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松柏大厦基坑支护设计与施工

337 2021-11-23 15:44:38

一、工程概况

松柏大厦位于厦门市松柏路与莲岳路交叉口东南角,东邻近松柏湖,南边是拟建的新华社厦门分社大厦。该大厦由两幢 28 层塔楼及5层裙楼组成,塔楼高 88m,框剪结构,基础采用人工挖孔灌注桩加承台。

该大厦设两层地下室,用于人防和停车场。基坑面积 2903m²,开挖深度9.10m。基坑支护采用人工挖孔灌注桩和预应力锚杆。挖孔桩直径为1.0m和1.2m。桩长 12.10~14.0m。间距2.0m,共计107根。预应力锚杆共计50根,在基坑北边设31根,间距1.0 ~2.0m,锚杆长度 25m,设计承载力 384kN,基坑西边设 19 根间距1.0m。锚杆长度30m,设计承载力 495kN。

松柏大厦基坑支护结构于 1994 年1月中旬开始施工。4月底完成。基坑土方开挖于6 月下旬完工。该大厦的两层地下室主体结构于1995年底完成。基坑工程和支护结构的平面图见图1和图 2。

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二、场地工程地质情况

松柏大厦建筑场地地貌属海滨相沉积滩,在支护结构埋深范围内,场地地层自上而下分别为∶

(1)人工填土。厚度1.8~5.5m,主要由粘土混约 30%碎石,砂及建筑垃圾等组成,系人工近期堆填。

(2)海积层。包括淤泥和粉土,总厚4.5~11.8m。其中淤泥厚4.5~9.0m,全场分布,粉土层厚0.6~3.2m,主要分布在场地南侧。

(3)冲积层。包括粘土、粉质粘土、粉土和粗砂层。总厚度0.5~5.9m∶①粘土为局部分布,厚0.9~4.0m,硬塑状态;②粉质粘土,主要分布在场地北侧和东南角,含10%~20%石英粗砂。硬塑状态厚度0.5~5.0m∶③粉土,呈透镶体形式存在。主要分布在场地西北角和中部,厚度0.5~2.2m,可塑—硬塑状态;④含泥粗砂,主要分布在场地南部,厚0.5~2.6m,石英砂中含10%~20%的粘性土,饱和,稍密—中密状态。

(4)残积层。包括花岗岩残积砂质粘土和凝灰岩残积粉质粘土,总厚度 10.5~31.10m。花岗岩残积土在场地大部分均有分布。厚度 10.5~31.1m。凝灰岩残积土主要分布在场地西侧,厚3.2~29.8m,上部呈可塑—硬塑,随深度增加,下部呈坚硬状态。

场地地下水埋深0.4~2.8m,除赋存于含泥粗砂中的水属弱承压性潜水外,还赋存于其他土层中的水均属上层滞水。海积层的渗透系数为3.59×10~7cm/s,冲积粉质粘土渗透系数为2.48×10-4cm/s,冲积含泥粗砂层的渗透系数为4.0×10-3cm/s。残积层渗透系数为(3.2~6.8)×10-5cm/s。

该工程地质勘察报告提供的土层特性指标的标准值见表1。基坑北边3号地质钻孔和南边 39号孔的地质柱状图见图3。

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三、支护结构设计1.支护方案选择

该工程基坑开挖深度为9.10~9.30m,在此深度范围内有总厚度达8~13m的杂填土

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和淤泥。给基坑支护造成较大困难。若采用悬臂桩将使桩径和桩的嵌固深度大大增加。其结果不但费用高、工期长,而且由于桩顶水平位移较大,容易危及基坑周围道路、地下管线的安全使用。经过分析比较,认为采用人工挖孔灌注桩,预应力锚杆和钢筋混凝土角撑相结合的支护结构体系较为有利。即在桩顶锁口梁处安设一排预应力锚杆。在基坑开挖前通过对锚杆施加一定的预应力,从而改变了围护桩被动受力状态。并可使桩顶水平位移大大减小。有利于基坑的稳定和周围建筑物的安全。

该基坑的北边紧邻松柏路,西边为市区干道莲岳路,这两侧淤泥层厚度达5.0~7.20m。为了减小基坑水平位移,确保道路和地下管线的安全,在基坑西、北边中部的围护桩锁口梁上设置了预应力锚杆。

基坑南边与拟建的新华大厦相邻。经协商、施工中可借用部分场地。为了便于修筑施工用坡道和降低支护工程造价,该边采用放坡开挖与短桩相结合的支护结构。

支护结构平面图和剖面图见图 2和图 4。2.支护结构计算参数

(1)各土层物理力学指标。见表2。表中土层物理力学参数的确定主要依据该工程地质勘察报告、同时也根据工程实践经验对部分计算参数作了修正。人工填土层的C、g值是根据工程经验确定的。淤泥土的天然水含量最高达 75%,根据经验 C、φ值略低于地质报告给出的标准值。

(2)各土层计算厚度。见表3。表中基坑北各土层的计算厚度为北边1~6号地质孔所给数据的平均值,基坑西侧为该边4号、5号、16号地质钻孔所给数据的平均值。基坑

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东边和南边直线段部分各土层厚度为东南角 31号地质钻孔柱状图给出的数值;基坑南边弧线形部分土层厚度为该处 37号、38号地质钻孔所给数据的平均值。

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(3)基坑底标高-10.30m(相对标高),锁口梁顶面标高;除南边圆弧线段为-6.30m外,其他均为-3.50m。基坑周边地面荷载按5.0kN/n2考虑。

3.计算方法

(1)计算假设∶

1)支护结构承受的主动和被动土压力按朗肯土压力理论计算。被动土压力按1.4的安全系数予以扣减。

2)地下水位以下的侧压力按水土合一方式进行计算。

3)桩顶锁口梁与预应力锚杆和角撑的连结处简化为铰支点。

(2)计算简图与计算方法∶

1)计算简图见图5,土压力按实际选取的计算剖面中各土层情况分层计算。

2)基坑南边圆弧段部位按深埋桩计算,其他部位均按浅埋桩计算。

3)先按计算图求出桩的嵌固深度,然后求桩顶支点反力和桩身最大弯矩。

4)按求出的桩身弯矩,桩顶支点反力和桩间距为2.0m,分别对桩身和锁口梁配筋,计算角撑断面和预应力锚杆设计参数。

(3)预应力锚杆的拉力与锚杆长度的确定;1)根据以上计算,设于基坑北边和西边围护桩顶处锚杆应提供的水平反力分别为 333kN 和427kN。则锚杆的轴向拉力计算公式为

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四、支护结构施工

该基坑支护结构的施工包括人工挖孔桩、预应力锚杆、桩顶锁口梁及钢筋混凝土角撑的施工。

总的施工顺序为;先施人工挖孔护壁桩,再施工预应力锚杆,最后进行锁口梁和角撑施工。

1.人工挖孔护壁桩施工

人工挖孔桩是厦门地区采用较多的一种灌注桩施工方法。根据该工程的具体情况和特点,为保证工程质量和施工安全,施工中采取了以下主要措施;

(1)施工前做好技术、安全交底,对所有的原材料进场后按有关规定抽样检验其质量是否合格。

(2)严格按桩位放线开孔。浇筑孔口第一节混凝土护壁时,应对模板的位置进行校核,符合要求后,才可浇灌混凝土。往下继续挖孔时,将以第一节桩孔护壁为基准及时检查桩径和桩孔的垂直度。

《3)采取有效措施通过流泥流砂层。在挖孔中。基坑东南角和东北角有几根桩孔在挖到6~8m深时,出现流泥。根据现场实际情况。采取了两种措施∶第一,流泥不太严重时采取短挖短支的方法,即每次挖孔深度由1.0m左右减小为0.5~0.6m,并快速浇注混凝土护壁;第二,当流泥较严重时,先沿孔壁开挖线向下插入密排的长度为1.0m左右的钢筋,然后再按短挖短支的方法施工。采取以上措施后,不但保证了施工的顺利进行,也防止了大量流泥的涌出,确保了周围道路和地下管线的安全。

(4)在挖孔中应对所通过的地层情况作详细记录,当桩的嵌固段地层与地质报告出入较大时,及时通知有关单位调整设计参数。

(5)对桩孔和孔内绑扎的钢筋笼验收合格后。及时浇筑桩芯混凝土。为保证桩下端混凝土的质量,必须在浇筑混凝土前将孔底集水抽干。如水量太大,采用水下浇筑混凝土的施工方法。

2.预应力锚杆施工

该工程在桩顶锁口梁位置设有 50根预应力锚杆。其中基坑北边 31 根,锚杆长 25m,基坑西边19根,锚杆长度30m。

预应力锚杆施工工艺流程如下∶

定孔位→钻孔→洗孔→下锚索→一次注浆→二次高压注浆→钢筋混凝土锁口梁→张拉锁定

锚索制作

1)定孔位。锚杆孔的水平间距由护壁桩的位置来控制。一般情况下偏差不会太大。而竖向位置主要由土方开挖给锚杆施工提供的工作面标高来控制。该工程锚杆钻孔采用YL—3C型工程钻孔。根据设计要求的15°~30°锚杆倾角。锚杆施工工作面的标高应比设计的锚杆开孔标高低0.30~0.50m,这样即可保证预应力锚杆在桩顶锁口梁的位置。

(2)钻孔。锚杆钻孔采用YL—3C型液压工程钻机和直径为130mm 的螺旋钻杆,每个钻孔深度比设计的锚杆长度大1.0m,以防因孔底沉渣的影响而减小锚索体入孔长度。

(3)锚索体制作。锚索采用4中15 预应力钢绞线制作,下料长度为设计的锚杆长度加张拉时的千斤顶工作长度0.7m,沿锚索体的长度每1.0~1.5m安设隔离架,以使锚绞线分散有序排列并使锚索体在钻孔内居中。保证其周围水泥浆体比较均匀。锚索体上的一次注浆和二次高压注浆管应与隔离架绑扎牢固。以防向孔内下锚索时将其损坏。

该工程预应力锚杆的自由段长度均为5.0m。自由段的钢绞线表面均匀涂上无水黄油,再裹三层塑料布。这样处理既可防止钢绞线锈蚀又能保证自由段钢绞线受力后能自由伸缩。

(4)洗孔与下锚索。钻孔完毕后应立即将锚索下入孔中以防时间过长产生塌孔。下锚索前应先洗孔,即用清水将孔内的泥浆水置换出来,以提高锚固强度。下锚索时如遇塌孔,应将锚索拔出。用钻杆扫孔后。再下锚索。锚索入孔长度不得小于设计长度的 95%。

(5)锚杆注浆。锚杆注浆是预应力锚杆施工中的一个重要环节,它不但关系到锚杆的耐久性,而且是保证和提高锚杆承载力的重要条件。

该工程锚杆注浆采用纯水泥浆,水灰比为0.45~0.50,水泥采用 425号早强型普硅水泥。锚索体下人孔中后,即通过一-次注浆管从孔底开始自下面上进行次注浆。待浆液从孔口流出后,停止注浆。一次浆凝固体的强度达到5.0MPa(约需 40~45h)时,利用二次注浆管进行高压注浆。注浆压力一般为2.0~2.5MIPa。

(6)锚杆的张拉与锁定。当注浆体的强度和锁口梁混凝土强度均大于 15MPa时,即可对锚杆进行张拉锁定。张拉前按规定对所用设备,包括千斤顶、油泵、压力表进行配套标定。

锚杆分级加荷张拉至设计承载力时,保持 10~15min,然后卸荷至锁定荷载进行锁定。该工程锚杆的锁定荷载为设计承载力的70%。

(7)预应力锚杆的验收试验。按照设计和规范要求。在预应力锚杆张拉锁定前抽取了三根锚杆(MG24、MG29、MG34)进行了验收试验。试验结果表明∶锚杆的施工质量完全符合设计要求。锚杆试验 Q-S曲线见图6。

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3、锁口梁和角撑施工

预应力锚杆二次高压注浆完成后,即进行锁口梁和角撑的钢筋混凝土施工。梁底模采用夯实整平后的地面,侧面采用木模。为保证角撑与锁口梁的良好连接。两者同时浇筑混凝土。

五、基坑监测

目前,在深基坑支护结构的计算理论方面还存在一些不足之处,加之岩土地层性质变化的复杂性这一-特点。通过对基坑的监测获得信息,以分析判断基坑工程自身的稳定性及其对周围环境的影响程度。同时也是检验支护结构设计与施工是否安全、经济的重要依据。为此,近年来在新编制的国家有关规范和一些地区性规程中。对深基坑的监测工作提出了较详细的规定。

该工程在支护结构旋工完毕后,即在基坑边的锁 口梁顶面上布臂了桩顶水平位移临测点,间距为10~15m。共布点25个。在锚杆张拉锁定完成、大量土方开挖时。开始进行位移观测,在土方开挖的 45d 内。每天观测一次,土方开挖结束后,随着位移速率的减小,观测时间间隔为3~5d,在工程桩(人工挖桩)施工完毕到地下室结构工程竣工这段时间内,每一个月观测一次。

从观测结果看,基坑桩顶最大水平位移在西边,其位移值为 35mm,其他三边的水平位移为10~25mm。除了进行桩顶水平位移监测外,基坑施工中还经常观察基坑北边和西边城市主干道路面有无开裂和裂缝的发展情况。年半时间的监测表明,该基坑的支护结构设计与施工是安全合理的,不但满足了地下室结构的施工要求,而且保证了基坑周围城市干道和地下管线的正常使用。

六、几点体会

通过对该基坑支护结构的设计和施工实践,我们有以下儿点体会,供同行参考。

(1)深基坑支护方案的确定必须全面分析工程地质水文资料、周围环境和地下结构的特点,从安全、造价和工期方面综合考虑进行多方案比较,以确定更为合理的方案。该工程采用桩锚和局部放坡加悬臂桩的综合性支护方案,在保证安全、节省造价和缩短工期等方面均取得了较好效果。

(2)在护壁桩顶设置预应力锚杆,既可降低桩的造价,节约支护费用,又可大大减小支护结构的水平位移,这对控制基坑周围建筑物的不均匀沉降、保证地下管线和道路的正常运行都是非常重要的。

(3)人工挖孔桩施工中。遇到流泥、流砂时、不能盲目蛮于。否则将会对施工和周围环境的安全造成严重后果。该工程在施工中,针对流泥、流砂的实际情况,采用插筋和短挖短支的措施是行之有效的。

(4)在支护结构中,除了要对支撑(钢筋混凝土角撑)的构造、节点处理等精心设计外,施工中也要确保各节点的构造安装质量,使之符合计算假定。该工程西南角的角撑与西边锁口梁连结处,由于在施工中角撑端部主筋锚入锁口梁内的长度不符合设计要求,致使土方开挖中,角撑的这一端与锁口梁脱离,因有四根 φ28 钢筋连接,才未发生塌落事故。我们立即在该支撑的旁边安装了一根钢管角撑,才将坑壁水平位移控制住。

(5)基坑监测是实现支护结构设计与施工信息化的重要手段。该工程由于当时各种条件的限制,仅对桩顶水平位移进行了监测。今后应按国家有关规范和厦门市建委有关规定要求的内容进行基坑监测。基坑监测应由相应专业的工程技术人员负责,除定期测取有关数据外。还必须全面了解基坑施工过程。包括土方开挖顺序与进度、气候情况以及基坑周围环境条件的变化等。只有这样才能对获得的信息进行比较,作出准确的分析判断,进而给设计和施工出合理的建议。