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深基坑支护设计与施工分析
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内容提示：加筋水泥土墙复合土钉支护是刚刚在武汉地区出现的一种基坑支护结构，其加筋水泥土性状及插筋工艺均没有成熟的经验，通过武汉市福星城市花园深基坑工程的基坑设计与施工实例，介绍这一支护形式的实际应用。
摘 要：加筋水泥土墙复合土钉支护是刚刚在武汉地区出现的一种基坑支护结构，其加筋水泥土性状及插筋工艺均没有成熟的经验，通过武汉市福星城市花园深基坑工程的基坑设计与施工实例，介绍这一支护形式的实际应用。
关键词：支护设计；加筋水泥土；复合土钉支护；振动插筋；降水设计；疏干降水
1 工程概况
福星城市花园深基坑工程位于湖北省武汉市汉口新华路、江汉北村、江汉北路交汇处，建筑物总平面布置由17层、21层、27层的建筑群连体环绕组成，环圈内均是两层地下室。地下室建筑面积3.67万平方米。基坑呈不规则三角形，基坑总开挖面积约22541m2，支护周长599m，基坑平面图见后面基坑分段支护平面布置图。
2基坑周边环境条件
该基坑地处武汉市繁华市区，交通位置重要且周边老建筑物多，建筑物对因基坑开挖和降水所引起的变形非常敏感。基坑周边的超载及管线情况为：西侧新华路为重要的交通要道，车流量大，道路两侧重要管网较多，距离基坑边线仅12 m左右，基坑东侧和南侧约20 m处有多幢6~8层住宅楼（系采用天然地基），均为80年代初期建成。其地面超载大，房屋对变形敏感。基坑东侧局部坑段距江汉北路建筑物围墙最短距离为6 m，距8层住宅楼边线也仅6 m。基坑北侧局部坑段距3层售楼部7~12 m。其余地段30m内均无重要建构筑物。基坑周边场地整体上较为宽松，有一定的放坡缷载空间，有利于基坑稳定。
3 场地岩土工程条件
3.1 工程地质条件
根据勘察报告，场地内上覆土层具有明显的二元结构沉积规律。上部为细粒组成的粘性土，下部为粗粒组成的粉细砂层、含有园砾的中细砂和卵石层。底部为志留系的粘土岩和砂岩。与本次基坑支护设计有关的地层及其物理力学性质指标表资料见后表2。
3.2 地区水文地质条件
（1）潜水。
主要赋存于人工填土与第四系全新统河流相冲积（Qal）粘土和粉质粘土层的孔隙之中，其主要补给来源主要为大气降水和生产生活用水的渗入，水位绝对标高19.81~21.30m。潜水层的混合渗透系数按0.20m/d考虑，基坑开挖后，该层地下水易对坑壁产生侵蚀和渗透破坏，需采取有效的封堵或疏排措施。
（2）承压水。
主要赋存于第四系河流相冲积（Qal4）粉土、粉砂层、粉细砂、含砾中细砂层及卵石层，以粘土层和粉质粘土层为相对隔水顶板，基岩为其隔水底板，承压水头高低与长江水位关系密切，勘察期间承压水位标高为16.5 m，埋深约4.8 m，根据抽水试验结果，粉土、粉砂、粉细砂层的综合渗透系数建议值为k=18 m/d，基坑开挖时，其坑底高承压水头会导致基坑突涌并严重影响基坑安全，必须对场区地下承压水进行疏干治理。
4 基坑支护设计简介
4.1 设计参数的选取
（1）复合喷锚中插筋搅拌桩桩身强度取fcu，28=1.0MPa，qu=1/2fcu，28=500kPa，qj= qu/3=166kPa，qL=0.15qu=75kPa，按加固土计算时，考虑插筋作用，取C=fcu，28/6=166kPa，加固土的φ值取原状土的值，即φ=15°。
（2）超载取值。
场地内地面施工超载取20kPa，材料堆场超载取30kPa，场外及场内道路超载取30kPa，住宅楼荷载取15~18kPa，其中8层住宅楼地面超载取130kPa。CD段一侧8层住宅楼距坑边较近（最近处为6m），设计采取锚杆静压桩局部托换，托换范围内地面超载取20kpa，托换范围取1/2房屋开间宽度。
4.2计算模式的选取
（1）土压力采用朗金土压力，水土合算，γ0=1.1。
（2）桩锚支护计算时，桩的入土深度按自由端等值梁法确定，桩身内力按杆件有限元计算。
（3）复合喷锚支护计算时，插筋搅拌桩的作用考虑以下几方面：
①抗渗，形成封闭的隔水系统；
②抗坑底隆起；
③形成自立高度，保证开挖期间不发生弯折、剪切破坏；
④提高整体稳定性，采用条分法计算时，将其作为加固土参与计算，即当条分法条分到搅拌桩时，土层C值取加固土的C值，Φ值取原状土的Φ值。
（4）土钉计算时仅考虑其拉力，忽略其剪力和弯矩。土钉长度则由满足局部稳定和整体稳定条件共同确定。其中内部稳定验算时采用土压力法，并结合经验修正，进行整体稳定验算时采用园弧滑动法。
4.3 设计计算
（1）桩锚支护计算。
桩锚支护计算计算简图
基坑分为11段分别进行支部设计，各段平面布置见下图。
（2）复合喷锚支护计算。
① 复合喷锚支护计算示意图如下：
②复合喷锚整体稳定验算。
经《天汉》软件计算，水泥土帷幕由2排Φ500水泥搅拌桩组成，排内桩间距350，排间距400，帷幕宽按800考虑，开挖一侧搅拌桩每1.05m插入1根12m长的14号工字钢。
③ 复合喷锚水平抗滑移验算：按重力式挡墙模式Kh=f vEa= 计算。
④复合喷锚坑底抗隆起验算：按Ks=MvMs计算，插筋水泥土帷幕墙的极限弯矩Mh较小，可忽略不计。（参考《建筑中文网》）
5 基坑降水设计概述
根据工程地质勘察报告，基坑开挖深度7.4~8.5m（局部挖深达11.2m）范围内，坑底部分地段已揭露粉砂层，基坑降水采用疏干降水，设计目标动水位降至坑底1 m，对电梯井挖深达11.2m处通过加密布井和加大单井出水量控制其水位。在基坑内设置8眼观测井，枯水期承压水埋深取地表下4.80m，丰水期承压水水位埋深取地表下3.0m。根据湖北省深基坑技术规定中6.4.3.1式，即：Q=2πk0sR0 计算基坑涌水量：
计算得Q设计=1.3Q=18121m3/d。单井出水量取1200 m3/d，则n=16（口井），由于基坑面积大，抽水延续时间长，且局部梯井数量多，挖深大，坑内设置3口备用井，降水井设计总数取19口井，根据坑底过渡层出露情况和基坑不同挖深范围合理布井，经计算机模拟计算，其降深及地面沉降均满足基坑不同部位挖深及周边房屋保护的要求。
6 现场综合试验测试及其结果分析
6.1 基坑测试工作的布置
由于本基坑在武汉市首次采用加筋水泥土墙复合土钉支护技术，为准确掌握搅拌桩桩身及土钉的受力特点，基坑施工采用信息法施工，沿基坑周边布置了若干监测点，包括：50个沉降观测点、50个水平位移观测点、16个测斜孔、7个应力监测计、8个地下水水位观测孔，并专门对A1-A1、A2-A2两断面进行了综合测试，两断面位于基坑东南角，相距约3m。
6.2 基坑支护测试结果及其反分析
（1）水平位移。
基坑开挖前测试水平位移的初始值，然后按施工土方开挖进度进行连续监测。
（2） 土钉拉力。
由试验土钉（3#、4#、1#、2#）的实测结果可以得到：①由于土钉施工滞后（3#、4#、1#、2#），各层土钉实测受力普遍较小，说明加筋水泥土桩在土方开挖过程中对基坑坑壁稳定起着重要作用，整个支护系统的支护潜力还比较大。②随着开挖深度的增加，各层土钉应力均呈增长趋势，且各层土钉受力大小不同。③在施工过程中，随着基坑深度的增加及变形的发展，土钉的最大轴力点的位置也在不断发生变化。
（3） 水泥土搅拌桩受力监测及分析。
根据实测结果可以得到：①水泥土桩的受力以墙后受拉为主，应力大小随深度变化，表现出中间大两头小的特征，最大拉应力均产生在基坑开挖面附近。②应力随开挖进程逐渐增大，基坑变形稳定后约有下降。③水泥土桩外侧的应力在开挖初期全部为拉应力，设置土钉后，上部的拉应力逐渐减小并转化为压应力，下部的拉应力则仍在缓慢增长。④内侧应力表现为拉应力，应力值较外侧小，遂开挖逐渐增大。
7 基坑变形监测结果
该基坑监测工作由机械部第三勘察研究院于2002年5月初开始进行，于同年12月2日结束监测工作。在其提交的《武汉市福星城市花园基坑监测技术总结》中指出：“支护结构位移值大部分在17mm以内（与计算结果20mm比较符合），锚杆应力在150Mpa以内，环境的沉降量最大为10mm，地下室完工后各种观测结果变化较小。
8 结语
（1）通过基坑变形监测结果及对周边环境情况的调查表明，整个施工过程中基坑始终处于稳定状态，基坑周边未发生任何不良环境地质问题。至此，武汉市福星城市花园采用加筋水泥土墙复合喷锚支护新技术进行设计和施工取得了圆满成功，该工程的成功，表明振动插筋工艺适合武汉地层的特点，具有一定的推广价值。
关键词：支护设计；加筋水泥土；复合土钉支护；振动插筋；降水设计；疏干降水
1 工程概况
福星城市花园深基坑工程位于湖北省武汉市汉口新华路、江汉北村、江汉北路交汇处，建筑物总平面布置由17层、21层、27层的建筑群连体环绕组成，环圈内均是两层地下室。地下室建筑面积3.67万平方米。基坑呈不规则三角形，基坑总开挖面积约22541m2，支护周长599m，基坑平面图见后面基坑分段支护平面布置图。
2基坑周边环境条件
该基坑地处武汉市繁华市区，交通位置重要且周边老建筑物多，建筑物对因基坑开挖和降水所引起的变形非常敏感。基坑周边的超载及管线情况为：西侧新华路为重要的交通要道，车流量大，道路两侧重要管网较多，距离基坑边线仅12 m左右，基坑东侧和南侧约20 m处有多幢6~8层住宅楼（系采用天然地基），均为80年代初期建成。其地面超载大，房屋对变形敏感。基坑东侧局部坑段距江汉北路建筑物围墙最短距离为6 m，距8层住宅楼边线也仅6 m。基坑北侧局部坑段距3层售楼部7~12 m。其余地段30m内均无重要建构筑物。基坑周边场地整体上较为宽松，有一定的放坡缷载空间，有利于基坑稳定。
3 场地岩土工程条件
3.1 工程地质条件
根据勘察报告，场地内上覆土层具有明显的二元结构沉积规律。上部为细粒组成的粘性土，下部为粗粒组成的粉细砂层、含有园砾的中细砂和卵石层。底部为志留系的粘土岩和砂岩。与本次基坑支护设计有关的地层及其物理力学性质指标表资料见后表2。
3.2 地区水文地质条件
（1）潜水。
主要赋存于人工填土与第四系全新统河流相冲积（Qal）粘土和粉质粘土层的孔隙之中，其主要补给来源主要为大气降水和生产生活用水的渗入，水位绝对标高19.81~21.30m。潜水层的混合渗透系数按0.20m/d考虑，基坑开挖后，该层地下水易对坑壁产生侵蚀和渗透破坏，需采取有效的封堵或疏排措施。
（2）承压水。
主要赋存于第四系河流相冲积（Qal4）粉土、粉砂层、粉细砂、含砾中细砂层及卵石层，以粘土层和粉质粘土层为相对隔水顶板，基岩为其隔水底板，承压水头高低与长江水位关系密切，勘察期间承压水位标高为16.5 m，埋深约4.8 m，根据抽水试验结果，粉土、粉砂、粉细砂层的综合渗透系数建议值为k=18 m/d，基坑开挖时，其坑底高承压水头会导致基坑突涌并严重影响基坑安全，必须对场区地下承压水进行疏干治理。
4 基坑支护设计简介
4.1 设计参数的选取
（1）复合喷锚中插筋搅拌桩桩身强度取fcu，28=1.0MPa，qu=1/2fcu，28=500kPa，qj= qu/3=166kPa，qL=0.15qu=75kPa，按加固土计算时，考虑插筋作用，取C=fcu，28/6=166kPa，加固土的φ值取原状土的值，即φ=15°。
（2）超载取值。
场地内地面施工超载取20kPa，材料堆场超载取30kPa，场外及场内道路超载取30kPa，住宅楼荷载取15~18kPa，其中8层住宅楼地面超载取130kPa。CD段一侧8层住宅楼距坑边较近（最近处为6m），设计采取锚杆静压桩局部托换，托换范围内地面超载取20kpa，托换范围取1/2房屋开间宽度。
4.2计算模式的选取
（1）土压力采用朗金土压力，水土合算，γ0=1.1。
（2）桩锚支护计算时，桩的入土深度按自由端等值梁法确定，桩身内力按杆件有限元计算。
（3）复合喷锚支护计算时，插筋搅拌桩的作用考虑以下几方面：
①抗渗，形成封闭的隔水系统；
②抗坑底隆起；
③形成自立高度，保证开挖期间不发生弯折、剪切破坏；
④提高整体稳定性，采用条分法计算时，将其作为加固土参与计算，即当条分法条分到搅拌桩时，土层C值取加固土的C值，Φ值取原状土的Φ值。
（4）土钉计算时仅考虑其拉力，忽略其剪力和弯矩。土钉长度则由满足局部稳定和整体稳定条件共同确定。其中内部稳定验算时采用土压力法，并结合经验修正，进行整体稳定验算时采用园弧滑动法。
4.3 设计计算
（1）桩锚支护计算。
桩锚支护计算计算简图
基坑分为11段分别进行支部设计，各段平面布置见下图。
（2）复合喷锚支护计算。
① 复合喷锚支护计算示意图如下：
②复合喷锚整体稳定验算。
经《天汉》软件计算，水泥土帷幕由2排Φ500水泥搅拌桩组成，排内桩间距350，排间距400，帷幕宽按800考虑，开挖一侧搅拌桩每1.05m插入1根12m长的14号工字钢。
③ 复合喷锚水平抗滑移验算：按重力式挡墙模式Kh=f vEa= 计算。
④复合喷锚坑底抗隆起验算：按Ks=MvMs计算，插筋水泥土帷幕墙的极限弯矩Mh较小，可忽略不计。（参考《建筑中文网》）
5 基坑降水设计概述
根据工程地质勘察报告，基坑开挖深度7.4~8.5m（局部挖深达11.2m）范围内，坑底部分地段已揭露粉砂层，基坑降水采用疏干降水，设计目标动水位降至坑底1 m，对电梯井挖深达11.2m处通过加密布井和加大单井出水量控制其水位。在基坑内设置8眼观测井，枯水期承压水埋深取地表下4.80m，丰水期承压水水位埋深取地表下3.0m。根据湖北省深基坑技术规定中6.4.3.1式，即：Q=2πk0sR0 计算基坑涌水量：
计算得Q设计=1.3Q=18121m3/d。单井出水量取1200 m3/d，则n=16（口井），由于基坑面积大，抽水延续时间长，且局部梯井数量多，挖深大，坑内设置3口备用井，降水井设计总数取19口井，根据坑底过渡层出露情况和基坑不同挖深范围合理布井，经计算机模拟计算，其降深及地面沉降均满足基坑不同部位挖深及周边房屋保护的要求。
6 现场综合试验测试及其结果分析
6.1 基坑测试工作的布置
由于本基坑在武汉市首次采用加筋水泥土墙复合土钉支护技术，为准确掌握搅拌桩桩身及土钉的受力特点，基坑施工采用信息法施工，沿基坑周边布置了若干监测点，包括：50个沉降观测点、50个水平位移观测点、16个测斜孔、7个应力监测计、8个地下水水位观测孔，并专门对A1-A1、A2-A2两断面进行了综合测试，两断面位于基坑东南角，相距约3m。
6.2 基坑支护测试结果及其反分析
（1）水平位移。
基坑开挖前测试水平位移的初始值，然后按施工土方开挖进度进行连续监测。
（2） 土钉拉力。
由试验土钉（3#、4#、1#、2#）的实测结果可以得到：①由于土钉施工滞后（3#、4#、1#、2#），各层土钉实测受力普遍较小，说明加筋水泥土桩在土方开挖过程中对基坑坑壁稳定起着重要作用，整个支护系统的支护潜力还比较大。②随着开挖深度的增加，各层土钉应力均呈增长趋势，且各层土钉受力大小不同。③在施工过程中，随着基坑深度的增加及变形的发展，土钉的最大轴力点的位置也在不断发生变化。
（3） 水泥土搅拌桩受力监测及分析。
根据实测结果可以得到：①水泥土桩的受力以墙后受拉为主，应力大小随深度变化，表现出中间大两头小的特征，最大拉应力均产生在基坑开挖面附近。②应力随开挖进程逐渐增大，基坑变形稳定后约有下降。③水泥土桩外侧的应力在开挖初期全部为拉应力，设置土钉后，上部的拉应力逐渐减小并转化为压应力，下部的拉应力则仍在缓慢增长。④内侧应力表现为拉应力，应力值较外侧小，遂开挖逐渐增大。
7 基坑变形监测结果
该基坑监测工作由机械部第三勘察研究院于2002年5月初开始进行，于同年12月2日结束监测工作。在其提交的《武汉市福星城市花园基坑监测技术总结》中指出：“支护结构位移值大部分在17mm以内（与计算结果20mm比较符合），锚杆应力在150Mpa以内，环境的沉降量最大为10mm，地下室完工后各种观测结果变化较小。
8 结语
（1）通过基坑变形监测结果及对周边环境情况的调查表明，整个施工过程中基坑始终处于稳定状态，基坑周边未发生任何不良环境地质问题。至此，武汉市福星城市花园采用加筋水泥土墙复合喷锚支护新技术进行设计和施工取得了圆满成功，该工程的成功，表明振动插筋工艺适合武汉地层的特点，具有一定的推广价值。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200809/11570.htm
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