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双排桩加预应力锚索在深大基坑中的应用探讨

367 2021-01-15 10:53:34


一、前言


双排桩是由两排平行的支护桩、桩顶连梁形成的空间围护结构体系。比单排桩刚度大、稳定性好、不占用坑内施工空间、控制位移较可靠,在深大基坑的支护中应用越来越多。


预应力锚杆是由锚头、锚固体组成,利用预应力筋自由段(张拉段)的弹性伸长,对错杆施加预应力,以提供所需的主动支护拉力的长锚杆。2由于其在现场没有允许设置锚杆的地下空间不能用,在软粘土或易发生蠕变的粘土等土层中使用经济上不合理,在中心城区开发中使用受到限制。


被动区土体加固是指在坑底存在软弱土层,特别是存在深厚软弱土层时,为了增加被动区抗力,提高支护结构的稳定性并减少变形而对位于基坑底面上、下的土体采取的某种增强加固措施。其目的在于增加被动抗力,分担基底荷载。


在葛洲坝 B区基坑支护工程中,针对工程面积大、深度大、需要无支撑支护的特点和特殊性,将双排桩与预应力锚杆结合起来应用,在局部软土深厚区增加被动区土体加固,使三者有机的结合进行联合支护,收到一定效果,为双排桩在深大基坑中应用提供了成功经验,并提出在深大基坑中采用双排桩控制桩体变形、改善桩体内力的工程技术措施。


二、工程概况


葛洲坝国际广场位于武汉市汉口青年路范湖大转盘处(富苑假日酒店)东部地带。该广场分为南、北地块。其中北地块又分为 A、B、C三个区,共由五栋42 层、十三栋32层高层住宅建筑及 2层商铺、会所及幼儿园等组成。B区设满堂二层地下室,占地面积 2800m²,基础埋置深度(相对于±0.000)分别为-10.00m 和一11.20m,基础均采用钻孔灌注桩。总体平面图详见图 1。


三、B 区基坑的特点及难点


1.环境条件较为严峻,位移控制要求严


基坑北侧东部为本项目用地范围,北侧西部7.0m外为多栋民房。基坑东侧距红线最近为 4.5m左右,最远距红线 12.0m,红线外为规划道路及多栋民房。基坑南侧为马场角路,基坑边距红线7.7m左右,该道路尚未修建。基坑西侧距红线最近为1.5m左右,红线外紧临富苑假日酒店 因此本基坑环境保护方面的问题较突岀 坑内建筑釆用钻孔灌注桩基础,工程桩亦需注意保护


2.基坑开挖面积大 开挖深度深



根据业主提供的资料,现场地自然地面标高为0.00~1.00m不等,基坑周边梁底和承台底标高分别为一10.00m 和-11.20m,基坑设计深度为9.30~11.20m。基坑开挖面积达 30000m²,属大型深基坑。


3. 基坑侧壁及坑底土层土质较差,属深厚软土


本基坑所处场地属长江一级阶地。组成基坑侧壁及与基坑支护有关的土层为:


①杂填土,位于基坑侧壁。色杂,以灰色为主,湿,松散,主要成分为混凝土和少量砖块、碎石混粘性土及淤泥质土等建筑垃圾组成。该土层堆填时期较长.超过 10年,土层厚度0.50~4.50m,平均厚度 2.78m。


②; 粉质黏土,位于基坑侧壁。黄褐、褐色,饱和,可塑,局部夹薄层的粉土。该层场区分布较稳定,顶板埋深0.80~3.60m,厚度1.40~4.30m.平均厚度2.63m


②-1 淤泥质粉质黏土,坑底已接近或揭露。灰褐、灰色,饱和、软塑。局部流塑、局部夹薄层粉土。该层全场区均有分布,顶板埋深0.50~6.80m,厚度 4.80~ 12.60m.平均厚度 7.91m。


③层粉砂、粉土、粉质黏土互层(Q?*")、坑底已接近或揭露。青灰色.饱水.粉砂稍密状,粉土为稍密状,粉质黏土为灰黄色、饱和、流塑状。三种岩性呈互层状.该层在场区均有分布,具摇震反应。顶板埋深8.90~16.70m,厚度5.00~9.30m.平均厚度 7.08m。


③-1粉细砂(Q1al+pl).位于坑底以下。青灰色,饱水.中密状,成分以石英、长石为主、含少量的黑云母碎片。该层局部夹薄层粉上,在场区均有分布,顶板埋深 17.50~23.40m,厚度4.90~13.00m。平均厚度9.39m。


4.地下水需治理


本基坑已接近或揭露下部砂层承压含水层,且侧壁(2—2)淤泥质粉质黏土下部普遍夹有较多粉土,因此本基坑需要考虑侧壁止水和坑底突涌防治。上部杂填土中的上层滞水亦需处理。

四、基坑支护方案选择

原设计根据基坑的工程特点,采用钻孔灌注桩加两道混凝土双圆环内支撑支护,对地下水采用深层搅拌桩止水帷幕隔渗和中深井疏干降水治理。建设单位考虑工期等方面原因,希望坑内无障碍施工。由于主楼临边较多.不宜采用一般大型基坑常用的中心岛设计施工方法。最终将支护设计改为中800mm双排桩悬臂支护.双排桩之间采用深层搅拌进行土的加固,加固深度与桩深相等∶桩的布置前后排对应。前后桩顶之间按门架要求设置连梁,因连梁横向(即桩排纵向)间距不大,连续浇筑混凝上,形成一整体带助钢筋混凝土板。西端靠近富苑假日酒店处,为控制位移,对被动区土体进行水泥土搅拌桩加固。地下水采取利用双排桩间土体深层搅拌桩加固作为止水帷幕隔渗和 27 口中深井疏干降水治理。

五、基坑支护设计

由于双排桩目前没有成熟公认的计算方法.故参照已经有的几个成功工程实例的方法计算,程序采用的计算模型见湖北省地方标准《基坑工程技术规程》DB-42/159- 2004叫条文说明 6.3.5 条,主动土压力按经典朗肯理论计算.被动土压力按"m"法计算,桩间土以压缩弹簧取代.计算中还考虑了桩间土剪切变形产生的抗力(这种模型比较适合桩长相对于排距而言比较大的情况)。


纯双排桩计算结果显示桩顶位移偏大,对需保护的临边建筑及道路不利。为控制整体 10 米多高呈悬臂状态的双排桩的桩顶位移。将前后排桩顶部横梁向后延伸一段,延伸段上 N 点处设置预应力锚索锚杆。计算显示位移、弯矩、剪力均有所减小见图4。


临富苑假日处,由于上部无卸土减载空间.将悬臂支护高度增大 2m,也在 N点处设置预应力锚索锚杆。为更好的控制桩体位移。坑底以下 3.5m 高范围内用中 500mm@ 350mm 粉喷桩被动区土体加固。见图 2 的 AB 段。

最终计算结果显示桩顶位移均能控制在 30mm 以内。计算的各土层的物理力学指标见表 1。



六、基坑施工监测结果


在有支护情况下,由于支护变形引起地面沉降影响范围为坑深的 3~4倍以内.故对临坑边 30m 范围内的邻近建筑物、地下设施的沉降进行了监测。

基坑施工从2009 年3月开始到 009年11月结束。基坑开挖从2009年7月开始到 2009年 1I月开挖到底。监测结果显示从开挖到挖至坑底,双排桩顶的位移、坡顶位移值均在正常范围以内.周边房屋沉降均匀。但由于某种原因开挖至坑底以后搁置较长时间.后期监测结果显示坡顶位移结果有较快的增长。具体情况如下。


显示位移值均≤15mm,开挖桩身位移情况。桩顶往坑内方向倾斜.变形均匀,桩顶最大位移均≤20mm、亦小于设计计算结果.满足一级基坑要求。桩底存在少许反向位移.与计算结果桩底位移为0不相符.反向位移与桩顶位移相加与计算结果基本相符。有反向位移主要是由于与已有双排桩支护成功的工程实例相比.本基坑有其不利之点,即坑底以上有厚度很大的淤泥质土,产生的主动土压力较大;坑底为交互层.勘察报告提供的强度参数不高.桩的嵌固条件不是十分理想。说明在很软的土里,刚度较大的桩体产生整体转动时被动抗力不足,使桩底部产生反向位移,对支护体系的稳定性不利、表明应设法改善桩底的嵌固条件。


双排桩上部放坡的坡顶位移情况。测点共30 个。开挖 1个月监测结果2个月监测结果显示位移均≤30mm,开挖到底时监测结果显示有少部分测点位移超 10mm。开挖到底以后施工进度缓慢。坑底暴露时间较长。至 2010年1月中旬止,监测结果中有一半测点位移大于40mm,其中AB段达 32~121.7mm,BC段 28.3~74.9mm.其余段 15.1~ 79mm不等。总体来看上述位移较小值基本在基坑角部,位移值大值在基坑长边中段。周边房屋沉降情况。北侧西部BC段临民房处沉降均匀,至 2010年1月,该段坡顶民房周边8个观测点的沉降值在25.1~29mm间。西侧富苑假目酒店沿边10个观测点除了3个观测点由于无法进入无成测结果外,其余?个测点结果显示沉降均匀。至2010年 1月,该7 个测点的沉降值在 23~28.9mm间,沉降均匀。


七、控制双排桩变形及改善桩体内力的工程技术措施


增大桩的抗弯刚度,可减小双排桩桩体侧同位移,但抗弯刚度提高到一定程度后,低桩体变形效果不大,弯矩会迅速增加。则可采取下述工程技术措施控制双排桩变形,善桩体内力。


1.改游连梁(横梁)与桩体刚接条件。纵向连梁的空间整体效应,有利于改善排桩的形状态。提高连梁刚度对限制桩身变形的作用有限。当连梁与前后两排桩较接时,桩身位移刚接1.5倍以上。连梁与前后桩刚接使桩体内力分布更趋均匀,从而减少桩身变形突变,减桩体最大变形值。因此,桩筋与梁筋间的焊接及锚固长度,以及桩顶与连梁混凝上整体性应1保,使杭梁刚接形成门架。宜控制与桩顶相接部位的连梁抗弯刚度不小于桩体5倍。


2.减少无支护放坡高度。放坡时.后排桩承受放坡上体超载大∶当后排桩稀疏布"时承担更大的土压力。实测资料表明,此时后排桩产生的最大位移位于桩顶以下3~5n处,且远大于前排桩,相应增大了前排桩承担的土压力及整个双排桩位移。而后排桩承受的抗拔力却很小(实测钢筋拉力值甚至只有按不放坡计算值的十分之一),表明产生的抗倾覆力矩有所减小,亦会增大变形。无放坡开挖时,前后排桩的位移及弯矩分布大致相同,上部与下部弯矩方向相反,反弯点在基坑底面附近。可将桩顶均上抬,或仅将后排桩伸出连梁上抬形成"h"型双排桩,以减少无支护放坡不利影响。


3. 改善桩端嵌固条件。双排桩门形刚架结构在土质较好、桩底支承有保障情况下、具有很大抗侧向位移刚度,有利于变形控制。当桩间土松软时,前后桩不能形成组合刚度。桩底位于软土层内时,桩体受力产生整体转动,不利于抗倾覆稳定。应采取下述措施改普桩端嵌固条件:


(1)桩底宜穿过软土层进入硬土层。尤其是前排桩处于受压状态。宜处于桩端阻力高的土层。


(2)采用泥浆护壁施工灌注桩时,孔底沉渣厚度不宜大于50mm,或采用桩底后压浆加固沉渣及与周边土体. 改善嵌固条件。


(3)后排桩处于抗拔状态,应通长布筋。


4.加固桩间土及被动区。当桩间土需加固时,加固范围应与前后排桩接触(满堂或格棚状加固),并加深1-2 排深搅桩或高喷桩至满足隔渗要求。一般认为桩间土承载力小于 150kPa 时,宜加固。


5.设置内支撑或预应力锚索。设置内支撑削弱了双排桩有利于加快施工速度 和进行机械化施工优点。采用预应力锚索在外侧有足够布置空间时,按接近水平方向布置锚索、锚固点宜在前排桩上。在缺乏布置空间时可将预应力锚索布置在后排桩顶的连梁上.斜向下布置,可提高前排桩抗压、后排桩抗拔及锚索拉力形成的力偶与桩前被动土压力产生的抗倾覆力矩,提高抗倾覆稳定性减小地基变形,桩身弯矩及桩体变形。锚索竖向分力对连梁施加的反向弯矩,也有利于加大连梁控制变形能力。


6.缩短基坑开挖及双排桩支护挡土时间。


八、结语

1.在深大基坑无支撑支护中采用双排桩加其他方式组合支护思路是正确的,双桩排间土体采用搅拌桩加固,既增加双排桩的综合刚度.还可以起到隔渗作用。预应力锚索的作用情况有待于进一步研究。

2.在周边环境紧张和坑底土层软弱的情况下,提出了6点控制双排桩变形及改善桩体内力的工程技术措施。

3.双排桩顶位移不大但坡顶位移过大的原因系放坡过大所致,桩顶卸载高度应把握一定尺度,上阶坡支护力度要强。若将桩身整体上抬可有效控制坡顶位移。

4.开挖到底后长时间的暴露对位移结果影响很大,其时空效应不容忽视。

5.由于本工程未对预应力锚索受力状态进行检测,其效果有待于在今后工程实践中予以检验。




感谢供稿作者:

向艳(武汉市科技委岩土与深基坑专业委)