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1、第 32 卷 第 11 期建 筑 结 构2002 年 11 月考虑基础、 基坑支护综合效益的结构设计方案优选韩建强 宋庆东 ( 广州市设计院 510620)提要 结合广州市老城区某大型商住小区的基础、 基坑支护设计, 讨论与分析了基础或基坑支护结构方案 的选取,综合分析比较了基础+ 基坑支护结构系统的综合效益, 从而优选出最终的基础、 基坑支护设计方案。关键词 基础 基坑支护 土钉墙 深层搅拌桩 地下连续墙 桩基Based on the design of foundation and foundation excavation of a large shop and house quarte
2、r in old urban Guangzhou, theselecting of the foundation and foundation excavation plan is discussed separately. The compositeecon - omy of the system is compared and analysed, then the optimization plan of the project is developed to be reference forsimilarly situated project. Keywords:foundation;f
3、oundation excavation; soil nailing; deep mixed piles; diaphragn wall; pile foundation一、 问题的提出基础、 基坑支护是结构设计人员经常遇到的问题,孤立地处理两者之中的任何一个, 对于同时具有岩土和建筑结构知识与经验的工程师来说, 不是难事, 但要在确定基础方案时考虑基坑支护对其的影响, 以及如 何确保基础或基坑支护在安全适用的条件下使基础与基坑支护的综合经济效益达到较大甚至最大, 却颇为费事。现结合广州市老城区某大型商住小区的基础、基坑支护设计方案的选取、 综合效益分析, 优选出最终的基础、 基坑支护设计方案
4、。处理问题的方法对老城区高层建筑基础设计具有一定的参考价值。二、 工程与地质概况工程周边是二十世纪二、 三十年代的低层住宅, 多为天然基础。工程第一期建筑面积 9 万多 m2, 6 个塔楼, 地上 30 层, 地下 2 层, 地下室底板埋深 618m, 场地形状见图 1。该场地的岩土层情况见表 1。其中, 中风化岩层夹有强风化、 微风化岩层夹有中风化的现象较为普遍。三、 基坑支护结构方案的初选由以上描述可知, 土钉墙、 钻孔排桩、 地下连续墙等支护结构形式适用于该场地地质情况和开挖深度,在考虑地面荷载 10kPa的情况下, 经计算, 各支护结构的剖面图如图 2 4 所示, 其防水效果、 造价、
5、 对周边环 境影响及施工难易程度的情况列于表 2。可以看出, 在静水状态下, 土钉墙的止水效果与钻孔排桩差不多, 而在动水状态下, 后者比前者好些, 但由于钻孔排桩不可能完全咬合且深层搅拌桩在 N 20击时难以施工, 故仍有地下水的流失, 若要保证地下水在施工主体桩基础与地下室时不流失, 则对N 20击图 1 基坑开挖平面图地质岩土层一览表表 1层 号层厚 ( m)c ( kPa)U (b)标贯数 ( 击)fc或 fk ( MPa) 杂填土3105 淤泥01859197 粗砂31452113淤泥31259197 粉质粘土2185241810 砾砂11902920 粉质粘土3140332326
6、强风化泥质砂岩3125150231360fk= 015 中风化砂岩3125fc= 318 l u 微风化砂岩fc= 17支护结构方案比较表表 2支护形式防水效果造价( 万元)环境效果施工难易程度土钉墙1)一般 433很好简单钻孔排桩2)较好 839一般较复杂 地下连续墙很好1 200一般复杂注: 1) 土钉墙+ 深层搅拌桩+ 高压旋喷;2)钻孔灌注桩+ 深层搅拌桩。61图 2 土钉墙方案图 3 钻孔排桩方案图 4 地下连续墙方案的岩土层须采用高压旋喷桩, 这将大大提高造价, 而地下连续墙无论是在静水状态还是在动水动态都可以保证地下水不流失。故从止水效果方面考虑应优选地下连续墙。从工程造价来看,
7、 土钉墙支护结构较地下连续墙省 800 多万元, 较钻孔排桩省 400 多万元, 故宜选土钉墙作为支护结构。从施工工期和施工的难易程度来讲, 土钉墙支护结构比其余两种支护都要好, 宜首选。而本工程的难点和关键是如何保证地下水不流 失,不造成周边建筑物损坏且使地下室及基础施工得以顺利完成。结构设计的一般原则是首先确保其安全性, 其次才考虑经济性, 故孤立地考虑基坑支护时, 应选择地下连续墙。四、 基础结构方案的初选该工程单柱( 墙) 轴力达10 000多 kN, 总桩数 253根。工程位于老城区, 不允许打桩, 而静压预应力管桩由于以下问题不宜采用: 1) 满堂布桩要求底板厚在1 600mm左右
8、, 不经济; 2) 无塔楼部分地下室抗浮问题处理困难; 3) 送桩费用过高, 或为减少送桩费用, 待基坑开挖后再进行压桩, 但由于开挖面处地基承载力满足不了压桩机的要求, 又要进行地基处理, 从而增加费用与工期。除此以外, 可供选择的桩型有人工挖孔灌注桩、 钻孔灌注桩与钻孔扩底灌注桩三种, 其情况比较详见表 3。从表 3 可以看出, 钻孔灌注桩的总造价比其余两种桩贵 900 多万元, 可以不考虑。 主体结构基础比较表表 3桩型造价( 万元) 环境影响地下水流失施工难度人工挖孔灌注桩832良好严重流失 困难钻孔扩底灌注桩877一般基本不流失一般钻孔灌注桩 1 718一般基本不流失一般注: 混凝土
9、立方数: 人工挖孔灌注桩为12 75215m3, 钻孔扩底灌注桩为10 13714m3, 钻孔灌注桩为19 860m3; 单位造价: 钻孔灌注桩为 865 元/ m3, 人工挖孔灌注桩为 704 元/ m3, 人工挖孔灌注桩护壁为 500 元/ m3。人工挖孔灌注桩具有可全面开工、 工期短、 造价低、 无噪音、 环境污染轻、 施工质量可观性强等优点。但其在穿越饱和砂层时易发生流砂, 地下水流失严重。若基坑支护能起到完全止水的效果, 则地下水流失仅限于基坑内的原有地下水, 对基坑周边构筑物与建筑物不会造成破坏与损坏, 同时若施工时能采取严格的事前、 事中控制措施, 防止流砂及工伤事故的发生, 就
10、 应优选人工挖孔灌注桩方案。钻孔扩底灌注桩具有无噪音、 混凝土用量较钻孔灌注桩少、 承载力大、 不会造成地下水流失、 易于防止工伤事故发生等优点。但其单方造价较人工挖孔灌注桩高, 施工工期长, 施工质量可观性较差及泥浆外流易造成环境污染等都是选择此种桩基所必须考虑的。综上所述, 若基坑支护能完全止水, 则应选人工挖孔灌注桩作为桩基础, 否则应选钻孔扩底灌注桩作为桩基础。五、 基坑支护与基础结构方案的确定为全面评价基坑支护与基础的综合效益, 表 4 给出了本工程各种基坑支护与主体基础的组合总造价。基坑支护与主体基础的组合总造价(万元)表 4支护方案土钉墙钻孔排桩地下连续墙人工挖孔灌注桩1 265
11、1 6712 032 钻孔扩底灌注桩1 3101 7162 077由表 4 可以看出, 最高总造价为2 077万元, 最低 总造价为1 265万元。由于人工挖孔灌注桩施工时有大量地下水流失, 要保证周边建筑物、 路面等不受影响和损坏, 基坑支护结构只有选用地下连续墙才能做到,而人工挖孔灌注桩+ 地下连续墙的总造价高达2 032万元, 可不考虑或不优先考虑。钻孔扩底灌注桩在施工期间基本上无地下水流失, 其可以和上述任何一种基坑支护结构匹配使用。地下连续墙基坑支护结构+ 钻孔扩底灌注桩的总造价高达2 077万元, 亦不考虑或不优先考虑。这样只剩下62土钉墙基坑支护结构+ 钻孔扩底灌注桩基础和钻孔排
12、桩基坑支护结构+ 钻孔扩底灌注桩基础两种方案可供 选择, 而后者费用比前者高出 406 万元。如前所述, 土钉墙基坑支护结构与钻孔排桩基坑支护结构在静水状态下止水效果差不多, 而在动水状态下后者要比前者好些, 但由于采用钻孔扩底灌注桩基础, 施工期间不会形成动水状态, 所以二者的止水效果差不多, 但总造价却相差 400 多万元, 故应优先选择土钉墙基坑支护结构+ 钻孔扩底灌注桩基础方案。最终确定工程的基坑支护与基础按土钉墙基坑支护结构+ 钻孔扩底灌注桩基础方案施工, 建设单位对此相当满意。六、 结论通过对本工程基坑支护和基础方案与设计的讨论及比较分析, 对结构与岩土设计人员有以下启示:( 1)
13、 当一个工程设计包括基坑支护时, 要正确理解和处理基坑支护与主体基础的关系, 二者既相互独立,又相互联系、 相互影响, 共同构成一个结构系统, 所以方案设计的立足点应放在基坑支护与主体基础构成的大系统上。 ( 2) 侧重点应放在大系统的功能上, 而不是子系统的功能上, 子系统的一些功能可以加强亦可以减弱。如基坑支护的地下连续墙的止水效果最好, 但放在基坑支护+ 主体基础这个大系统内, 若采用钻孔扩底灌注桩作主体基础, 则地下连续墙就显得没有必要。( 3) 最终目标应放在大系统的总造价上, 而不是子系统的造价。结构设计的目的是在安全适用、 确保质 量的前提下, 使结构经济合理。要达到此目的, 从
14、理论上讲, 各个子系统的造价最小, 则大系统的总造价必然最小, 但实际上却难以做到, 甚至是不可能的。为此,必要时将某些子系统的某些功能加强或减弱, 以获得大系统的总造价最小或较小。( 4) 采用新技术或先进技术是实现系统总造价最小的手段。本工程采用新技术 ) 钻孔扩底灌注桩基础, 比传统的钻孔灌注桩基础节省混凝土9 723m3, 从而节省 841 多万元, 进而与人工挖孔灌注桩基础大致持平, 最终可用土钉墙基坑支护结构+ 钻孔扩底灌注桩基础方案代替地下连续墙基坑支护结构+ 人工挖孔灌注桩基础方案, 节省了 800 多万元。老城区的危房改造、 改迁以及新建工程是当前工程建设的一个重要方面, 所
15、遇到的问题较之在新城区建设有许多意想不到的困难。本文所述方法与思想巧妙地处理和解决了老城区建筑物基础施工与周边环境的问题, 并取得了较好的经济效益, 对老城区高层建筑基础设计具有一定的参考价值。参考文献11 韩建强. 土钉墙支护结构设计与优化探讨. 见: 第十六届全国高层建筑结构学术交流会论文集, 上海, 2000.21 广州地区基坑支护技术规定( GJB02) 98) .31 广东省地基基础设计规范( DBJ15) 3) 91) .41 建筑桩基技术规范( JGJ94) 94).( 上接第 70 页)地基承载力特征值 fak是由载荷试验直接测定或 由其与原位试验的相关关系间接推定和由此而累积
16、的经验值。它相应于载荷试验时地基土压力 -变形曲线上线性变形段内某一规定变形所对应的压力值, 其最大值不应超过该压力 -变形曲线上的比例界限值。修正后的地基承载力特征值 fa是考虑了影响承 载力的各项因素( 例如基础的埋深和宽度、 上部结构对变形的适应能力等等) 后, 最终采用的相应于正常使用极限状态下的设计值的地基允许承载力。单桩承载力特征值 Ra是由载荷试验直接测定或由其与原位试验的相关关系间接推定和由此而累积的经验值。它相应于正常使用极限状态下允许采用的单桩承载力设计值。当按地基承载力计算以确定基础底面积和埋深或按单桩承载力确定桩的数量时, 传至基础或承台底面上的荷载效应应按正常使用极限状态采用标准组合,相应的抗力限值应采用修正后的地基承载力特征值或单桩承载力特征值。即: S C, C 为抗力或变形的限值; pk fa( 地基); Qk Ra( 桩基) 。此时特征值 fa, Ra 即为正常使用极限状态下的抗力设计值。当根据材料性质确定基础或桩台的高度、 支挡结构截面、 计算基础或支挡结构内力、 确定配筋和验算材
