂直挡
土的支护结构。
3)在前后排钻孔桩之间采用桩长为18m的φ双排深层搅拌桩作基坑防渗止水帷幕。
4)对桩间距2.2m的支护部位为增强桩间土的抗压能力，在双排深层搅拌桩外增加二条深
层搅拌桩，形成拱的作用。
b)为了增加支护体的整体刚度和稳定性，在钻孔桩桩顶设压顶圈梁，并将双排桩桩顶用
联系梁呈M型连接；在东北角、东南角、西北角位压顶梁中部增加φ25钢管角撑。
4.2.2.基坑降水方案的设计
a)根据地质资料、基坑支护方案及周边环境的实际情况，并考虑到占地面积大小、施工
难易程度、降水效果、抽水携带的排砂量对土层的空间结构的影响等因素，基坑降水采用小
口径井点降水法。
b)根据《建筑与市政降水工程技术规范》(JGJ/T111－98)，基坑出水量计算为：
Q=1.366K`(2H－S)/S/nLgR－Lg(r1•r2……rn)
=14888m3/d
单井出水能力计算公式为：
式中：Q——基坑出水量（m3/d）；K`垂直渗透系数（m/d）；R——影响半径(m)；H—
—潜水含水层厚度(m)；L`——过滤器淹没的长度（m）；q——管井出水能力（m3/d）；d—
—过滤器外径（mm）；S——水位降深值（m）；a`——与含水层渗透系数有关经验系数；r1
•r2……rn——降水干扰井群分别至基坑中心点的距离（m）。
按单井出水能力采用江门水泵厂生产的J300/10深井泵，共设32个降水井。
c)降水监测
1)在工程的东、西及北端各设水位观测井1个。
2)对各降水井和观测井的水位、水量进行同步监测。
3)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。
4.2.3.基坑监测方案的设计
a)监测内容
1)采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。
2)采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。
3)采用测斜仪进行支护结构挠曲变形的监测。
4)采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
。
5)采用钢筋计进行支护结构应力应变的监测。
6)采用应力传感仪进行预应力锚杆预应力值的监测。
b)监侧频次；土方开挖期间各项监测每天一次，开挖完成后7d内仍为每天一次，以后可
放宽为2～5d一次；当地下室底板完成后调整为10d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。
c)监测控制标准
1)基坑支护及周围地表沉降监测的控制标准为≤20mm，报警标准为18mm。
2)基坑－支护及周围地表位移监测的控制标准为≤30mm，报警标准为25mm。
4.3.刚架式支护结构的计算
4.3.1.计算基本假定
a)将前后排桩与桩顶圈梁看做一个底端嵌固的刚架结构。
b)将圈梁看做没有变形的绝对刚体，基坑开挖后，在土压力的作用下，圈梁只能平移而
不产生转角。
4.3.2.刚架式支护结构的计算
4.3.2.1.自立式双排灌注桩的计算
如图2所示，采用φ900钻孔灌注桩，作成双排梅花式布置，桩顶用图梁连接。该梁宽大
，与嵌固的桩脚形成刚架。
4.3.2.1.1.土压力分析
考虑到水平截面有效厚度为1.3m(三排，部分二排0.8m)的深层搅拌桩的改土作用，将各
土层的粘聚力c和内摩擦角φ适当调高进行设计计算。
4.3.2.1.1.1.前排桩土压力分析
基坑开挖后，双排桩将发生位移，桩间土受到一定程度的扰动。考虑到两排桩的整体刚
序以及其对土体的约束作用，可以近似地认为桩间土仍处于弹性阶段，即将桩间土视为受侧
向约束的无限长土体。由弹性力学平面应变问题的物理方程，则作用于前排桩背的土压力为
；
式中：E0、v——土的变形模量、泊松比；εx——z深度处相对于水平位移而引起的横
向应变。
考虑双排桩顶部圈梁作用，可近似认为：εx=0，则上式为：
由于被动土压力的发挥与土的变形有关；当被动土压力全部发挥时，土的变形将很大；
而为工程所不允许。因此，为方便计算对被动土压力予以折减：
e`p=K1(γ•zKp＋2c Kp ) (2)
式中：K1——被动土压力折减系数，一般取0.5～0.7计算。
4.3.2.1.1.2.后排桩土压力分析：
后排桩前侧向（靠基坑）土压力按(2)计算。由于双排桩的刚度较大，故假定后排桩土
位移仍处弹性范围内，即桩背土压力介于静止土压力与主动土力之间，这里称为弹性土压力
：
σe=K2(γ•zKa － 2c Kp ) (3)
式中：K2——土侧向压力修正系数，一般取1.1一1.2。
4.3.2.1.2.自立式双排桩的计算
4.3.2.1.2.1.前后排桩的入土深度
前后排桩的计算简图如图3所示。由式(1)(2)(3)，可计算出桩前、桩后的压力合力：
E`p=3ctoK1 Kp＋(3/2)γ•t0 K1Kp
Ea=1/2(to＋H)2γ•
E"p=3ch`K1 Kp＋(3/2)γ•h`2K1Kp
Ee=(1/2)h`K2(γ•h`Ka－2c Ka
通过对桩底取力矩，按力矩平衡条件求出前后排桩的入土深度to和h`。
t1E`p － 1.2γot2Ea≥0
t1E"p － 1.2γot2Ee≥0
同时h`满足：
h`≥(H＋to) － btg(45°＋φ/2)
式中：γo－建筑基坑侧壁重要性系数。
4.3.2.1.2.2.刚架内力及变形分析
取单个刚架为计算单元。用为法计算，其基本方程为；
求出上式中的单位变位δij及荷载变位△ip。即可求得刚架的内力和桩顶位移。
4.3.2.2.自立复合式密排灌注桩的计算
受现场场地界制，不能按自立式双排灌注桩进行设计。采用在后排桩加设举应力垂直锚
杆的设计方案，如图4所示，将组合刚架视为平面三角形状的三个门式刚架结构进行叠加计
算。
4.3.2.2.1.土压力分析与自立式双排桩相同。
4.3.2.2.1.1.自立组合试密排桩的计算
4.3.2.2.1.2.抗倾覆稳定验算
计算时把O`ABO作为一个刚架，把创作为一个转动点近似计算。取单位宽度1m计算了计
算简图如图5所示。土压力合力为：
Ep=3ctoK1 Kp＋(3/2)γ• t0 K1Kp
Ea=1/2(to＋H)2γ•
通过对桩底O`取力矩，按力矩平衡条件进行验算。
Ep×t1＋F×L>K×Ea (4)
式中：K－安全系数，取1.2。
取不同桩长，通过(4)式反复试算，直至满足要求，可求得桩的人土深度。
4.3.2.2.2.刚架内力及变形分析
设计计算时，采用隔离法，取单个刚架计算。方法与自立式双排桩的内力及变形分析相
同。
4.3.2.3.预应力垂直锚杆的计算
4.3.2.3.1.锚杆轴主向拉承载力计算
根据地质资料，取中风化岩体极限摩阻力标准值为350kPa，土体平均极限摩阻力标准值
为90kPa，锚杆轴向受拉承载力为：
Nu= [d×Σqsikli＋d1Σqsiklj＋2c(d1－d2)]=998.52kN
式中：Nu——锚杆轴向受拉承载力设计值；li——第i层土中扩孔部分锚固段长度；d1
——扩孔锚固体直径；qsik、qsjk——土体与锚固体的极限摩力标准值；lj－第j层土中直
径部分锚固段长度；ck——扩孔部分土体粘聚力标准值；d——非扩孔锚杆或扩孔锚杆的直
径段锚固体直径；rs——锚杆轴向受拉抗力分项系数，取1.3。
4.3.2.3.2.锚杆预加力值（锁定值）取锚杆轴向受拉承载力设计值的0.5～0.65倍
N=(0.5×Nu)一（0.65×Nu）=499.26～649.04kN
取锚杆预加值（锁定值）为600kNo4.3.2.3.3锚固段长度计算
取土层锚杆抗拔力安全系数K=1.4，土层系数Ko=1，锚固段长度计算为：
取锚固段长度为6m。
式中：Lm——锚固段长度；h——覆盖土的高度；D——锚杆孔径；φ——土的内摩擦角
；γ——土的重度；c——土的粘聚力。
4.3.2.4.计算结果（表1）
5.结束语
实践证明，在密集建筑区软土深基坑支护设计中采用刚架式支护结构和刚架加垂直锚杆
复合式支护结构是成功的。特别是佛山市中医院医疗综合大楼地下室工程基坑面积达13671m
2基坑深－9.45～－12.2m,采用上述支护结构显示出其具有以下优点：a）支护结构形式新颖
，特别是刚架加垂直锚杆复合式支护结构，不仅解决了基坑边紧邻建筑有桩基、地下室不能
打斜锚杆的难题，而且为深基坑支护技术开发了又一独具特色的技术。b）垂直锚秆锚入岩
层，抗拉强度是锚人土层的数倍，锚杆数量较斜锚杆少，工艺简单，工效高。C）支护结构
整体刚度大、变形小、位移小。d)支护结构桩埋深浅，弯矩分配合理，配筋少。e）减免了
内支撑，方便了土方开挖和地下室施工，缩短工期30d，节省投资20％。
参考文献
1蔡伟铭，陈友文．拱形水泥土支护结构在马钢料槽开挖中的应用．工业建筑，1995(9)
:14－18
2黄运飞著．深基坑工程实用技术．北京：兵器工业出版社，1996
3薛光瑾、熊昌康主编．结构力学．北京：冶金工业出版社，1992
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