钢管桩加锚杆组合支护在特殊基坑中的应用

钢管桩加锚杆组合支护在特殊基坑中的应用

罗忠行

(湖南省核工业地质局三○三大队, 湖南 长沙 410119)

摘 要: 结合长沙某基坑支护工程实际, 针对其场地西北角支护段由于受已有建筑物的限制, 不能利用安全可靠的混凝土桩锚垂直支护施工方式的问题, 详细分析改用可执行施工的预应力锚杆与微型钢管桩联合垂直支护, 这种在狭小受限场地很实用的基坑支护方法. 从实际施工效果来看, 该方法施工安全、经济合理、施工灵活方便, 适应性强.

关键词: 预应力; 锚杆; 钢管桩; 支护方法

中图分类号: U418.5 文献标识码: A 文章编号: 1672-5298(2019)03-0054-04

Application of Steel Tube Pile and Bolt Combined Support in

Special Foundation Pit

LUO Zhongxing

(303 Brigade of Hunan Nuclear Geology, Changsha 410119, China)

Abstract: Combined with the reality of a certain foundation pit supporting project of Changsha, aiming at the supporting period of the northwest corner due to the limitation of existing buildings, and the problem of no safe and reliable way of vertical concrete pile anchor support construction, the study analyzes the executable construction of prestress anchor rod and the micro steel tube pile vertical support, such as practical foundation pit supporting method in a small restricted area. From the point of actual construction effect, the method of construction is safe, economic and reasonable, with convenient construction and strong adaptability

Key words: prestress; anchor; steel tube pile; support method

1工程案例概况

1.1 工程情况

长沙某基坑支护工程位于长沙市劳动东路与京珠高速交汇处, 南邻曲塘路, 东临黎托路, 基坑西北角有一栋2层框架建筑物, 建筑物地坪距离基坑顶边缘仅有65~100cm. 该支护段基坑开挖深度为7.7m, 地面高程为32.8m, 基坑低标高为25.1m. 该支护段基坑安全等级为一级, 结构重要性系数为1.1, 属于临时性支护, 设计使用年限≤1年. 1.2 该支护段地层分布

(1) 粉质黏土: 褐色, 可塑状, 切面光滑, 干强度中等, 韧性中等, 层厚1.30~8.30m. (2) 圆砾: 褐黄色, 中密, 粒径一般为10~20mm, 最大粒径达50mm, 级配较好, 颗粒含量约80%, 层厚0.60~8.70m. (3)强风化泥质粉砂岩: 褐红色, 粉砂质结构, 中厚层构造, 节理裂隙较发育, 泥质胶结, 岩芯呈碎块状及短柱状, 遇水易软化, 风干易开裂, 岩石风化不均, 层厚0.40~15.80m. (4)中风化泥质粉砂岩: 褐红色, 粉砂质结构, 中厚层构造, 节理裂隙较发育, 泥质胶结, 岩芯柱状, 柱长一般20~40cm, 最大达70cm, 遇水易软化, 风干易开裂, 岩体基本质量等级为Ⅴ级, 其顶面埋藏深度为12.1~28.40m, 地下水稳定埋深3.3m, 受大气降水和地表水补给, 水量、水位因季节而异. 1.3支护处理方案

基坑支护工程场地西北角支护段受已有建筑的限制, 场地狭小, 旋挖钻机等大型机械不能施工, 同时地下水位高, 地下水丰富, 人工挖孔桩实施困难, 不能利用安全可靠的混凝土桩锚垂直支护施工方式, 通 收稿日期: 2019-06-16

作者简介: 罗忠行(1965− ), 男, 湖南隆回人, 高级工程师. 主要研究方向: 岩土工程、地质灾害防治工程、生态环境修复

第3期 罗忠行: 钢管桩加锚杆组合支护在特殊基坑中的应用 55

过比较初步拟定采用微型钢管桩+预应力锚杆的支护方案. 钢管桩施工需要的机械较小, 场地条件满足, 且施工对周围建筑基础以及基础土方的扰动小, 但需要通过计算判断钢管桩支护是否安全可靠.

2支护结构的计算与设计

2.1 钢管桩间距的计算

在钢管桩土层中圆砾层形成土拱间距最小, 根据刘颖[1]等人的研究, 圆砾层桩间距要满足下式才能形成土拱:

L≤

2btan(45

)2其中L为桩间距, b为方桩边长(圆桩则b0.866d, d为桩直径), 为土层磨擦角.

表1 基坑支护设计岩土工程特性指标值

. (1)

地层 名称 粉质粘土③ 圆砾⑦ 强风化泥质粉砂岩 中风化泥质粉砂岩

天然重度 (kN/m3)

内摩擦角( ° )

凝聚力C (kPa)

土层厚度h

(m)

锚杆的粘结强度标准值qsik

(kPa)

45 180 200

19.3 12 26 3.2 20.5 30 0 9.7 21.5 20 40 5.5 22.5 15

由式(1)计算得, 本工程中钢管桩形成土拱的临界间距为:

L

2btan(45

)2即最大桩间距为0.732m, 考虑到施工的方便和一些安全因素, 取实际的桩间距为L0.5m.

b0.732m,

2.2 钢管桩入土深度计算

基坑垂直开挖深度H7.7m, 多支点单排桩的支护, 基坑底上部多层土, 其参数采用等效内摩擦角、等效粘聚力、等效重度代替, 经过计算有m22.52、Ck13.4kPa, rk20.0kN/m3. 由于基坑顶部有既有二层建筑, 为均布荷

载q060kN/m2, h基坑深度H既有二层建筑换算的土层高度HQ7.76020.010.7m.

基坑底面下钢管桩结构的弯矩零点位置距基坑底为h0, 那么在弯矩零点位置有: 0epkeak, 基坑底面为圆砾侧

eaki(q0rhii)kai2cikai, epki(rhii)kpi2cikpi, 通过计算可以求得h03.18m.

将基坑底面下钢管桩结构反弯点取在弯矩零点位, 并视为等值梁的一个铰支点, 如图1所示, 则可以算出设置预应力锚杆处需要提供的支点反力

Ti

(EaiLai)(TxLTx)

x1i1

图1

LTi

,i1,2,

计算第i层支点的Ti时, Eai计算至第i1层的开挖深度处, 计算支点反力数据见表2.

56 湖南理工学院学报(自然科学版) 第32卷

−1.6m处 −3.2m处 −4.8m处 −6.4m处

Kai+1 kai1 表2

Eai(kN) Lai(m) LTi(m) Ti(kN) 0.64 0.8 179.1 8.71 9.3 167.74 0.34 0.58 260.6 8.1 7.7 71.54 0.34 0.58 376.56 7.3 6.1 105.90 0.49 0.7 496.24 6.42 4.5 95.41

注: 圆砾主动土压力采用水土分算.

弯矩零点位置至钢管桩嵌固端的深度tk满足tk≥

Epkbk

, 其中bk为Epk对支护结构端的力臂, Qk为Qk

弯矩零点位置的剪力, QkEpkTi. 计算可得tk≥1.44m, 取tk2m. 钢管桩的嵌固深度hdh0Ktk, 其中K为安全系数, 取1.2, 故可求得钢管桩的嵌固深度hd3.21.225.6m.

2.3 锚杆参数计算

(1) 锚杆轴向拉力标准值 锚杆轴向拉力标准值Nk

Tis

, 其中s表示锚杆水平间距, 设置为1.5; 支护结构宽度

bacosba30.9(1.5d0.5)1.92m; 15. 锚杆轴向拉力标准值分别为Nk135.67kN、57.86kN、85.65kN、77.16kN.

(2) 锚杆锚固段长度

锚杆锚固段长度

dqsikLi

≥Kt, 一级基坑Kt取1.8,

Nk

分层代入表2中计算出的Ti数值以及表1中土层的锚杆的粘结强度标准值qsik, 同时锚杆孔径取180mm, 满足上述要求验算出锚杆锚固段长度并且取值如下: L111m、L28m、

L39m、L48m.

(3) 锚杆自由段长度

基坑圆砾厚, 采用直线滑动理论, 非锚固段长度(图2)

)2其中a2是基坑底面至弯矩零点位置的深度, 即a23.2m, d

sin(45

取0.18m, 计算出Lr1≥7.1m、Lr2≥6.0m、Lr3≥4.4m、

Lf≥(a1a2dtan)

sin(45

m

2)m



d1.5, cos图2

Lr4≥3.5m, 分别取值8m、7m、6m、5m. 2.4 支护设计

根据上述计算结果可知, 微型钢管桩+预应力锚杆的支护方案理论是可行的. 基坑无放坡空间, 采用垂直支护, 基坑深度H7.7m, 微型钢管桩采用单排桩, 孔间距设置为

0.5m, 钢管桩孔径180mm, 钢管直径D140、5.5, 桩顶布置300mm×300mm的C30钢筋砼冠梁, 微型钢管桩嵌固长度取值7m, 总长度为14.7m. 预应力锚杆布置有4排, 第一排(1.6m处)锚杆总长度19m, 锚固段长度11m; 第二排

(3.2m处)排锚杆总长度15m, 锚固段长度8m; 第三排

图3

第3期 罗忠行: 钢管桩加锚杆组合支护在特殊基坑中的应用 57

(4.8m处)排锚杆总长度15m, 锚固段长度9m; 第四排(6.4m处)排锚杆总长度13m, 锚固段长度8m, 均采用Φ32的螺纹钢筋, 具体设计如图3所示. 开挖垂直坡面采用100mm厚层C25喷射混凝土面板与微型钢管桩形成支护面结构, 并通过25b槽钢腰梁链接预应力锚杆. 基坑止水利用前期已经施工完成了的高压旋喷止水帷幕.

3工程实施

3.1 工程施工

基坑西北角场地狭窄地段长度约20m, 于2017年共施工了41根深度均为15m左右的微型钢管桩. 钻孔采用XY-100型地质钻机成孔, 由于圆砾层厚度较大, 容易塌孔, 采用Φ180的一次性钻头, 直接利用钢管桩钢管为跟进套管钻孔至设计深度. 采用钢管顶端头封闭管内压浆, 钢管与钻孔环状间隙回浆的注浆方法, 确保了钢管桩管内管外的注浆效果. 注浆压力控制在0.5~1.5mPa, 注浆材料采用P042.5标号的水泥.

浇筑300×300的冠梁, 基坑分层开挖并施工了四层预应力锚杆, 锚杆水平间距1.5m, 排距1.6m, 上下层错位布置, 每层锚杆在挂网网片(6.5@250×250)喷砼(100厚C20喷射砼坡面)后锁定在25b槽钢腰梁上. 锚杆采用Φ32@1500, 倾角=15°, 180, 每层锚杆施工的参数与设计相同.

3.2 施工后效果

在钢管支护段冠梁布置了位移监测点, 位移变化量监测如图4所示. 从位移变化曲线图可看出, 在2017年10月该段基坑支护完成后, 位移逐步趋于稳定, 累计最大位移量不超

15mm, 完全满足规范变形控制要求.

图4

4 结论

在对该种微型钢管桩加预应力锚杆支护的设计计算中, 通过整体稳定、倾覆稳定、极限平衡等推算出钢管桩及锚杆工程参数的安全性设计取值, 用于指导施工, 方法是正确的、合理的.

基坑工程中由于施工环境、周边条件、施工机械设备等因素的限制, 经常在工程建设中遇见大型设备不能实施大直径桩支护基坑的工程问题, 是否存在有满足环境条件要求的小设备实施小直径桩加预应力锚杆的基坑支护方案？本文案例通过设计计算、工程施工、监测等过程论证了微型钢管桩加预应力锚杆支护基坑方案是可行的、安全的, 也是比较经济.

在基坑深度较小、地面附件荷载不大、城市场地狭小、以及工程地质条件与本工程相似的情况下, 小直径微型钢管桩加预应力锚杆的联合支护是较好的支护措施, 可以广泛应用.

参考文献

[1] 刘 颖, 覃仁辉, 李先光．边坡工程中抗滑桩最大间距的探讨[J]．贵州工业大学学报, 2006, 35(5) [2] 中国建筑科学研究院主编．建筑基坑支护技术规程[S]．北京: 中国建筑工业出版社, 2012 [3] 龚晓南, 候伟生．深基坑工程设计施工手册[M]．第2版. 北京: 中国建筑工业出版社, 2018