深基坑支护工程的设计分析及其应用研究

摘要：随着我国城乡建设的步伐不断加快，城市人口急剧增长，使土地资源日趋紧张，从而促进了高层建筑在我国的飞速发展，使之成为我国未来建筑的发展趋势。基坑支护工程作为建筑工程的重要组成部分，其质量直接关系到高层建筑的稳定与安全。可以说，高水平的深基坑支护施工技术是整个建筑工程质量的基本保障。因此，研究高层建筑深基坑支护施工技术具有十分重要的意义。

关键词：深基坑支护；设计分析应用

中图分类号：TU47文献标识码： A

前言

深基坑工程是岩土工程，结构工程，环境工程互相交叉，许多复杂因素相互影响的系统工程，是理论和实践仍然有待发展的综合技术工程，区域明显。深基坑支护系统的选型影响因素众多，无论采用何种形式的支护结构，对支护结构的强度、嵌入深度、支护受力及构造都应进行设计和详细的验算，并且对施工过程实施跟踪监测，并将信息及时反馈。

一、深基坑支护技术的设计要求

所谓承载能力极限状态，对基坑支护来说就是支护结构破坏、倾倒、滑动或周边环境的破坏，出现较大范围的失稳。一般的设计要求是不允许支护结构出现这种极限状态的。而正常使用极限状态则是指支护结构的变形或是由于开挖引起周边土体产生的变形过大，影响正常使用，但未造成结构的失稳。基坑支护作为一个结构体系，应满足稳定和变形的要求，即通常规范所说的两种极限状态要求，即承载能力极限状态和正常使用极限状态。

因此，基坑支护设计相对于承载力极限状态要有足够的安全系数，不致使支护产生失稳，而在保证不出现失稳的条件下，还要控制位移量，不致影响周边建筑物的安全使用。因而，作为设计的计算理论，不但要能计算支护结构的稳定问题，还应计算其变形，并根据周边环境条件，控制变形在一定的范围内。

一般的支护结构位移控制以水平位移为主，主要是水平位移较直观，易于监测。水平位移控制与周边环境的要求有关，这就是通常规范中所谓的基坑安全等级的划分，对于基坑周边有较重要构筑物需要保护的，则应控制小变形，即为通常的一级基坑的位移要求；对于周边空旷无构筑物需保护的，则位移量可大一些，理论上只要保证稳定即可，即为通常所说的三级基坑的位移要求；介于一级和三级之间的，则为二级基坑的位移要求。

二、应用实例

1工程概况

某软土地基上建一座集办公、销售及展示于一体的现代化综合大楼, 地上6 层, 地下2 层。基坑开挖深度10. 05 m, 长108. 4 m, 宽31. 6 m, 开挖面积约3 264 m2, 基坑大致呈矩形。基坑周边环境条件复杂, 北侧距道路a 仅5 m; 南侧距住宅楼( 7 层) 15 m; 东侧距两幢小高层住宅( 9 层) 9 m, 距两幢多层住宅( 7 层) 最近处仅6. 6 m; 西侧距道路b 仅5 m, 距高层住宅20 m。基坑侧壁安全等级为一级, 基坑重要性系数γ= 1. 1。基坑所处位置及周边环境如图1 所示。

该工程场地标高在9. 41 m ~9. 52 m 之间, 本支护工程设计的± 0. 00 对应于绝对标高10. 00 m, 自然地面标高- 0. 45 m, 坑底标高- 10. 5 m。基坑各土层信息如表1 所示。

2支护方案比选

根据工程地质条件及周围环境情况, 基坑支护结构采用钻孔灌注桩或SMW 工法较为适宜。因为, 钻孔灌注桩围护墙是排桩式支护结构中应用最多的一种, 施工技术成熟, 其多用于坑深7 m~15 m 的基坑工程, 该支护桩体施工时对周围环境影响小; 墙身强度高、刚度大、抗弯能力强、支护稳定性好 ; 施工方法简单; 平面布置灵活; 适用于软粘性土和砂土地区。SMW 工法又称劲性水泥土搅拌连续墙支护结构, 它是在水泥土搅拌桩中插入型钢或其他芯材形成的同时具有承载力与防渗两种功能的支护形式。该工法施工时占用场地小; 施工速度快; 止水效果好; 施工过程中对周围环境影响小; H 型钢能够回收, 支护成本低。特别适合于场地狭窄, 基坑开挖深度6 m~ 15 m的基坑工程, 适用于粘性土和粉细砂为主的松软地层。对上述两方案经过初步概算后发现, 支护结构全部采用SMW 工法的费用要比全部采用钻孔灌注桩加水泥搅拌桩作止水帷幕的费用低20%左右。钻孔灌注桩的各桩体之间有100 mm~200 mm 左右的间隙, 挡水效果差, 桩后若采用深层搅拌桩挡水,会使得支护结构整体宽度增加, 施工时会占用较大的场地, 而该基坑场地比较狭窄。根据工程经验，SMW工法的止水效果比钻孔灌注桩加止水帷幕的止水效果好, 更能保证该基坑周围房屋和道路的安全。因此, 综合考虑以上因素, 最终决定该基坑支护工程大部分区段采用SM W 工法, 而受房屋荷载影响较大的局部区段采用钻孔灌注桩以控制桩体变形, 保证该区段房屋的安全。

3区段划分和支护桩设计

根据本工程地质勘查资料和周围环境状况, 将基坑坑壁分为5 个区段, 分别为: Q1. Q2 区段, Q2. Q3 区段, Q3. Q4. Q5. Q6 区段, Q6. Q7 区段, Q7. Q1 区段。Q2. Q3 区段支护桩为钻孔灌注桩, 其他区段为SMW 工法。各区段位置及支护结构布置形式如图2 所示。

Q1. Q2 区段距9 层框架结构住宅的垫层4. 7 m, 该住宅所产生的附加荷载为40. 4 N/ m2。该区段型钢密插, 型钢长22. 5 m;Q2. Q3 区段距7 层砖混结构住宅的垫层3. 1 m, 该住宅所产生的附加荷载为87. 55 N/ m2。为了保证该区段支护桩变形在控制范围之内, 防止靠近该区段的房屋因基坑开挖而开裂或沉降, 在该区段采用ɸ900@ 1 100 钻孔灌注桩挡土、三轴深层搅拌桩止水, 钻孔灌注桩桩长21. 8 m, 该区段和其对称位置布置三层支撑, 其他区段布置两层支撑; Q3. Q4. Q5. Q6 区段型钢隔一插二( 转角处的Q4. Q5 段型钢密插) , 型钢长24 m; Q6. Q7 区段型钢密插, 型钢长21. 5 m; Q7. Q1 区段型钢隔一插二, 型钢长21. 5 m。所有SMW工法的水泥土搅拌桩都比型钢长1 m。如图3 所示仅表示出Q2.Q3 区段和Q1. Q2 区段支护桩的剖面图。

根据多层支点支护结构的设计要求, 采用等值梁法计算各支点力, 并考虑拆撑工况, 计算出的各区段内力、位移值如表2 所示。

从表2 可以看出各区段桩移都很小, 完全在设计控制范围之内。SMW 工法中插入的型钢均采用HN700x300x13x24,按当地《建筑地基基础设计规范》对型钢进行抗弯、抗剪和深层搅拌桩抗剪强度验算, 对坑底土进行抗隆起稳定性、抗渗流稳定性和基坑边坡的整体稳定性进行验算均满足规范要求。

4围檩、支撑、立柱设计

围檩按均布荷载作用下的连续梁计算其弯矩和支点反力,Q2. Q3 区段第一层钢筋混凝土围檩截面为800 mmx1 100 mm,受力筋采用12ɸ25HRB335 级钢筋, 对称配筋。第二层钢筋混凝土围檩截面为700 mmx1 000 mm, 受力筋采用6ɸ25HRB335 级钢筋,对称配筋; 第三层钢筋混凝土围檩截面为800 mmx1 100 mm, 受力筋采用12ɸ25HRB335 级钢筋, 对称配筋。所有区段的第二、三层围檩及支撑的截面和配筋均相同。第一层支撑为ɸ610x12 双钢管支撑; 第二层支撑梁截面为500 mmx700 mm, 受力筋选用8ɸ25HRB335 级钢筋, 对称配筋; 第三层支撑梁截面为600 mmx800 mm, 受力筋选用8ɸ25HRB335 级钢筋, 对称配筋。立柱采用缀条格构柱截面为4L140x14, 缀条采用L63x6, Q235 钢材。

结束语

在软土地基上进行深基坑支护工程设计时, 应充分考虑工程地质及周围环境条件对支护工程的影响, 在安全的情况下选择出经济合理、便于施工的支护方案。SMW 工法作为一种新的施工工艺, 其在施工工期及施工费用上与其他支护形式相比有明显的优势, 但是设计时应严格控制型钢变形以利于日后将型钢顺利拔出, 该工法对施工单位的施工质量要求相对较高。因此, SMW 工法在济南市深基坑支护工程中应用较少, 而钻孔灌注桩施工工艺比较成熟, 目前该支护方式应用范围很广。文中所列举的工程是根据基坑周围具体情况, 将这两种支护结构灵活的结合起来, 使所设计的支护结构更加经济合理。

参考文献

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