潮州市海悦名庭基坑围护设计

潮州市海悦名庭基坑围护设计

蔡隆俊

（汕头市通程泛华设计咨询有限公司  汕头 515054）

Chaozhou Haiyue Mingting Foundation Pit Enclosure Design

Cai Longjun

[提要] 本文介绍潮州海悦名庭小区地下室基坑围护结构的设计以及施工过程中实际问题的处理，可供类似工程参考。

[关键词]基坑围护、钢筋混凝土排桩、高压旋喷桩、止水帷幕、冠梁

[Abstract]The article introduces the design of foundation pit envelope of Chaozhou Haiyue Mingting Residential Area and the treatment of practical problems in the construction process, which can be used as a reference for similar projects.

[Key words] The supporting-structure,Soldier pile wall, Jet grouting pile, Curtain for cutting off drains, Capping beam

一、工程概况

潮州海悦名庭住宅小区，由5栋18层高层住宅组成，设两层地下室，总建筑面积78050.24m2；建筑总高61.3m，框架-剪力墙结构。本工程采用静压预应力管桩基础，建筑物桩长25～28m，地下室抗拔桩分区定长约22～24m、21~23m;地下室为缺右上角的长方形，约为：124.3 m×71.2～99.5m，面积大概1万平，周长约445延米，基坑底面标高约为-6.05m、-7.05m,顶部先卸载0.4米，基坑开挖深度分别为5.65m、6.65m。本项目西临潮州大道，沿路埋有市政管线；西北侧、东南侧、西南侧有数栋原有建筑物，由于建设年代比较长，大部分是浅基础建筑物。北侧为游泳池。北偏东北凹角出现有围墙两向距地下室外墙仅5.1m、6.6m左右，是本项目基坑支护设计的难点。（图1）

二、工程地质条件

根据地质勘察报告，场地典型地质剖面如图2所示；从上而下具体为：

①层杂填土：层厚0.4～2.6m,由杂土回填，松散状，表面覆盖建筑垃圾；

②层粉质粘土：层厚1.9～5.1m,软塑～可塑，以粉、粘粒为主，含少量粉砂；

③层细砂：层厚3.0～7.9m, 松散～密实状，饱和，土层中部夹③～1层淤泥；

③～1层淤泥：厚0.4～0.6m,仅局部孔位有；

④层淤泥：层厚0.4～3.7m；流塑；

⑤层中砂：层厚12.42～20.1m；

⑤～1层淤泥：厚0.6～2.6m,层顶标高-15.76～-19.07m；局部孔缺失；

⑤～2层淤泥：厚0.25～1.8m,层顶标高-20.90～-25.73m；仅局部孔揭示；

⑥层砾砂：层厚12.95～45.3m；有两夹层：

⑥～1粉质粘土：厚0.3～1.9m,层顶标高-35.88～-39.62m；仅局部孔揭示；

⑥～2粗砂：厚3.1～25.1m,层顶标高-38.37～-63.24m；⑥层仅局部孔底部过度为粗砂夹层；

⑦层全风化泥质粉砂岩：层厚1.8～5.0m；

⑧层中风化泥质粉砂岩：揭露层厚1.0～5.1m；

图2、场地典型地质剖面图

地质勘察报告提供的与基坑支护有关的地基土资料见表1。

第②层粉质粘土层对墙基底摩擦系数μ为0.22，第③层细砂层对墙基底摩擦系数μ为0.30。第①、②层杂填土及粉质粘土层渗透系数K值为3.0x10-5～6.0x10-5cm/s之间。第③层细砂层渗透系数K值为4.07x10-2cm/s。地下室抗浮设防水位-0.50米。

表1   土层分布及土性指标    

三、基坑围护结构设计

潮汕地区软土地基，类似深度的基坑支护，普遍采用双排桩挡土模式，外围双排桩间连续打单排或双排水泥搅拌桩止水帷幕。挡墙厚约为3.2～3.9m。根据场地地质情况，本工程第③层细砂层层厚较大，且地下室开挖后基本上置于该土层上，相对来说基坑开挖地质条件比较理想。且下面有第⑤层中砂层、第⑥层砾砂层，中间间隔淤泥层，本工程基坑拟采用混凝土灌注桩排桩悬臂式挡土结构，内外排用高压旋喷桩填缝，形成止水帷幕的设计方案。挡墙厚为1.2m(如采用单排灌注桩挡土加外排水泥搅拌桩止水，挡墙厚须1.8～2.0m)。在局限的施工场地最大限度的利用了空间。

本基坑工程安全等级:西侧( P-1轴交P-A～H轴)及南侧部分(P-A轴交P-1～P-9轴)为二级。支护结构水平位移允许值：80mm ，报警值：50mm ；其余部分均为一级。支护结构水平位移允许值：40mm ，支护结构水平位移报警值：20mm ；采用PKPM基坑软件M法计算分析，采用平面杆系结构弹性支点发分析，因本工程未针对基坑围护专门做钻探地质报告，所以参照基坑边缘较近的钻探点资料，进行分析计算，分段选用φ900@1200、φ1000@1300、φ1100@1400三种桩型，分别计算相关钻孔ZK32(φ900)；ZK2、ZK4、ZK24、ZK25、ZK27、ZK36(φ1000)；ZK9、ZK20、ZK22(φ1100)；本项目要求围护结构顶部及周围3m宽度范围内应避免施工堆载，但考虑施工场地可变因素较多，结合周边场地条件，地面堆载按20KN/m2计算。

    (一)、第n层土底面对板桩墙的压力计算

第n层土底面对板桩墙的主动压力为：

第n层土底面对板桩墙的被动压力为：

其中：

Ean——第n层土底面对板桩墙的主动压力；

Epn——第n层土底面对板桩墙的被动压力；

qn ——地面附加荷载传递到第n层土底面的垂直荷载(kN/m2)；

i——i层土的天然重力密度(kN/m3)；

hi ——i层土的厚度(m)；

n——n层土调整后的内摩擦角(°)；

Cn ——n层土调整后的内聚力(kN/m2)。

  (二)、地面附加荷载、邻近建筑物基础底面附加荷载；对n层土底面传递的垂直荷载的计算

根据地面附加荷载情况分别计算:

1.地面满铺均布荷载q0时，任何土层底面处qn=q0

2.与板桩墙平行的宽度为B的条形荷载q0，离开板桩墙距离a,

当n层土底面深度满足：

则qn=0；

当n层土底面深度满足：

则

3.作用在面积为b1×b2(b2与板桩墙平行)的荷载q0,离开板桩墙距离a,

当n层土底面深度满足

时，qn=0；

当

时,

    (三)、悬臂板桩墙计算数解法的方法和步骤

1.计算板桩墙后主动土压力En(3),板桩墙前被动土压力Ep(3),分别下列公式计算

(公式1)

(公式2)

然后进行迭加，寻找第一个土压力为零的点d。

图中：

Ea  ——墙后主动土压力合力(kN/m)；

Ep  ——墙前被动土压力合力(kN/m)；

Ep(1)——墙后被动土压力合力(kN/m)；

h  ——基坑开挖深度(m)；

d  ——土压力为零的点在基坑面下深度(m)；

t  ——板桩嵌入d点以下的需要深度(m)；

z  ——被动土压力墙前墙后转折点高度(m)；

Ea(1)——d点处板桩前主动土压力，按坑底下d深度计算，用公式(1)计算；

Ep(1)——d点处板桩后被动土压力，按照地面下h+d深度计算，用公式(2)计算；

Ea(3)——板桩后主动土压力，按全深计算，用公式(1)计算；

Ep(3)——板桩前被动土压力，按坑底面下深度计算，用公式(2)计算；

Ea(2)——板桩底处板桩前主动土压力，按坑底面下深度计算，用公式(1)计算；

Ep(2)——板桩底处板桩后被动土压力，按全深计算，用公式(2)计算；

y  ——主动土压力合力Ea到d点的距离(m)。

2.计算d点以上土压力合力Ea，计算Ea至d点的距离y。

3.根据作用在板桩墙上水平力平衡，各水平力对板桩底力矩平衡条件，建立联立方程，求解板桩嵌入d点以下深度t值。

如果嵌入d点以下部分处于同一层土层时，联立方程解得的结果为：

其中：

公式(3)

为安全起见，实际用嵌入d点下的深度应为1.2t，即板桩的总长度为：

4.计算板桩最大弯矩，最大弯矩在剪力等于零处，从上往下计算。

灌注桩砼强度等级为C25；采用φ1100@1400桩型者基坑底标高-7.05m,计算得桩长18.5m，局部区域加深至19.5m，20.5m;按滑弧稳定验算抗隆起KL=3.50～4.22>2.2(1.1X2.0)，基坑底最大隆起量=255.88～22.03(mm);计算的抗倾覆安全系数为:1.90～3.81>1.26,验算抗倾覆稳定满足要求；验算抗渗流稳定，达到规范规定安全系数1.65,满足要求。

采用m法，位移法有限元，单元最大长度0.1m，分析计算最大内力位移如下表：

表2：φ1100@1400桩型者计算最大内力位移

分别按最大正负弯矩计算配筋,取钢筋面积的最大值并满足0.2%的最小配筋率，正弯矩按最小配筋率配筋，即Asr=1900.66mm2；

按最大负弯矩配筋：Asr=3689.12mm2； 桩的抗剪按混凝土结构设计规范计算； 按最小配箍率配箍，所需配箍率为: 0.001,所需箍筋间距为: 167551.6 mm，实际配箍率为: 2×50.3/200.0=0.503，大于所需配箍率,抗剪配筋满足!

采用φ1000@1300桩型者在钻孔ZK24、ZK25附近基坑底标高-7.05m,计算得桩长18.5m;按滑弧稳定验算抗隆起KL=3.15～3.22>2.2(1.1X2.0)，基坑底最大隆起量=20.88～ 19.76 (mm);计算的抗倾覆安全系数为:1.90～2.28>1.26,验算抗倾覆稳定满足要求；验算抗渗流稳定，达到规范规定安全系数1.65,均满足要求。采用m法，位移法有限元，单元最大长度0.1m，分析计算最大内力位移如下表：

表3：φ1000@1300桩型者（ZK24、ZK25附近）计算最大内力位移

分别按最大正负弯矩计算配筋,取钢筋面积的最大值并满足0.2%的最小配筋率，正弯矩按最小配筋率配筋，即Asr=1570.80mm2；

按最大负弯矩配筋：Asr=3267.82mm2； 桩的抗剪按混凝土结构设计规范计算； 按最小配箍率配箍，按最小配箍率配箍，所需配箍率为: 0.001,所需箍筋间距为: 167551.6 mm，实际配箍率为: 2×50.3/200.0=0.503，大于所需配箍率,抗剪配筋满足!

钻孔ZK2、ZK4、ZK36附近采用采用φ1000@1300桩型者基坑底标高-6.05m,计算得桩长17.5m;

按滑弧稳定验算抗隆起KL=3.64～3.90>2.2(1.1X2.0)，基坑底最大隆起量=18.81～0.01(mm);计算的抗倾覆安全系数为:2.75～3.40>1.26,验算抗倾覆稳定满足要求；验算抗渗流稳定，达到规范规定安全系数1.65,满足要求。

采用m法，位移法有限元，单元最大长度0.1m，分析计算最大内力位移如下表：

表4：φ1000@1300桩型者（ZK2、ZK4、ZK36附近）计算最大内力位移

分别按最大正负弯矩计算配筋,取钢筋面积的最大值并满足0.2%的最小配筋率，正弯矩按最小配筋率配筋，即Asr=1570.80mm2；

按最大负弯矩配筋：Asr=2610.68mm2； 桩的抗剪按混凝土结构设计规范计算； 按最小配箍率配箍，按最小配箍率配箍，所需配箍率为: 0.001,所需箍筋间距为: 167551.6 mm，实际配箍率为: 2×50.3/200.0=0.503，大于所需配箍率,抗剪配筋满足。

采用φ900@1200桩型者在钻孔ZK32附近基坑底标高-6.05m,计算得桩长17.5m;

按滑弧稳定验算抗隆起KL=3.45>2.2(1.1X2.0)，基坑底最大隆起量=240.54(mm);计算的抗倾覆安全系数为:2.64>1.26,验算抗倾覆稳定满足要求；验算抗渗流稳定，达到规范规定安全系数1.65,满足要求。

采用m法，位移法有限元，单元最大长度0.1m，分析计算最大内力位移如下表：

表5：φ900@1200桩型者（ZK32附近）计算最大内力位移

图3、排桩配筋图

分别按最大正负弯矩计算配筋,取钢筋面积的最大值并满足0.2%的最小配筋率，正弯矩按最小配筋率配筋，即Asr=1272.35mm2；

按最大负弯矩配筋：Asr=2153.94mm2； 桩的抗剪按混凝土结构设计规范计算； 按最小配箍率配箍，按最小配箍率配箍，所需配箍率为: 0.001,所需箍筋间距为: 167551.6 mm，实际配箍率为: 2×50.3/200.0=0.503，大于所需配箍率,抗剪配筋满足!（各桩型配筋形式见图3）

   采用内外排高压旋喷桩填缝，形成止水帷幕，同时也将混凝土灌注桩排桩连接起来，形成1200宽的挡墙。高压旋喷桩桩径700，采用R32.5水泥，水泥掺入比(重量比)为40%,(水泥土容重按18KN/m3计),。要求桩体28d 28天龄期水泥土强度标准值≥2.5Mpa，相邻桩相互咬合200mm，坑内排旋喷桩做至标高-9.05m处，外排d东南侧1-9轴开始，转东侧全长，到西北侧内凹处的5-11轴止，外排高压旋喷桩桩长同钢筋混凝土桩长，即

18.5～20.5m，其余1-9轴转西南侧、到西侧、西北侧转接到西北内凹5-11轴止，外排高压旋喷桩桩长15m；施工期间，发现因本场区第③～1土层淤泥夹层、第④土层淤泥、以及第⑤～1淤泥夹层局部孔位缺失，因此存在地下水从第③层细砂层、第⑤层中砂层间渗透的可能，因此针对局部区域，做坑内双排高压旋喷桩围合的阻水带，见图4，坑内加强的高压旋喷桩从0～10m空钻不喷浆，最终形成有效桩段-10～-17.5m、-10～-18.5m，刚好将基坑旁能在细砂层、中砂层间渗透的孔位截堵住，其他中间孔位的，按渗透系数计算，能满足抗渗流稳定。（图4、5）

图4、补充钻探地质剖面图

                    图5、基坑底增加止水桩做法

钢筋混凝土挡土桩以及内外排高压旋喷桩填缝止水形成的挡墙，上面整体做450高，1200宽压顶，两侧面各配3Ф22钢筋，上下纵筋分别为Ф12@200，箍筋Ф10@200。钢筋混凝土灌注桩桩身钢筋锚固入压顶板400，另加200长水平段弯钩。基坑四角分别设置角隅拉梁，1200x450，两侧各3Ф22钢筋，上下中间各另配5Ф22钢筋，锚固入压顶板40d，六肢箍筋Ф10@200。北侧内凹角，围护桩切斜角布置，压顶板外挑1300，形成2500的宽板，见图6。

                        图6、冠梁配筋示意图

四、基坑围护结构施工监测情况

基坑在钢筋混凝土灌注桩及填缝的高压旋喷桩施工完毕28天后，经检测合格后进形基坑土方开挖，要求结合底板后浇带分区开挖，现场根据后浇带划分的三大区域，再细分成9个施工工作面，分块分层出土，采用反铲挖掘机台阶式后退法挖土。于开挖前二周进行坑内降水，保证将地下水位降至最深开挖深度之下1.0m。施工过程中，在坑内按30mx20m网格设置降水井，共13个，沿基坑周边共设置14个水位监测孔，全过程进行监测，开挖过程每天监测两次。基坑开挖的同时，桩体一经揭露，立即对桩面进行喷浆处理，以增强排桩挡墙的整体性，从而提高止水能力。整个开挖过程局部有两处侧壁渗水，及时进行内侧封堵和压密注浆处理，同时利用坑外的水位观察井进行坑外降水，以减轻止水桩的压力从而减轻侧壁土层漏水，使内侧封堵跟压密注浆得以顺利进行，及时消除危险。

基坑周边设置结构顶部水平位移观测点，沿潮州大道，基坑的西南向设置7个，东南向设置14个，东北侧面设置8个，西北内侧边设置9个，外侧点设置3个，总共35个监测点，从3月31日开始观测，至5月27日最后一次观测，每天监测一次。4月1日东南边临近基坑右下角观测有变形，半个月后，东北边同样临近基坑右下角开始有变形，总变形量不大，到最后一天，这两边临近右下角位置观察到的最大水平位移为10mm，其余监测点均无观察到水平位移。可见本工程基坑围护结构较为理想。

五、结语

从潮州海悦名庭住宅小区基坑围护结构设计、施工过程可见，采用钢筋混凝土排桩挡土、内外排高压旋喷桩填缝形成止水帷幕的基坑围护设计最大程度利用了局限的场地空间，实施效果理想：

1、潮汕软土地区两层地下室、基坑开挖深度在6～8米左右，普遍采用双排桩支挡结构，因本项目浅层土层条件比较理想，基坑底面普遍置于第③土层细砂层上，采用钢筋混凝土排桩悬臂式结构，通过内外排高压旋喷桩的填缝处理，有效形成止水帷幕，同时增强排桩的整体性，基坑顶部设置1200x450压顶板，增强整体刚度，围合起来的空间结构效应，有效控制住悬臂式结构的水平变形；

2、因本场区第③～1淤泥夹层、第④土层淤泥、以及第⑤～1淤泥夹层局部孔位缺失，因此存在地下水从第③层细砂层、第⑤层中砂层间渗透的可能，基坑结构施工过程中及时发现这一不利因素的存在，针对局部区域，增加做坑内双排高压旋喷桩围合的阻水带，及时消除隐患，从基坑开挖全过程的监测情况看，此处理方式效果明显。

蔡隆俊，男，1973年生，广东澄海人，大学本科，工学士。  汕头市通程泛华设计咨询有限公司(Shantou Tongcheng Fanhua Design & Consulting Co., Ltd.)一级注册结构工程师、高级建筑结构工程师。

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