核工院核电研发中心基坑围护及桩基础设计

分类：推荐论文 时间：2011-05-04 08:49 关注：(1)

核工院核电研发中心基坑围护及桩基础设计
王明胜

摘要：近年来，由于高层、超高层建筑的大量出现，对基坑围护及桩基础设计的要求也越来越高，本文主要对上海核工院核电研发设计中心深基坑围护设计及桩基础设计进行分析总结，并从工程造价方面进行了比较，在采取各种措施的前提下，采用最经济方案，大幅降低造价。另外本文对预应力管桩作为立柱的创新做法也进行相应论述和总结，解决了相关技术难题。

关键词：基坑围护，钻孔灌注桩，预应力管桩，造价

一、工程概况
上海核工院核电研发设计中心位于上海市虹漕路以西、田林路以南，本工程地上部分为15层，地下室部分为2层，总建筑面积约30000m2，为现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构。本工程基坑占地面积约6360m2，基坑挖深为9.0m，有承台部分基坑挖深为9.5m。属二级基坑工程。
二、工程地质
根据工程地质勘察报告，场地土层及工程地质主要性能指标见表1。

表1 场地土层及工程地质主要性能指标
土层 Ps
(Mpa) 
() C
(kPa) 预制桩(kPa) 灌注桩(kPa) 渗透系数
K(cm/sec)
fs fp fs fp
①填土
②褐黄灰黄色粉质粘土 18.5 23 2.0E-06
③灰色淤泥质粉质粘土 14.0 13 8.0E-06
④灰色淤泥质粘土 0.51 11.5 12 20 15 1.3E-06
⑤1灰色粘土 1.07 16.0 16 44 30 2.0E-06
⑤2-1灰色砂质粉土 5.20 28.5 7 60 2500 40 1000
⑤2-2灰色粉砂 10.21 35.0 2 80 4000 65 1800

三、基坑围护方案的选择
基坑工程大多属于临时性结构，在建筑出地面后，即废弃。因而设计的出发点是本着安全第一的原则，结合造价、施工、工期等因素综合考虑。本基坑周边环境比较复杂，尤其是南侧存在大量需要保护的陈旧民宅，东侧虹漕路上还有需要保护的市政管线。按以往经验，本设计决定采用钻孔灌注桩的围护形式。钻孔灌注桩的施工工艺比较成熟，作为围护桩，其适用的开挖深度也比较广，其围护刚度略低于地下连续墙，强于SMW工法，但其造价要比地下连续墙低很多，针对本基坑的实际情况，工期较长，其造价可能较SMW工法也有一定的优势。由于场地比较大，在钻孔灌注桩施工过程中的泥浆，可以充分利用场地优势，循环利用，以减少污染。由于基坑周边环境比较复杂，市政管线保护要求高，基坑面积比较大，因而该基坑支撑考虑采用二道混凝土支撑的形式，一方面混凝土支撑整体刚度较大，能较好的控制基坑的变形，另一方面，混凝土支撑比钢支撑布置灵活，也比较符合本基坑的体形特点。考虑到本基坑的面积很大，为方便挖土，支撑设计考虑采用“十字对撑、角撑结合边桁架”的形式，这样会在很大程度上提高挖土效率。另外，场地第③层为灰色淤泥质粉质粘土，砂性较重，而基坑的开挖深度刚好穿越此范围，需要采用较好的止水帷幕和降水措施。若处理不好，基坑开挖时极可能产生坍方、流砂等不良地质现象。设计考虑在钻孔灌注桩外侧用850@600的三轴水泥搅拌桩作为止水帷幕。与双轴水泥土搅拌桩相比，三轴水泥土搅拌桩搭接比较饱满，质量容易保证，尤其在基坑比较深、砂性土较重的地方，这个优点就更加突出。

 

 

图1 基坑剖面示意图 图2 支撑平面布置图

四、桩基础及立柱桩的选择
根据勘察单位提供的本工程地质勘察报告，结合场地工程地质条件、周边环境以及工期等因素，并根据目前上海地区桩基的施工手段，本工程的优先方案一般采用无挤土、低噪音的钻孔灌注桩，形成桩-筏板基础，桩基的安全等级为二级。
钻孔灌注桩的主要特点是不会产生明显的挤土效应，对周围的建筑影响比较小，适合在市中心等建筑密集地区施工，缺点是施工现场会产生大量的泥浆、施工速度慢，成本比较高。预应力管桩比钻孔灌注桩经济性较好，在上海近、远郊地区也得到了广泛的应用，它不但施工速度快、而且施工过程不会产生泥浆，但预应力管桩也有一个比较大的缺点，就是在施工过程中挤土效应明显，会对周边建筑及环境产生一定的影响，对密集、陈旧民房有一定风险。
本着既安全又经济的设计原则，通过对目前上海市先进的桩基础设计及施工方法的反复论证，并且经过大量的计算，我们认为如果采取必要的措施，本工程采用预应力管桩还是可行的。经与勘察单位共同商定，在设计阶段对桩基承载力、施工顺序等进行了调整和规定。
基坑围护的支撑立柱传统做法一般是采用钻孔灌注桩作为立柱桩，将延性较好的格构式钢柱插入其中，但由于本项目是采用预应力管桩作为工程桩，为了加快施工进度，并从节约工程造价的角度考虑，本工程也决定采用600的预应力管桩填芯来作为围护结构的支撑立柱，这种做法在上海地区极其少见，属于创新做法。为了使管桩做立柱时具有足够的完整度和较好的刚度和延性，需保证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为8.0m，填芯总高度为18.0m，同时，为了避免管桩接头处产生薄弱环节，第一节桩也应保证一定的入土深度，本工程用于支撑立柱的管桩第一节为15m，开挖后的入土深度约为6.0m。同时由于采用二道支撑，其第二道支撑与立柱管桩的连接尚无参考工程可以借鉴，设计中经反复讨论，采用了吊支撑的方法，传力明确、施工方便，取得了较好效果。
采用预应力管桩作为工程桩及支撑立柱，对于本工程在设计及施工中遇到的问题主要有：
(1)本工程位于市中心，离周围的建筑及主要道路比较近，预应力管桩在沉桩过程中产生的挤土效应，可能会使周围的建筑、道路及附近的市政管道开裂；
(2)预应力管桩作为抗拔桩的强度保障问题；
(3)立柱管桩与混凝土第二道支撑的连接问题；
(4)立柱管桩与底板连接的防水问题。
针对上述问题，设计采取了相应的应对措施：
(1)本项目工程桩采用500的预应力管桩,当桩身穿过②、③、④、⑤1层土时，沉桩一般无较大困难，当进入第⑤2-1层砂质粉土层时，沉桩动阻力会逐渐增加，尤其是桩端进入持力层后，沉桩阻力会明显增大。施工应制定出合理的沉桩流程并适当的控制沉桩速度，而且沉桩顺序应背离被保护对象方向进行，压桩初期的速度应控制在68根/天，同时在沉桩过程中应根据监测结果适当调整沉桩速度，原则上每天沉桩数量不得超过10根。当被保护对象位移累计超过10mm或每天增量超过2mm时，采用跳压（间隔距离应大于20m）或停压等办法调节和控制土体的位移量。
同时设计中要求采用先施工围护桩，再施工工程桩的顺序，虽然对工程桩沉桩有一定难度，但对本工程而言，将减小挤土效应、对周边建筑、管线的影响，同时也容易保证围护桩质量。
(2)预应力管桩的抗拔桩承载力主要取决于抗拔桩的极限承载力、桩身抗拔强度、填芯混凝土与管桩的粘结强度及接桩处的焊缝强度等。抗拔桩的极限承载力与桩身抗拔强度按有关资料均比较容易计算出来，而填芯混凝土与管桩的粘结强度目前还没有明确规定，一般取0.4ft 。按此经计算得混凝土的灌芯高度至少为2.0m，为了有足够的安全储备，本工程抗拔桩的填芯高度设计为4.0m。另外管桩的焊接接头在沉桩过程中容易开裂，所以除了对焊缝的强度需要验算外，还应保证焊缝的质量，以及沉桩时间的控制。
(3)对于立柱管桩与混凝土第二道支撑的连接问题，因无参考工程借鉴，设计中通过大量的研究及计算，很好的解决了这方面的问题，以下是立柱管桩与支撑的连接节点。
 

 

图3 管桩与支撑的连接
从图3可以看出，第二道支撑是靠四根角钢吊在第一道支撑与管桩连接节点上的，管桩与一、二道支撑之间均有四根槽钢伸入到支撑混凝土中，从而保证了管桩与立柱连接的可靠性。
(4)立柱管桩拆除后，下截管桩兼做工程桩时，还要解决管桩与底板的连接问题，尤其在止水的处理方面，以下是立柱与底板的连接节点。
 

 

图4 管桩与底板的止水处理
从图4可以看出，为保证止水效果，工程采用两道止水措施，首先在底板下侧采用圆形止水措施，其与管桩之间的空隙采用环氧树脂填充。然后在其上又增加一道方形止水装置，待立柱管桩截除后，采用钢板将其内部满焊封闭。
五、经济性比较
经综合分析，本工程采用预应力管桩作为承压桩、抗拔桩和立柱桩，比钻孔灌注桩约节约50%工程造价。
六、工程施工情况
本工程现已交付使用，在围护桩与工程桩施工的过程中，周边地表沉降速率较小，垂直位移变化不大，在基坑开挖施工期间，周边地表隆沉变化逐渐发展，随着开挖深度的增加，垂直位移速率也逐渐增加；至土方开挖到设计坑底标高后，随着基坑大底板浇筑完成，垂直位移速率逐渐趋于稳定状态。
七、结论
(1)在上海中心区域，带两层地下室的高层建筑采用预应力管桩还不常见，经大量研究及计算，通过合理的施工顺序，并采取相应的措施，预应力管桩完全可以作为工程桩使用；
（2）本工程采用预应力管桩作为工程桩，比采用钻孔灌注桩约节约50%工程造价。
(3)目前采用预应力管桩作为支撑立柱的情况还比较少见，尤其是应用在有两道混凝土支撑的围护结构上，从现场的施工实践看，我们的这种做法已经得到实际工程的考验。
 

 

【参考文献】
1.<<基坑工程设计规范>>DBJ08-61-97
2.上海市标准<<地基基础设计规范>>DBJ 08-11-1999
3.<<型钢水泥土搅拌墙技术规程>>DGJ08-116-2005