海玉酒店基坑人工挖孔桩托换技术设计

摘要：在操作空间不够的情况下，通过设置人工挖孔桩即达到了支撑原有建筑的目的，又起到了挡土支护的作用，最后在人工挖孔桩上施加预应力锚索控制桩顶变形，对原有建筑的保护也是相当有利的。

关键词： 基坑支护人工挖孔桩 托换 设计

中图分类号：TV551文献标识码： A

前言

当今社会城市建筑群越来越密，新、老建筑“争地”问题日益突出，许多新建(构)筑物基础就修建在已有建（构）筑物周边，新建筑基坑的开挖不仅会对原有建筑造成影响，而且由于原有建筑的存在也会给新建筑基坑的开挖支护带来更大的难度[1]。

本文结合一个设计案例，对以上情况基坑开挖支护方案的选型及方案的设计进行探讨。

1工程概况

拟建工程位于XX市人民北路与嘉士伯大道（茫涌道）交汇处的东北侧，XX三中南侧，现海玉酒店（旧建筑）西侧。

原海玉酒店为一栋地上6层框剪结构多层建筑，基础形式为钢筋砼条形基础，改扩建工程为一栋地上15层，地下1层框剪结构的小高层酒店。旧建筑外墙距改扩建建筑基坑开挖边线仅0.6m，新旧建筑基底高差为4.6m，改扩建建筑基坑开挖时，常规的基坑支护方法没有足够空间位置可供实施，必须采用特殊手段保护原有建筑及新建筑基坑开挖安全。

图1新旧建筑平面位置图

2场地工程地质条件及水文地质情况[2]

2.1工程地质条件

地基土为山前洪积成因的第四系全新统（Q4）粘性土、粉土、粘性土夹砾石及粉土夹砾石。

主要地层参数表 表1

土层编号 土层名称 天 然

密 度

p(g/cm3) 压缩

模量

ES1-2

(Mpa) 快剪 固结快剪 三轴剪 地基承载力

特征值fak(Kpa) 人工挖孔桩

φq

(度) Ｃq

(Kpa) φc

(度) Ｃc

(Kpa) φuu

(度) Ｃuu

(Kpa) qsik

(Kpa) qpk

(Kpa)

① 杂填土 1.80* 5.0* 15.0* 0.0* 10.0*

② 粉质粘土 1.90 5.93 10.0* 35.0* 4.5 15.3 160 55

③ 泥炭质粘土 1.54 1.84 12.2 22.3 2.0* 5.0* 60 15

③1 粉土 1.84 4.56 18.5 19.3 5.0* 10.0* 140 30

③2 粉质粘土 1.80 3.19 14.6 17.8 5.4 13.2 120 30

③3 角砾 2.00* 20.0* 0.0* 20.0* 0.0* 220 90

④ 粉质粘土夹砾 1.91 6.25 11.5 32.5 190 55

④1 粉土夹砾石 1.98 7.81 7.3 39.8 180 65 1500

⑤ 粉土 2.01 8.15 11.5 32.0 190 60

⑥ 粉质粘土夹砾 1.90 8.15 8.6 33.2 200 75 2200

⑥1 粉土夹角砾 2.04 10.0* 6.3 34.8 210 65 1800

⑦ 粉质粘土 1.90 7.42 14.7 36.7 190 70 1300

⑧ 粉质粘土夹砾 2.05* 12.0* 15.0* 40.0* 300

注：1. 带*的为根据土工试验、原位测试成果并参考结合周边工程经验综合分析的取值；

2.qpk为桩的极限端阻力标准值，qsik为桩的极限侧阻力标准值。

2.2水文地质条件

地下水位稳定在现地表下0.90m～1.70m之间，地下水主要属孔隙型潜水及少量上层滞水，主要含水层为表层松散填土、粉土及含砾粉土层。补给源为西部山坡面流、潜流及大气降水，地下水略具承压性。

基坑开挖大部分地段揭露③1层粉土，地下水连通贯穿后，水量会比较大，经抽水试验可知，综合渗透系数K=4.2m/d，当基坑开挖5m深时，基坑涌水量在464m3/d。

3突出的岩土工程问题

3.1老楼地基承载力不足

老楼西侧条基基础面积减少，楼上部结构荷载不变，因此要求地基承载力提高，同时该条基将变为偏心基础，地基偏心受力。

3.2 新建筑基坑开挖产生土压力差

在新楼土方开挖前，老楼基础受东、西两侧土压力作用达到平衡，新楼一侧一旦土方开挖，原有土压力平衡将被打破，即只受东侧土的主动土压力，土体的主动土压力较大，基础就可能被土压力挤压变形甚至开裂垮塌。

3.3 地下水控制

（1）新建筑基坑坑外地下水的防渗

（2）防止老楼基础下土层中地下水的流失

4支护方案的选型

4.1对旧建筑条形浅基础下6~7m土层进行注浆加固，先增加地基土的承载力后再进行新建建筑的基坑开挖，由于基坑开挖不算很深，因此加固土体后开挖的基坑仅采用砼喷面封闭暴露土体。

（1）优点：方案造价低、比较经济；

（2）不足：

①地基土加固若仅对基坑开挖一侧加固，地基承载力将会不平衡，可能导致旧建筑不均匀沉降倾斜，若满堂加固首先由于原有建筑的存在不具备条件，其次满堂加固也较单侧地基土加固造价升高；

②由于地基土加固效果不确定因素较多，新建筑基坑开挖后壁面仅作喷面处理，风险过大。

4.2采用支护结构作为今后新建建筑的地下室外墙。

（1）优点：

①可以省去支护结构或者地下室外墙其中一笔费用；

②为机器施工创造出一定条件。

（2）不足：

①若支护结构或者地下室外墙合一，当支护结构采用的是支护桩时，支护桩须密布或者搭接，支护桩内侧一般需做衬墙来满足结构设计要求，工序过于麻烦，造价也会上升；当支护结构采用的是地下连续墙时，造价过高，且为长度仅为10m的一段单独采用地下连续墙是不太可能的。

②支护结构若采用机械施工将有可能对旧建筑造成较大的影响，有可能在施工过程中原有建筑物就会产生变形、开裂现象。

③没有考虑到由于基坑开挖而造成的旧建筑条形浅基础下的地基承载力的损失。

4.3支护结构即作为新建建筑基坑的支护挡土结构，又作为旧建筑的承重结构

图2人工挖孔桩布置图

（1）优点：

①既满足了基坑开挖支护挡土的需要，又满足了对旧建筑承重的需要，一桩两用；

②若采用人工挖孔桩作为支护桩，施工中对旧建筑的影响将降至最低。

（2）不足：

①人工挖孔桩施工进度较慢，在施工期间需安排好施工顺序。

②造价在方案一的基础上会有所提高。

综合对比以上方案，本着安全、经济、便于施工的原则，最终选定采用方案三作为本次支护设计的方案。

5支护方案设计

5.5从对旧建筑的承重方面对桩进行设计

（1）旧建筑长20m，宽9m，所占面积180m2

旧建筑6层每层15kpa共90kpa

旧建筑总重180x90x1.2=19440KN

由于仅对旧建筑西侧进行基坑开挖，东侧并不开挖，按最不利情况考虑，假设西侧开挖处条形基础承重为旧建筑总重一半19440x0.5=9720KN，共设置5根人工挖孔桩，每根桩承载力特征值=9720/5=1944KN

（2）人工挖孔桩单桩极限承载力标准值

Quk= Qsk + Qpk =u∑ψsiqsikli+ψpqpkAp) [3]

qsik―桩侧第i层土的极限侧阻力标准值（kPa）

qpk―极限端阻力标准值（kPa）

ψsi 、ψp―大直径桩侧阻力、端阻力尺寸效应系数，对于粘性土、粉土ψsi=（0.8 / d）1/ 5，ψsi=（0.8 / d）1/ 4

d-桩直径（m）

u-桩周长（m）

Ap-桩端面积（m2）

li-桩周第i层土的厚度（m）

u∑ψsiqsikli=3.14x1.2x∑（0.8 / 1.2）1/5（30x0.5+65x1.8+55x5.3+65x3.5）=2262.64KN

ψpqpkAp=（0.8 / d）1/ 4 x 3.14x0.6x0.6x1500=1532.82 KN

Quk=2262.64KN+1532.82 KN=3795.46KN

3795.46KN基本上是1944KN的2倍。

因此，承载力满足要求。

5.6从基坑支档方面对桩进行设计

由于基坑开挖深度不是很深，场地工程地质条件也较好，因此基坑安全等级设为二级，结构重要性系数取1.0。但是基坑一边紧邻6层旧建筑，今后还要继续使用，对基坑顶变形控制要求较高，因此人工挖孔桩外侧土压力取作静止土压力计算。

（1）基坑开挖深度按1983.6下6.0m计，原基础埋深1983.6下1.4m。坑顶旧建筑附加荷载每层楼取15kpa，6层取90kpa，扣除浅基础1.4m深度范围内土层(均为填土)重度25KPa，地面附加荷载65KPa。以作为承重桩的5棵人工挖孔桩（桩径1.2m，桩间距2m，桩长16m）为支护桩进行复核验。

图3支护立面图1

其主-被动土压力图，剪力图，弯矩图如下：

图4基坑支护主被动土压力、位移、弯矩、剪力图[4]

虽然计算出的各项稳定性均大于规范要求，但是支护桩桩顶位移达到21.66mm，对于一般二级基坑，甚至是一级基坑这个变形量都是可以接受的，鉴于本工程的特殊情况，需要严格控制桩顶的变形量，因此考虑在桩顶以下1m位置5棵桩之间施工4棵预应力锚索，通过每棵锚索提供130KN的预应力来控制变形量。

图5支护立面图2

图6基坑支护主被动土压力、位移、弯矩、剪力图

通过桩身受力图不难看出，设置预应力锚索后，支护桩桩顶位移不超过5mm，对于变形控制、以及旧建筑的保护是有利的。

5.7确定的设计方案

（1）5棵直径Φ=1.2m，长度L=16m@2m，砼强度C25的人工挖孔桩，主筋31Φ16（Ⅲ级），加强筋Φ14@1500（Ⅲ级），箍筋Φ8@200（Ⅱ级）；

（2）4棵锚索成孔直径150mm，深度16.5m，自由段5.5m，锚固段11m，成孔角度25度，预应力锚索由3束15.24（1860级）高强度低松弛钢绞线组成，水泥浆为42.5MPa号硅酸盐水泥配置的M30水泥浆，水灰比1:0.5，预应力值130KN。

6 存在问题

6.1虽然基坑较浅，工程规模不大，但是工期需要时间较长，造价较高；

6.2人工挖孔桩与条形基础接触界面力的作用原理尚不十分明确；

6.3预应力张拉过程中对托换结构的受力及变形定量分析[5]；

7 结论

7.1既有楼旁贴建新楼，并且新楼基底标高低于老楼标高，两楼相接部位的地基处理、基坑支护一般的施工方法难于实施，采用兼有基坑支护功能的托换技术可有效解决此类难题；

7.2托换工程要求技术含量高、风险大，施工前需充分收集材料，细心设计，施工中需加强管理，施工中必须加强必要的沉降观测，时时做到动态施工。

7.3本工程采用兼有基坑支护功能的人工挖孔桩进行地基托换是可行的。

文献资料：

[1]吴民利 兼具基坑支护功能的地基托换技术 筑龙岩土 2011.1.17

[2]海玉酒店改扩建工程岩土工程勘察报告 2011.11

[3]建筑桩基技术规范（JGJ94-2008）

[4]理正深基坑7.0设计软件

[5]李晓波 广州地铁楼房桩基托换工程技术总结 广东土木与建筑 1999（03）