深基坑工程技术讲座(5).PDF

深基坑工程技术讲座5 沈保汉 北京市建筑工程研究院 第五讲 硬质地基地区常用的支护结构类型 511 硬质地基的特性 硬质地基主要指岩层包括硬质岩石和软 质岩石和卵砾石层。 岩石按饱和单轴抗压强度 fr划分其坚硬程度应符合表511的规定。 岩石坚硬程度表511 frM Pa 6060～3030～15 15～5 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4～9m ,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110～215m;粉细砂厚度 为015～310m;卵石层总厚度为15～20m ,上部 为厚度015～210m ,稍密,卵石层,下为中密及 密实,卵石层顶面距地表410～910m;泥岩离地 表约20～25m;地下水埋深110～31 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10～20md。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3160～6140m ,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. 2140～3160m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 5～7 适用于入卵石层深度小于 2m 的情况。 采用打入式300300 预制桩或36号工字钢桩,间 距700～1000mm,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300300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 800～2000mm;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 1000～1200mm;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 13～21 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13～17m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 6～22 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 81910- 3cm s; 中微风化花岗岩,顶板埋深 710～1210m ,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 45kgm级钢轨,桩长 8～12m ,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 kgm2 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 8062218331016170114213381112125013 加气混凝土墙1001551021151510161701361015014247142151262159 纸面石膏板 墙加龙骨 212 矿棉 80 301198010161701231348512271311215 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, 19964 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, 19962 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 18～21 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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