桩锚支护设计中一个常见问题的解决对策

陈 敏

(中南林业科技大学土木工程与力学学院,长沙410004)

近20年来,我国城市发展加速,人们需要越来越多的高层、超高层建筑,以及开发利用地下空间来缓解土地资源紧缺的矛盾.城市内建筑物密集,地下管线众多,同时新建结构往往靠近主要干道,基坑支护的重要性不言而喻.桩锚支护在限制围护结构的位移,从而保证周围建(构)造物的安全和正常使用方面具有明显的优越性,因而常常被选作深基坑的支护方案.

桩锚支护是由悬臂桩和抗拔锚杆(索)共同工作来确保基坑和周围建(构)造物的安全.但锚杆(索)的抗拔力通常取决于基坑周围土或岩层的抗剪强度.在深基坑工程中,常常会碰到这样一种情形,基坑深度和周边环境最好采用桩锚支护方案,但基坑周围有较厚的回填土,使得锚杆(索)无法提供足够的抗拔力.本文结合一个工程实例,就如何解决此类问题提出了应对措施,具备一定的参考价值.

1 工程及水文地质概况

长沙市某工程,地上3层,地下 4层,西侧临近城市主要干道,原为7～8 m的土质边坡,南面、东面和北面均有6层或7层的居民楼,离基坑边缘最近距离分别为8.65 m、5.5 m和10.0 m,具体平面布置如图1所示.相对于南面、东面和北面,基坑开挖深度为15 m,西面开挖深度约为4～5 m.基坑范围内各土层物理力学性质见表1,但基坑周边各土层厚度并不一致.南侧和东侧素填土厚度为1.5 m～2.8 m,而北面素填土厚度却达到8.5 m.地下水位主要存在于卵石层,含水量随季节性变化较大.根据工期安排,地下水位以下基坑开挖及基础施工时,已进入秋冬季节,故不必考虑止水措施.

图1 基坑平面布置图

表1 各层土的物理性质参数

粉质粘土② 19.0 25 12 42卵石③ 19.8 / 30 280残积粉质粘土④ 19.5 45 15 65强风化泥质粉砂岩⑤ / / / 360

2 支护方案

基坑西侧开挖深度为4～5m,但坑边离马路达16.5m,且土质较好,采用放坡开挖.其余三面均有多层住宅楼,且开挖深度最深达15m,安全等级为一级,因而对基坑变形有严格要求.东侧和南侧分别有2栋7层和1栋6层的住宅楼,均为条形基础,埋深2m,回填土较浅,采用桩锚支护较为合理.通过商业软件的计算分析,基坑东侧和西侧选用直径1 m,间距2.2m,嵌固深度7.6m的单排桩;同时加5排锚杆,首排锚杆加在开挖深度为3m的位置,水平间距2.2m,竖向间距分别为2m和2.2m;基坑侧壁的水平位移,整体稳定性,抗倾覆稳定性和抗隆起验算均满足规范要求[1,2].此种情形的桩锚支护设计和施工已比较成熟,此不多述.

基坑北侧素填土达8.5m,其下分别为3m的粉质粘土,5.1m的卵石层,4m的残迹粉质粘土,然后是强风化泥质粉砂岩.通常要对素填土进行地基处理后,再布置锚杆.地基处理的方法有高压喷射注浆和水泥土搅拌法[3],但成本较高.注意到北面7层的住宅楼采用的是机动洛阳铲灌注桩基础,持力层为卵石层,则地面超载大为减小.于是支护方案做如下调整:排桩采用桩径1.2m,间距2.2m的人工挖孔灌注桩,冠梁截面为1300×700;加4排锚索,首排锚索距基坑顶部距离为6m,水平和竖向间距同为2.2m;同时严禁在基坑回填之前该侧基坑顶部堆载超过5kN/m.通过商业软件计算分析,基坑顶部的最大水平位移为29.97mm,整体稳定安排系数为1.579,抗倾覆安全系数为1.414,抗隆起验算安全系数为3.393,均满足规范要求[1,2].为防止意外发生,有必要对北侧住宅楼洛阳铲灌注桩进行保护,于是在靠近住宅楼1.5～2m处布置两排花管,并静压注浆,见图1.花管直径 50mm,间距450×450mm,开孔成梅花形布置,每米不少于8个,注浆压力为0.3～0.5MPa,钢管底部进入粉质粘土层500mm.北侧护壁段剖面如图2所示.首排锚索长度达25.5m,其中锚固段长为15.5m,应确保按设计施工,如施工确有难度,则由设计方作出适当调整.

3 变形监测

一级边坡工程应采用动态设计法,同时采用信息施工法施工,因此对基坑工程进行监测尤为重要.安全等级为一级的基坑应委托有资质的监测单位进行监测.规范[1,2]对监测的项目、测点的布置和监测的要求做了明确的规定,限于篇幅,只列出基坑北侧的位移监测情况,以验证北侧桩锚支护设计是否合理.图3为基坑北侧现有住宅和基坑顶部沉降和位移监测点布置图.监测表明,沉降监测点6～9处,沉降仅为2～3mm,这是因为该住宅楼采用了洛阳铲桩基础,并且在其外侧布置了2排注浆花管,对桩基础进行了保护.监测点1～5处沉降稍大,为6～8 mm,因为该处为填土区,且在基坑边缘.监测点12、13处的水平位移较大,分别为14mm和15mm,仅为计算值的50%.并且基坑开挖完成后,位移基本趋于稳定.其原因可以归咎为以下三方面:第一,计算程序采用平面假定是偏于安全的;另外两排注浆花管也起到了一定的作用;第三,地面超载并没有达到设计值5 k N/m2.

4 结论与建议

基坑周围存在较厚的素填土,且必须采用桩锚支护时,通常要对地基进行处理,以便为锚杆(索)提供足够的锚固力.这样将大大提高基建成本.论文结合一个工程实例,提出了合理经济的解决方案,并得到了满意的结果,现将有关结论和建议总结归纳如下:

(1)尽管基坑北侧的住宅楼通过洛阳铲灌注桩将荷载直接传到了卵石层,对于地面超载仍需严格控制,施工超载不得超过设计值.

(2)注浆花管对保护洛阳铲桩基础和限制基坑水平位移方面具有一定的作用,但难以进行定量分析.设计时可以把它作为一个安全储备.

(3)基坑工程不确定性因素较多,因此在施工过程中务必对基坑及其周围建(构)造物的位移和沉降进行监测,为动态设计提供依据,同时施工方应制定好应急预案.

(4)通常基坑工程出现险情主要是由于地下水没有得到有效控制,建议合理安排工期,使基坑下部和基础施工时避开雨季,从而节省投资.

(5)锚孔孔径通常为130 mm,当需2根锚杆,且直径较大时,施工将有困难,建议改用锚索.

[1]中华人民共和国国家标准.建筑边坡工程技术规范(GB50330-2002)[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.

[2]中华人民共和国行业标准.建筑基坑支护技术规程(JGJ120-99)[S].北京:中国建筑工业出版社,1999.

[3]龚晓南.地基处理手册(第三版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.