深基坑支護及樁基礎設計實例分析

一、工程概況

某工程地上部分為15層，地下室部分為2層，總建筑面積約30000m2，為現澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結構。本工程基坑占地面積約6360m2，基坑挖深為9.0m，有承臺部分基坑挖深為9.5m。屬二級基坑工程。

二、工程地質

根據工程地質勘察報告，場地土層及工程地質主要性能指標見表1。

三、基坑圍護方案的選擇

基坑工程大多屬于臨時性結構，在建筑出地面后，即廢棄。因而設計的出發點是本著安全第一的原則，結合造價、施工、工期等因素綜合考慮。本基坑周邊環境比較復雜，尤其是南側存在大量需要保的陳舊民宅，東側虹漕路上還有需要保護的市政管線。按以往經驗本設計決定采用鉆孔灌注樁的圍護形式。鉆孔灌注樁的施工工藝較成熟，作為圍護樁，其適用的開挖深度也比較廣，其圍護剛度略低于地下連續墻，強于SMW工法，但其造價要比地下連續墻低很多針對本基坑的實際情況，工期較長，其造價可能較SMW工法也有一定的優勢。由于場地比較大，在鉆孔灌注樁施工過程中的泥漿，可以充分利用場地優勢，循環利用，以減少污染。由于基坑周邊環境比較復雜，市政管線保護要求高，基坑面積比較大，因而該基坑支撐考慮采用二道混凝土支撐的形式，一方面混凝土支撐整體剛度較大，能較好的控制基坑的變形，另一方面，混凝土支撐比鋼支撐布置靈活，也比較符合本基坑的體形特點。考慮到本基坑的面積很大，為方便挖土，支撐設計考慮采用“十字對撐、角撐結合邊桁架”的形式，這樣會在很大程度上提高挖土效率。另外，場地第③層為灰色淤泥質粉質粘土，砂性較重，而基坑的開挖深度剛好穿越此范圍，需要采用較好的止水帷幕和降水措施。若處理不好，基坑開挖時極可能產生坍方、流砂等不良地質現象。設計考慮在鉆孔灌注樁外側用φ850@600的三軸水泥攪拌樁作為止水帷幕。與雙軸水泥土攪拌樁相比，三軸水泥土攪拌樁搭接比較飽滿，質量容易保證，尤其在基坑比較深、砂性土較重的地方，這個優點就更加突出。

四、樁基礎及立柱樁的選擇

根據勘察單位提供的本工程地質勘察報告，結合場地工程地質條件、周邊環境以及工期等因素，并根據目前某地區樁基的施工手段，本工程的優先方案一般采用無擠土、低噪音的鉆孔灌注樁，形成樁-筏板基礎，樁基的安全等級為二級。

表1 場地土層及工程地質主要性能指標

圖1 基坑剖面示意圖

圖2 支撐平面布置圖

鉆孔灌注樁的主要特點是不會產生明顯的擠土效應，對周圍的建筑影響比較小，適合在市中心等建筑密集地區施工，缺點是施工現場會產生大量的泥漿、施工速度慢，成本比較高。預應力管樁比鉆孔灌注樁經濟性較好，在廣東地區也得到了廣泛的應用，它不但施工速度快、而且施工過程不會產生泥漿，但預應力管樁也有一個比較大的缺點，就是在施工過程中擠土效應明顯，會對周邊建筑及環境產生一定的影響，對密集、陳舊民房有一定風險。

本著既安全又經濟的設計原則，通過對目前某市先進的樁基礎設計及施工方法的反復論證，并且經過大量的計算，我們認為如果采取必要的措施，本工程采用預應力管樁還是可行的。經與勘察單位共同商定，在設計階段對樁基承載力、施工順序等進行了調整和規定。

基坑圍護的支撐立柱傳統做法一般是采用鉆孔灌注樁作為立柱樁，將延性較好的格構式鋼柱插入其中，但由于本項目是采用預應力管樁作為工程樁，為了加快施工進度，并從節約工程造價的角度考慮，本工程也決定采用 600的預應力管樁填芯來作為圍護結構的支撐立柱，這種做法在某地區極其少見，屬于創新做法。為了使管樁做立柱時具有足夠的完整度和較好的剛度和延性，需保證填芯混凝土有一定的入土深度，本工程填芯混凝土入土深度為8.0m，填芯總高度為18.0m，同時，為了避免管樁接頭處產生薄弱環節，第一節樁也應保證一定的入土深度，本工程用于支撐立柱的管樁第一節為15m，開挖后的入土深度約為6.0m。同時由于采用二道支撐，其第二道支撐與立柱管樁的連接尚無參考工程可以借鑒，設計中經反復討論，采用了吊支撐的方法，傳力明確、施工方便，取得了較好效果。采用預應力管樁作為工程樁及支撐立柱，對于本工程在設計及施工中遇到的問題主要有：

(1)本工程位于市中心，離周圍的建筑及主要道路比較近，預應力管樁在沉樁過程中產生的擠土效應，可能會使周圍的建筑、道路及附近的市政管道開裂；

(2)預應力管樁作為抗拔樁的強度保障問題；

(3)立柱管樁與混凝土第二道支撐的連接問題；

(4)立柱管樁與底板連接的防水問題。

針對上述問題，設計采取了相應的應對措施：

(1)本項目工程樁采用 500的預應力管樁,當樁身穿過②、③、④、⑤1層土時，沉樁一般無較大困難，當進入第⑤2-1層砂質粉土層時，沉樁動阻力會逐漸增加，尤其是樁端進入持力層后，沉樁阻力會明顯增大。施工應制定出合理的沉樁流程并適當的控制沉樁速度，而且沉樁順序應背離被保護對象方向進行，壓樁初期的速度應控制在6-8根/天，同時在沉樁過程中應根據監測結果適當調整沉樁速度，原則上每天沉樁數量不得超過10根。當被保護對象位移累計超過10mm或每天增量超過2mm時，采用跳壓（間隔距離應大于20m）或停壓等辦法調節和控制土體的位移量。同時設計中要求采用先施工圍護樁，再施工工程樁的順序，雖然對工程樁沉樁有一定難度，但對本工程而言，將減小擠土效應、對周邊建筑、管線的影響，同時也容易保證圍護樁質量。

(2)預應力管樁的抗拔樁承載力主要取決于抗拔樁的極限承載力、樁身抗拔強度、填芯混凝土與管樁的粘結強度及接樁處的焊縫強度等。抗拔樁的極限承載力與樁身抗拔強度按有關資料均比較容易計算出來，而填芯混凝土與管樁的粘結強度目前還沒有明確規定，一般取0.4ft。按此經計算得混凝土的灌芯高度至少為2.0m，為了有足夠的安全儲備，本工程抗拔樁的填芯高度設計為4.0m。另外管樁的焊接接頭在沉樁過程中容易開裂，所以除了對焊縫的強度需要驗算外，還應保證焊縫的質量，以及沉樁時間的控制。

(3)對于立柱管樁與混凝土第二道支撐的連接問題，因無參考工程借鑒，設計中通過大量的研究及計算，很好的解決了這方面的問題，以下是立柱管樁與支撐的連接節點。

圖3 管樁與支撐的連接

從圖3可以看出，第二道支撐是靠四根角鋼吊在第一道支撐與管樁連接節點上的，管樁與一、二道支撐之間均有四根槽鋼伸入到支撐混凝土中，從而保證了管樁與立柱連接的可靠性。

(4)立柱管樁拆除后，下截管樁兼做工程樁時，還要解決管樁與底板的連接問題，在止水的處理方面，以下是立柱與底板的連接節點。

圖4 管樁與底板的止水處理

從圖4可以看出，為保證止水效果，工程采用兩道止水措施，首先在底板下側采用圓形止水措施，其與管樁之間的空隙采用環氧樹脂填充。然后在其上又增

加一道方形止水裝置，待立柱管樁截除后采用鋼板將其內部滿焊封閉。

四、經濟性比較

經綜合分析，本工程采用預應力管樁作為承壓樁、抗拔樁和立柱樁，比鉆孔灌注樁約約50%工程造價。

五、工程施工情況

本工程現已交付使用，在圍護樁與工程樁施工的過程中，周邊地表沉降速率較小，垂直位移變化不大，在基坑開挖施工期間，周邊地表隆沉變化逐漸發展，隨著開挖深度的增加，垂直位移速率也逐漸增加；至土方開挖到設計坑底標高后，隨著基坑大底板澆筑完成，垂直位移速率逐漸趨于穩定狀態。

六、結論

(1)在某中心區域，帶兩層地下室的高層建筑采用預應力管樁還不常見，經大量研究及計算，通過合理的施工順序，并采取相應的措施，預應力管樁完全可以作為工程樁使用；

(2)本工程采用預應力管樁作為工程樁，比采用鉆孔灌注樁約節約50%工程造價。

(3)目前采用預應力管樁作為支撐立柱的情況還比較少見，尤其是應用在有兩道混凝土支撐的圍護結構上，從現場的施工實踐看，我們的這種做法已經得到實際工程的考驗。