深基坑工程技术讲座12讲 1-6讲.pdf

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All rights reserved. 技术讲座 深基坑工程技术讲座(4) 沈保汉 (北京市建筑工程研究院) 第四讲 一般粘性土地区常用支护结构类型 411 一般粘性土的特性 我国东北、 华北地区及西北的大部分地区 多属一般粘性土、 粉土及砂土地区(以下简称一 般粘性土地区 ), 而且多数地区的地下水位较 深。 现以北京地区的地基土为代表,加以简单说 明。 北京城区及近郊位于山前洪冲积平原上。 旧城区及关厢一带杂填土一般厚度35m ,淹 废古河道处包括淤泥、 沉积泥和洼地等杂填土, 厚度有的超过10m ,压缩性高,土层厚度分布不 均匀,承载力较低,大部分有湿陷性。在旧城区 及东、 西、 北郊一带相当大的平原地区内,杂填 土以下是第四纪早全新世(Q 1 4)及其以前形成 的洪冲积土层,即北京所称的第四纪老土,其土 质较均匀,压缩性较低,强度较高,层次分布较 有规律。 大部分地区在杂填土以下为粉质粘土和粉 土组成的互层,厚度一般在3、4m至7、8m ,局 部地区有薄有厚,密实度一般为中下密 密实, 硬度一般为较软 较硬。 在粘性土层下,即地表以下5、 6m 至10m 左右处有一层由粉细砂至粗砂或砂卵石依次组 成的砂类土层,其密实度大都是密实的,层面比 较平整,厚度一般为210m或以上,工程性能 好。 除上述的第四纪老土层外,还有一类第四 纪晚全新世(Q 2 4)形成的洪冲积层,北京称为新 近代土。主要分布在南郊一带以及西北郊个别 地区,此外在郊区也有几片。此类土密度较低, 强度较低,压缩性较高,层次分布规律也较凌 乱。 近二十年来,北京旧城区内地下水位大幅 度下降,连同原西部水位较深地区,常年水位埋 深都超过10m ,东郊、 南郊和北郊水位较高,埋 深约2 4m 。 粘性土颗粒细,矿物成份和颗粒结构复杂, 具有一定的粘聚强度,且强度随含水量及应力 历史等一系列因素而变化。由于粘性土的粘聚 强度等因素,支护结构中实际的土压力往往小 于按库伦一朗金理论计算的主压力值。在多数 情况下,地下水位深,既不需要计算静水压力, 也不需要采取防水或降水措施。 因此,就挡土支 护结构类型的选择及其受力状况的分析而言, 一般粘性土地区与软土地区差别很大。现举例 说明。深圳市国商大厦地下车库,处于软土地 区,基坑深8m ,采用d800mm悬臂式灌注桩, 开挖后实测桩的钢筋应力200 M pa,桩顶位移 90mm;北京市北京医院急诊楼,地基主要土层 为粉质粘土,基坑深814m ,采用d800mm悬臂 式灌注桩,开挖后实测桩的钢筋应力27 M pa, 桩顶位移10mm。 412 确定一般粘性土地区挡土支护结构 类型的基本原则 (1)从总体上考虑,必须从基坑各部位的具 体情况出发,根据基坑周边场地条件和地质条 件接近或不同的情况,采用同一或多种挡土支 护结构类型。 位于北京市北闹市口的中国工商银行营业 大楼工程,基坑平面尺寸为135×135m ,基坑深 度14135m ,整个工程分两期。经方案比较确定 在一、 二期交界处采用插筋补强护坡,其余三面 采用桩锚档土支护结构。 (2)从场地条件考虑,如坑周场地较为开 阔,则可采用上段放坡开挖,下段采用悬臂桩或 94 第24卷- 1 建筑技术开发 1997年2月 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 桩锚挡土支护结构;如坑周场地较为狭窄并且 邻近又有重要建筑物需要保护时,则可采用地 下连续墙加锚杆或支撑方案。 位于石家庄市的人防九二九工程,基坑深 度- 1113m ,自上而下的土层为粉土、 粉砂和粉 土,地表以下 6m 范围采取放坡开挖,下段采用 d600mm悬臂式钢筋混凝土螺旋钻孔灌注桩, 悬臂长度513m ,入土锚固深度41 0m (图41 1) 。 图411 石家庄人防929工程基坑护坡 (3)从基坑开挖深度与范围考虑,开挖深度 不大时,可采用悬臂式档土支护结构、 土钉墙或 喷锚支护等结构;开挖深度较大时,可视情况采 用挡土桩加单层锚杆或多层锚杆型式。 (4)从土层地质条件考虑,土质较好的情况 可采用土钉或喷锚支护结构;土质较差的情况, 则可采用桩锚结构或锚杆加地下连续墙等型 式。 (5)从场地的地下水位考虑,如地下水位较 低时,可采用土钉或喷锚支护结构及稀疏桩排 挡土支护结构;如地下水位较高时,可采用支护 桩+水泥土桩(旋喷桩,深层搅拌桩等)或地下 连续墙等。 表413 一般粘性土地基档土支护结构类 型选择表 表411列出了一般粘性土地基部分挡土支 护结构可能选择的类型。 413 实例 表412列出了一般粘性土地基深基坑挡土 支护结构实例。从表412中可以看出: (1)因一般粘性土地区,其边坡土质较好, 且地下水位较低,可利用土拱作用,故排桩法支 护成为这类地区最常用的挡土支护结构类型。 所谓排桩法系指由呈队列式间隔布置(即稀疏 桩排)的钢筋混凝土挖孔、 钻孔、 冲孔和压力注 浆等灌注桩以及H型钢桩和工字钢桩组成的 挡土结构;依其结构型式又可分为悬臂式和支 锚(支撑、 锚杆或水平拉杆)式支护结构;从布桩 型式又可分为单排桩和双排桩(含刚架护坡桩) 布置。 一般粘性土地基部分挡土支护结构类型选择表 表411 支护 型式 结 构 类 型 基坑深度(m) 15 悬 臂 式 支 护 钢板桩或钢筋混凝土预制桩 6060303015 155 5 坚硬程度坚硬岩较坚硬岩较软岩软岩极软岩 单轴抗压强度受岩石的风化程度影响极 大。我国沿海的一部分地区和台湾地区岩层埋 藏较浅。 卵砾石层为碎石士层中的亚类,其密实度 可分为密实、 中密和稍密三类,其可钻性分别为 钻进极困难、 较困难和较容易。我国成都地区, 卵石层顶面距地表49m ,北京西部地区,卵石 层顶面距地表大约为5 8m 。 512 确定硬质地基地区挡土支护结构类 型的基本原则 (1)在本讲座前几讲中已谈到深基坑挡土 支护结构大致可分为止水性和非止水性两类。 软土地区大多数设计都采用止水性工法,但对 于硬质地基深基坑开挖则是两种工法并行使 用。 硬质地基地层具有紧密坚实、 承载能力高和 压缩性低等特点,不致引起开挖面塑性隆起、 砂 涌、 上举以及因降水而衍生周边地面沉降等问 题。 非止水性工法须配合施工场地全面降水,挡 土桩(墙)不承受水压力,故其断面远小于止水 性工法挡土桩(墙)的断面,符合经济原则。 因此 从设计安全性、 施工可行性和造价经济性等几 方面综合考虑,对于硬质地基埋藏较浅的地区, 采用非止水性挡土支护结构往往是最合理的选 择。如果在地表和硬质地基之间有一层较厚的 软土层,且地下水位较高,此种场合则应采用止 水性挡土支护结构。 (2)硬质地基的工程特性差异较大,应奔着 “因地制宜” 的原则,针对不同的硬质地基,采用 不同的挡土支护结构及不同的施工工艺和施工 方法。 513 砂卵石地区挡土支护结构类型 现以成都市区为例。成都市区地基土主要 由岷江水系第四系全新统河流冲洪积层(Q al 4) 的粉质粘土、 粉土、 砂、 卵石及上更新统冰水沉 积(Q al 4)卵石、 砂构成,上覆人工填土,下覆白垩 系泥岩(K2g)。人工杂填土和素填土厚度为215 410m;粉土厚度为110215m;粉细砂厚度 为015310m;卵石层总厚度为1520m ,上部 为厚度015210m ,稍密,卵石层,下为中密及 密实,卵石层顶面距地表410910m;泥岩离地 表约2025m;地下水埋深11031 0m 。 成都市区高层建筑基础或地下室底板一般 放置在中密及密实卵石层上;由于地下水位很 浅,砂卵石为含水层,含水层厚度与卵石厚度相 近,地下水渗透性一般在1020m?d。为了便 于深基坑施工,通常必须将地下水降至基坑开 挖深度以下。 另一方面由于人工填土、 粉土和砂 的内摩擦角均较小,粘聚力也很小,稳定性很 差,是挡土支护结构设计与施工不可忽视的重 要环节。现将成都市的一些挡土支护结构类型 的选择,列于表512。 514 岩层地区挡土支护结构类型 51411 青岛地区挡土支护结构实例 青岛市万海商业城建在填海造地地带, 53 层,建筑总面积1516万m 2, 两层地下室,采用 箱形基础,基坑开挖深度达 9m 多。地表下新近 杂填土厚度为31606140m ,密实程度差,结构 松散,孔隙度大,透水性好;杂填土以下为厚度 25 第24卷- 2 建筑技术开发 1997年4月 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 21403160m的海陆交互沉积的淤泥质中细 砂层;在上述的松散第四系堆积物之下为花岗 岩,强风化带较薄,地基承载力标准值fk = 1000kPa中等风化带的承载力标准值fk= 1500 2500kPa,均视为无压缩的硬质岩石地基。场 区地下水属第四系孔隙潜水,水位埋深4100 5120m。 成都市深基坑挡土支护结构的主要类型表512 挡土支护 结构类型 开挖深 度(m) 做 法优 缺 点实 用 例 打入式预制 桩或工字 钢桩 57 适用于入卵石层深度小于 2m 的情况。 采用打入式300×300 预制桩或36号工字钢桩,间 距7001000mm,挖土后将 桩间灌注同厚度的混凝土形 成连续墙体 打桩速度快;如果要求进入卵 石层深度较大时不仅施工困 难,而且震动较大,影响邻近 建筑物 四川糖油公司底楼地下室采 用300×300预制桩护壁,挖 土深5m;红光电子管厂彩坡 配料厂房扩建工程,采用36 号工字钢桩护壁,挖土深 5m 悬臂式冲 孔灌注桩 13 用冲击钻机成孔,泥浆护壁, 水下灌注混凝土成桩,桩径为 8002000mm;挖土时桩间用 100mm厚混凝土或喷抹钢丝 网水泥砂浆形成封闭的护壁 优点:不降水即可施工;成桩 质量较高;基坑变形小。缺点: 泥浆对施工现场污染较大,给 挖土造成一定影响;造价较人 工挖孔桩高 成都大酒店二期工程、 新世纪 广场及亚太广场等二、 三层地 下室均采用此种类型;是成都 采用最广泛的类型之一 悬臂式人工 挖孔灌注桩 14 先降水后挖孔、成桩,桩径 10001200mm;挖土时桩间 用100mm厚混凝土或喷抹钢 丝网水泥砂浆形成封闭的护 壁 优点:能在狭窄场地及贴近建 筑物施工;施工速度快;工程 造价低。缺点:施工稍一疏忽, 可能会发生人身伤亡事故 省政协活动中心、 东珠大厦、 新时代广场附楼、 四川金融大 厦等一至三层地下室均采用 此种类型;也是成都采用最广 泛的类型之一 锚杆排桩 挡土结构 1321 主 桩 通 常 采 用 直 径 为 1000mm的冲孔灌注桩或直 径为1200mm的人工挖孔桩; 开挖深度为1317m时采用 一层锚杆;开挖深度为17 21m时采用二层锚杆;第一层 锚杆设在- 51 5m 左右处,第 二层锚杆设在- 11m左右处。 锚杆常打在卵石层。因此第一 层锚杆都用 50mm地质钻 杆,既作钻杆又作锚筋;第二 层锚杆,成孔时采用导管跟 进,用钢胶线作锚筋 优点:锚杆进入卵石层,锚固 力大;造价相对较低;可以有 效地限制基坑侧壁开裂,减少 对临近建筑物和构筑物的危 害。缺点:在卵石层打锚杆施 工难度较大,对锚杆机性能的 选择要求较高;与土方施工交 叉较多,施工周期较长 光大国际大厦、 金丽总府大厦 和海外交流中心均为三层地 下 室,开 挖 深 度 分 别 为 151 7m 、151 2m 和1511m,主 桩为冲孔灌注桩或人工挖孔 桩,采 用 一 层 锚 杆,孔 径 130mm,用50地质钻杆作 为锚筋。民兴金融大厦四层半 地下室,挖深17195m,采用两 层锚杆,孔径130mm,第一层 锚杆在- 6m处,锚筋为50 地质钻杆;第二层在- 11m处 锚筋一半为50地质钻杆, 另一半为钢铰线 地面水平 拉结与挡 土桩结构 622 在挡土桩顶部设一横向刚度 较大的钢筋混凝土圈梁,然后 每隔一桩或3- 4根桩设一个 由桩顶内向滑动面外锚拉基 础,其与挡土桩通过水平拉结 相连 优点:由悬臂桩改变为拉结 桩,改善挡土桩受力状态,可 减少桩径和配筋,从而降低工 程造价;减少挡土桩变形。缺 点:因锚拉基础需设在稳定区 内,故要有一定场地 岷山饭店地下室挖深为- 612 - 819m,一侧设11根直径 1000mm的冲孔灌注桩,间距 3m,在15m处设3个锚拉基 础。 川信商贸大厦 挖 土 深 2213m,一 侧 设 直 径 为 1200mm人工挖孔桩,每隔一 桩在后面 4m 处加一深 9m 直 径为900mm挖孔桩作锚拉桩 支撑排桩 挡土结构 21 采用井字式或圆形及弧形支 撑体系 优缺点见本讲座第2讲表212温资大厦、 四川电视塔、 民兴 大厦(局部 ), 川宾安置大厦均 采用此类型 根据上述条件,该基坑采用钢管桩与旋喷 桩组合防渗护壁结构。其设计原理和具体做法 如下。先施打有一定间距 (1m )的钢管桩(直径 为108mm ), 其间距小于旋喷桩直径,钢管桩嵌 入中风化岩一定深度 (2m 以上 ), 以增加被动 岩体的阻力,增强边坡的稳定性,防止基坑侧壁 边坡滑动。然后在钢管桩之间以高压喷射灌浆 法(高压喷射孔必须钻入中风化岩 1m )将水泥 浆液高压喷射入土体中形成以钢管桩为支护 桩、 旋喷桩为防渗体的统一连接整体(图51 1) 。 钢管桩施工采用先造孔(用130mm钻具,取 芯钻进)后打入。高压喷射灌浆采用三重管法。 图511为钢管桩和旋喷桩组合护壁示意图。 35 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图511 钢管桩和旋喷桩组合护壁 51412 厦门地区岩石锚杆在深基坑支护 中应用实例 厦门美仁宫大厦,地上18层,地下2层,基 坑深810m ,建筑平面呈扇形,占地约2000m 2。 拟建场地土层,自上而下分布为:瓦砾杂填土, 稍密,厚度约210m;淤泥,流塑至软塑,最厚 117m;砂质粘土,软塑至可塑,厚度015 117m;粗砂夹淤泥,厚度约313m ,渗透系数为 819×10- 3cm? s; 中微风化花岗岩,顶板埋深 7101210m ,完整性好。 该场地基岩埋藏浅,因而深基坑设计的关 键是解决支护桩的嵌岩问题。 如果采用冲、 钻孔 灌注桩,则嵌岩钻进难度大,排污困难,投资高, 工期长。 如果采用人孔挖孔桩加锚杆体系,锚杆 须穿过粗砂夹泥层,成孔难度大。 最后采用人孔 挖孔桩加桩底岩石锚杆(解决嵌岩问题)的似悬 臂桩型(图512),该方案具有工期短,投资少, 施工方便及工程质量易保证等优点。 图512 人工挖孔桩加岩石锚杆示意 51413 台湾地区硬质地基挡土支护结构 类型 台湾地区使用于硬质地基的挡土支护结构 可归纳为以下四大类。 (1)稀疏桩排工法,台湾地区称为兵桩工法 (Soldier Pile ), 即利用先行设置的主桩,作为开 挖支撑挡桩,主桩间的土压力由横档板或利用 地层拱效应传递到主桩上。 按施工方法及材料不同,稀疏桩排工法又 可细分为人工挖孔桩工法、 钢轨桩工法及钢劈 砾工法(GunpileM ethod)。 钢轨桩工法系以传统的打桩架配备液压 锤,直接将钢轨打入地层中。 一般采用37、40和 45kg?m级钢轨,桩长 812m ,桩距300 500mm ,沉桩完成后,在桩顶部灌注钢筋混凝 土圈梁。该工法在桃园地区的10m以内的基坑 而言,市场占有率约为90%以上。 钢劈砾工法系以机械方式直接将主桩(H 型钢桩)植入于硬质地层中,利用焊于桩尖的特 殊钢材的高强度特性,并用高压喷射水流作用, 以钢劈砾机(Gunpiler)把H型钢桩直接贯入坚 硬地层中。该工法在桃园地区的卵砾石层及北 市近郊坡地岩层深开挖 (10 25m)市场占有率 约40%。 人工挖孔桩工法在台中地区卵砾石层深基 坑工程中市场占有率约95% ,唯在桃园地区仅 有一案例(按94年10月底统计数字)。 (2)连续桩排工法,台湾称为排桩工法,系 采用 “成孔” 、 “插入” 二阶段方式的预埋工法,即 利用各种不同钻掘机具预钻桩孔,然后插入钢 筋笼或H型钢,最后再灌注混凝土,使其成为 连续桩排,作为挡土桩墙。为达到止水效果,桩 与桩之交接有正切和交错两种施工方法。按钻 掘方法和机具不同,连续桩排工法可细分为冲 击式连续桩排工法、 螺旋钻式连续桩排工法、 潜 孔锤钻式连续桩排工法及全套管连续桩排工 法。 冲击式连续桩排工法系利用大型凿井用冲 击钻机,用卷扬设备操作钢丝绳悬吊重型冲击 钻头,以重力方式冲击破碎地层,再用掏渣桶取 出碎块。该方法较适合于疏松卵砾石层及软质 岩层。在桃园地区及北市近郊坡地的市场占有 率约为50%。 全套管连续桩排工法系以专用成孔机,配 备旋转套管或摇管装置,以螺旋钻、 冲击抓斗、 岩心套管辅以潜孔锤或破碎凿 , ( 下接24页) 45 第24卷- 2 建筑技术开发 1997年4月 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 性能好,体积稳定好,一年的体积变化率不大于 0104mm? m , 显著低于加气混凝土等墙体材料, 砌筑缝不收缩开裂,墙面不空鼓、 龟裂,墙体整 体刚度和抗冲击性良好。 空心砌块的主要原料为工业废弃物,因此 砌块在性能优良的同时价格低廉。根据实际生 产线生产状况测算,年产5万m 2 空心砌块,砌 块成本20元?m 2, 售价33元?m 2, 年可创利税 约80万元,生产线投资约50万元。 脱硫石膏粉煤灰空心砌块性能优良,价格 低廉,安装与施工快捷、 简便,工人劳动强度小, 施工效率高,墙面便于二次装修和开槽埋线。 表 8为不同墙体材料所砌筑成墙体的经济比较, 从表中结果可知,脱硫石膏粉煤灰空心砌块是 优质的墙体材料,而且造价明显低于其它墙材。 工程应用也有力地证明了上述结论。 轻质墙体经济比较表8 隔墙名称 厚度 (mm) 墙体质量 (kg?m2) 粘接材料 (元?m2) 墙材价格 (元?m2) 人工费用 元? 人·日 工·日? m2 元?m2 机械费 (元?m2) 小计 (元?m2) 管理费 (小计的32% ) 造价 (元?m2) 脱硫石膏粉煤 灰空心砌块墙 8062218331016170114213?381112125013 加气混凝土墙1001551021151510161701361015014247142151262159 纸面石膏板 墙(加龙骨) 2×12 矿棉 80 30119801016170123134?8512271311215 泰柏板1151151316107010161701457150169411301112412 硅镁空心条板9011210121055161701152150142691922149213 51 结 论 (1)脱硫石膏粉煤灰胶结材性能优良,保持 了石膏材料速凝快硬的基本性能,软化系数提 高,综合利用了工业废弃物,是生产空心砌块的 优质原料。 (2)脱硫石膏粉煤灰空心砌块性能优异,生 产工艺简单,在适宜的热养护条件下,能明显缩 短生产周期,砌块性能优于国外同类产品标准 的要求值,能够满足使用需要。 (3)脱硫石膏粉煤灰空心砌块墙体防火性 能好,整体性强,表面不开裂、 粘接缝不收缩,墙 体自重轻、 造价低,市场竞争力强,是建设部大 力推广的新型轻质墙体材料。 参 考 文 献 1 杨得山译 1 石膏 1 中国建工出版社, 1987 2 丛钢,林芳辉 1 脱硫粉刷石膏的配制与应用 1 建筑技术开 发, 1996(4) 3 丛钢,林芳辉 1 重庆地区电厂脱硫石膏利用研究 1 粉煤灰 综合利用, 1996(2) (上接54页)进行钻掘工作,完成单桩后再以正 切桩或交错桩施工方法,形成连续桩排。 该工法 仅适用大直径桩 (0 1821 0m ), 在硬质地层中 似嫌不经济。 螺旋钻式和潜孔锤钻式连续桩排工法,因 在台湾使用实例很少,故此处不再赘述。 (3)地下连续墙工法,其挖掘机具按硬质地 层特性不同,可分别采用砾石抓掘机和岩层切 削机。在台湾使用实例也很少。 (4)沉箱工法系先行于预定场地构筑完成 地下基础结构,利用自重或另加载重,以克服沉 箱底端阻力和侧壁摩阻力,并於箱底以抓斗挖 掘土石,使沉箱基础缓缓下沉至预定深度,沉箱 侧壁直接作为挡土墙用,并作为地下室承重墙 用。此工法在台湾地区使用也很少。 515 硬质地基钻机的开发 在日本有专门研究岩层钻孔的协会,即岩 盘削孔技术协会,成员单位超过60家,针对硬 质岩和软质岩已开发出关于长螺旋钻进、 回转 钻进、 带套管回转钻进和冲击钻进等三十多种 工法,值得我国借鉴。 42 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. 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