超高层建筑项目深基坑支护技术

摘要: 深基础施工是大型和高层建筑施工中极其重要的环节, 而深基坑支护结构技术无疑是保证深基础顺利施工的关键。基坑支护的设计、施工、监测技术是高层建筑施工中的技术难题。深基坑的护壁, 既要求保证基坑内正常作业安全, 又要防止基坑及周围土体移动, 并保证附近建筑物的安全。本文通过对不同方案的对比, 介绍深基坑支护的有关技术, 供大家交流。

关键词: 超高层建筑深基础施工支护技术 工程地质

目前国内高层建筑地下室最深的地下六层, 深度为- 26.2 m。基坑深度达- 32.5 m。深基础施工是大型和高层建筑施工中极其重要的环节, 而深基坑支护结构技术无疑是保证深基础顺利施工的关键。 在我国目前各个城市的大型和超高层建筑大量涌现。迄今为止, 全国高度超过200米的超高层建筑已达20余幢。基坑工程呈现出紧(场地紧凑) 、近(工程距离近) 、深(越来越深) 、大(规模和尺寸大)等特点。

深基坑的衡量标准, 国外有的把深度20 ft (约6.1 m)作为深基坑的界限, 我国的施工及验收规范对深基坑未作明确的界定。按照相关《建筑施工现场管理标准》, 深基坑是指开挖深度超过5 m或地下室三层以上, 或深度虽未超过5 m, 但地质条件和周围环境及地下管线极其复杂的工程。

基坑支护设计与施工要综合考虑工程地质与水文条件、基础类型、基坑开挖深度、降排水条件、周边环境、基坑周边荷载、施工季节、支护结构使用期限等因素。基坑支护施工控制的关键是基坑的稳定性、地面变形及地下水的控制、防止基坑隆起、管涌与流砂等险情, 并要根据地质、环境因素的变化适时地调整支护方案。

深基坑支护的基本要求:

( 1) 技术先进, 结构简单,受力可靠, 确保基坑围护体系能起到挡土作用, 使基坑四周边坡保持稳定。

(2) 确保基坑四周相邻建(构) 筑物,地下管线、道路等的安全, 在基坑土方开挖及地下工程施工期间, 不因土体的变形、沉陷、坍塌或位移而受到危害。

(3) 通过排水、降水、截水等措施, 使基础施工在地下水位以上进行。

(4) 经济上合理, 保护环境, 保证施工安全。

深基坑支护结构的主要作用是挡土, 使基坑在开挖和基础施工的全过程中能安全顺利地进行, 并保证对临近建筑和周边环境不产生危害。目前国内深基坑支护技术有:地下连续墙排柱支护、水泥搅拌柱、土钉墙及复合土钉墙、喷锚网支护、逆作法与半逆作法施工、环形支护结构等等。实践中根据土质条件、基坑深度、地下水情况等, 结合不同支护方式的优缺点, 选择经济合理的方案。

1深基坑支护方案确定

拟建建筑物开挖深度为5.50 m左右, 根据场地工程地质及水文地质条件可以考虑的支护方案大体有三种。

①第一种为无支护放坡大开挖方案。但在开发区超软地基中, 表层有13 m厚的淤泥质土层, 含水量在50%左右, 强度很低, 是欠固结土层, 不采用支护而开挖5 m深坑, 实际是很难施工的。由于无支护大开挖将会影响周围邻近建筑物, 道路及各种管道会变形, 因而此方案是不可取的, 也是很难实现的。

②第二种方案是采用钻孔灌注支护排桩, 桩顶设置帽梁, 并设内支撑。此方案从技术上是可行的, 但结合开发区超软地基的特点, 地表下17 m范围内主要为淤泥质土层, 支护桩长度一般要穿过此层, 所以桩长要大于17 m,再加上钢筋混凝土帽梁及内支撑, 因而造价是高的, 对于5.5m深基坑明显是不经济的。

③第三种方案是采用水泥搅拌桩格构状重力式挡墙。此方案结合开发区土层及开挖深度为5.5m的条件, 从技术经济条件分析是比较合理的。重力式挡墙要满足稳定性、强度及变形要求, 经多次试算, 各项指标基本上能达到设计要求, 因而确定为终选方案。

2确保基坑支护结构安全可靠的设计计算要点

为确保基坑支护结构的安全可靠, 必须进行全面、完整、严谨的设计计算。本文总结了一整套水泥搅拌桩挡墙的设计计算要点, 其中主要包括: 桩体截面的选择、稳定性验算、墙体强度验算以及变形估算等内容, 并据此进行了该工程的设计计算。

2．1墙体截面的选择

根据土质条件和基坑开挖深度H, 先确定搅拌桩插入基坑底深度D。按照天津沿海地区的施工经验, 一般要求D /H≥1.1～1.2, 且宜插到不透水层, 以阻止地下水的渗流。墙体宽度B 一般可取B /H = 0.8 ～1.0, 且不宜小于0.6。本工程墙厚3.2 m系考虑采用了3排密排双头钻机并相互咬合而得。由此我们得到的墙体剖面图见图1, 排桩图见图2。

2．2稳定性验算

用改进的简单条分法进行验算, 计算结果显示最小安全系数K0 = 1.587。用比肖普法进行验算, 计算结果显示最小安全系数K0= 1.685。

提示: 最小安全系数大于1.2～1.3, 即可认为整体稳定性安全。若选用的土质参数是快剪指标, 那么当最小安全系数大于1.1时, 即可认为整体稳定性安全。

用不同方法进行的基坑抗隆起稳定性验算结果见表2。

用传统的重力式挡土墙方法进行墙体抗滑移稳定性验算, 计算结果显示抗滑移安全系数Ks = 1.35 > 1.3, 满足抗滑移安全需要。

用传统的重力式挡土墙方法进行墙体抗倾覆稳定性验算, 计算结果显示抗倾覆安全系数Kt = 1.654 > 1.5, 满足抗倾覆安全需要。

墙底地基承载力验算, 计算结果显示: 地基承载力设计值fb = 215.719kPa, 墙底平均压应力p = 200.11kPa, 墙

底最大压应力pmax = 233.311kPa, 墙底最小压应力pmm =176.909kPa。由于p < fb , pmax < 1.2fb 且pmin > 0, 因此满足

地基承载力安全需要。

基坑的抗管涌稳定性验算, 计算结果显示抗管涌安全系数Kp = 4.946 > 2.0, 满足抗管涌安全需要。

2.3墙身强度验算

①用弹性抗力法计算, 结果显示墙身压应力最大值σcmax = 200.659kPa < [σc ] = 400 kPa, 满足墙身抗压强度要求。

②用弹性抗力法计算, 结果显示墙身拉应力最大值σlmax = 0.00kPa < [σl ] = 160 kPa, 满足墙身抗拉强度要

求。

③用弹性抗力法计算, 结果显示墙身剪应力最大值τmax= 31.08 kPa < [τ] = 343.393 kPa, 满足墙身抗剪强度要求。

2.4变形估算

用弹性抗力法计算墙移, 结果显示墙体顶端位移4.13 cm, 基坑底部墙移2.51 cm, 墙体底端位移-0.21 cm。具体分布形式见图3。

假定地表沉降曲线为三角形, 计算结果显示基坑周围地表最大沉降量为3.95 cm。假定地表沉降曲线为抛物线, 计算结果显示地表最大沉降量为2.57 cm。

3结束语

该基坑工程在地质条件与周围环境较差的情况下, 采用水泥搅拌桩支护结构方案, 达到了预期的目的, 为建设单位减少投资与工程早日完成投入使用创造了条件。基坑设计与施工一般情况下都没有问题, 但在运行管理期间,施工单位在基坑周边附近堆放重物超载、施工过程破坏了边坡整体面或基坑周边来回跑车时, 也极易造成基坑失稳事故。因此, 支护完毕后, 应要求支护施工单位与总承包单位办理阶段验收和文字移交手续, 将基坑支护情况、监测结果、注意事项等书面转交总包单位, 同时要求继续委托有资质的检测单位加强监测, 以便出现问题时界定责任。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。