基坑支护位移控制

火凤凰🔥

基坑

支护

位移

变形

底面

荷载

施工

计算

系数

搅拌

凌元忠

福建九鼎建设集团有限公司 350001

【摘要】在我们实际基础工程开工前，针对我们的施工单位所报的深基坑支护施工专项方案审核时经常发现，施工单位普遍对基坑支护结构破坏比较重视，可是对基坑围护结构位移变形不够重视；本文结合某工程实例，通过该工程基坑支护方案设计，如何采用m法（弹性地基梁法）计算支护桩的顶端位移，通过在施工中采取相应加固措施，使支护结构变形通过信息化措施得到控制，从而避免对周边建筑及环境造成破坏和影响。

【关键词】位移变形、基坑支护、m法、水平荷载、变形值界限、信息化

Supportingfoundationpitdisplacementcontrol

LingYuanZhong

FujianjiudingconstructiongroupCo.,Ltd.fuzhou350001

【Abstract】

Inouractualfoundationengineeringbeforethestart,forourunitshallbesubmittedtotheconstructionofdeepfoundationpitsupportingspecialconstructionschemetoexamineandverifywhenoftenfind,constructionunitforcommonfoundationpitsupportingstructureisattachesgreatimportancetodestruction,buttofoundationpitpalisadestructuredisplacementdeformationattachesgreatimportancetoenough;Thispaperaprojectexample,bytheprojectfoundationpitsupportingdesignscheme,howtousingmmethod(elasticfoundationbeammethod)computingsupportingthetopofthepiledisplacement,throughtheconstructionofreinforcementcorrespondingtotakemeasures,makesupportingstructuredeformationthroughinformationundercontrolmeasurestoavoidaroundforbuildingandenvironmentaldamageandinfluence.

【Keywords】

Displacementdeformation,foundationpitsupportlevel,mmethod,Levelload,deformationvalueboundaries,informationtechnology

1、前言：

随着城市化进程发展，当前高层建筑地下空间发展较快，施工中基坑支护内容显得特别重要，但是很多工程由于基坑支护施工或方案失误，造成了许多因基坑坍塌造成施工伤亡事故。根据《福建省建筑边坡与深基坑工程管理规定》(闽建建【2010】41号)第三章第十四条明确了设计图纸及文件必须注明支护结构，周边主要建（构）筑物，重要荷载及周边土体的控制变形值。在施工单位施工组织设计中均有基坑支护设计专项方案，除支护结构设计外，还应有支护变形监测，在《建筑基坑支护技术规程》（JGJ20-99）第3.1.4条规定：支护结构设计应考虑结构水平变形、地下水的变化对周边环境的水平与竖向变形的影响。同时在《建筑施工安全检查标准》JGJ59-99中也有明确安全评价的内容，一般基坑支护破坏分为两类，一类是基坑支护结构破坏；另一类是基坑围护结构位移变形过大。前者对安全影响很大，发生事故常引起人员伤亡，因此承包单位一般都会对此极其重视，采取切实有效的措施保证基坑支护的结构安全。而后者一般不会引起支护结构的破坏，不易引起足够重视，但是位移变形过大，而损害地面周边建筑物，往往引起严重后果，破坏生活环境，而此时基坑支护结构尚无破坏迹象，因此基坑支护结构除满足强度要求外，还应控制其变形，以免对周边环境造成破坏，产生安全隐患。

本文以宏泰大厦工程实例中，说明如何利用m法（弹性地基梁法）计算深层搅拌桩的顶端位移，利用信息化措施并通过位移的有效控制从而达到保证周围建筑和设施安全的目的。

2、项目概况：

本工程主楼为框剪16层，建筑总高度为72.45米，总建筑面积为31502.73㎡，桩基础采用大直径人工挖孔灌注桩。本工程为一层地下室，层高为5.5m，地下室面积为2207.72㎡，设计基坑东西长约为65m，南北宽约为36m，开挖深度为7m。工程地质勘测报告提示的土层情况自上而下分别为：①杂填土，全区分布，厚度2.1~3.6m。②淤泥层，全区分布，厚度20.3~37.9m，3~7层为粘土层、中砂层及强风化层等。场区地下水分布情况：勘察期间测得的稳定水位为-0.3m。勘察报告提供的基坑设计参数为：20米以上淤泥重度r=16.5KN/m³，无侧限抗压强度qu=10kpa，原状块剪凝聚力C=6.6kpa，内摩擦角Ф=1.4°，渗透系数Kv=4.1×10-7cm/s。

宏泰大厦基坑围护平面布置图

3、计算分析与实施：

根据现场的具体实际情况，基坑东侧临近大唐酒店大楼，最近处仅相距3米，因此为了保证大唐酒店大楼建筑的安全，除了应对基坑支护进行强度验算外，还必须对支护结构的变形进行有效的控制。施工单位在施工组织设计中采取的基坑支护方案如下：基坑的东、西、北三面均采用钻孔灌注桩与格构式水泥深层搅拌桩挡土挡水，而南面采用深层搅拌桩挡水放坡开挖，深层搅拌桩采用C20砼压顶沿基坑四周封闭。水泥深层搅拌桩桩径为Ф650mm，桩长以压顶面计为14m，水泥土30天凝期强度标准值1mpa，桩与桩之间搭接150mm，共六排（详见附图1）。

钻孔桩直径Ф800mm，桩长22m@2000，混凝土标号为C20级，并沿全长配筋。桩顶混凝土压顶沿基坑四周封闭。对此支护结构我们进行了如下的桩顶位移计算：

3.1计算模型：

深层搅拌桩的顶端位移计算可以采用了弹性地基梁法即m法。m法的计算模型是文克勒地基模型上，土的水平地基反力系数深度按线性规律增大，其比例系数即为m。在本工程中，由于基坑面积较大，空间影响可以忽略，水泥土的变形计算可按平面问题考虑，亦以单位长度为计算单元。

3.2位移分析：

（1）对于土层较均匀，墙体刚度较大的水泥土墙，其墙顶位移Yd可由下式近似计算Yd=Y0+Ф0h

其中：

Y0——基坑底面处墙的刚性位移

Ф0——基坑地面处墙的转角

我们将作用在桩上的水平荷载分为基坑底面以上荷载和基坑底面以下荷载，分别计算其产生的位移，即：

Y0=Y01+Y02

Ф0=Ф01+Ф02

（详见附图2a、图2b所示）

式中：

Y01—由基坑底面以上荷载决定的基坑底墙的刚性位移；

Y02—由基坑底面以下荷载决定的基坑底墙的刚性位移；

Ф01—由基坑底面以上荷载决定的基坑底面处墙的转角；

Ф02—由基坑底面以下荷载决定的基坑底面处墙的转角。

(2)为了求得基坑底面以上荷载作用时基坑底面处墙的变形Y01、Ф01，需先确定水平荷载作用下桩的柔度系数ΔHH、ΔMH、ΔHM、ΔMM,可由结构力学位移法求得（详见附图3所示）

ΔHH=1/a³EI×AHH

ΔMH=ΔHM=1/a²EI×BMH

ΔMM=1/aEI×CMM

式中AHH、BMH、CMM为无量纲影响系数，由墙换算深度ah及桩底特证系数Kh查表确定。

当基坑底面墙作业有H0、M0时，则有：

Y01=H0ΔHH+M0ΔHM

Ф01=H0ΔMH+M0ΔMM

(3)基坑底面以下荷载作用时基坑底面处墙的变形Y02、Ф02则为：

Y02=ea/mhd（1+hd）

Ф02=ea/mhd

式中ea=γhKa

（4）墙顶位移Yd：墙顶位移的最终值还应考虑基坑底以下荷载的作用，可采用乘以弯矩增大系数βe作为墙顶位移的最终值

Yd=Y01+Ф01h+ea/mhd（1+h+hd）

参数的确定：

m的取值：

考虑到钻孔桩的抵抗作用，并参照规范将m值取为1MN/m4

水平变形系数a：

墙底特征系数Kh：

Kh=C0I0/EI

位移增大系数βeβe=1+1/10h×（13.5-0.3Ф）

3.3计算过程：

计算简图如图4所示

C10水泥土弹性模量

E=17.5×106KN/㎡

桩截面的惯性矩

Bh³/12=1×3³/12=2.25m4

EI=17.5×106×2.25=39.4×106KNM²

求水平变形系数a

求墙底特征系数kh及换算深度ah

kh=C0Z0/EI=（1000×8.0×2.25）/（39.4×106）=0.00046

ahd=0.12×8=1.37

查表得AHH=20、BHH=30、CMM=40

计算柔度系数：

ΔHH=1/a³EI×AHH=20/（0.17³×39.4×106）=103.1×10-6

ΔMH=ΔHM=1/a²EI×BMH=30/（0.17²×39.4×106）=26.5×10-6

ΔMM=1/aEI×CMM=40/（0.17×39.4×106）=6×10-6

计算基坑底以上荷载作用的基坑底面墙变形：

H0=1/2×vh²Kd=1/2×16.5×6²×tg²（45-1.4/2）=282.83KN

M0=1/6×vh³Kd=1/6×16.5×6³×tg²（45-1.4/2）=579.15KN×M

Y01=H0ΔHH+M0ΔHM=（282.83×103.1+579.15×26.5）×10-6=0.045m

Ф01=H0ΔMH+M0ΔMM=（282.83×26.5+579.15×6）×10-6=0.011rad

计算墙顶位移

Yd=Y01+Ф01h+ea/mhd（1+hd+h）=0.045+0.011×6+16.5×6×0.975/（1000×8）×（1+6+8）=0.045+0.066+0.18=0.291m

3.4确定最终位移值：

位移增大系数：

βe=1+1/10h×（13.5-0.3Ф）=1.22

最终位移值为：0.291×1.22=0.355m=35.5cm

3.5措施与效果：

针对计算位移过大的情况，为了保证东面建筑的安全，我们在施工中采取了必要的临时加固措施，具体方法如下：

拉结用钻孔灌注桩直径为Ф800mm，长度22m，砼标号C20，沿全长分段配置钢筋，并用Ф10@900钢筋锚入压顶板30d。

在东面用【32槽钢在工程桩上设置临时支撑，防止基坑位移变化过大。

压顶板采用C20砼400厚，内配双层Ф10@200构造筋及Ф8@200箍筋，沿基础四周封闭，并通过Ф10@900钢筋与深层搅拌桩和钻孔灌注桩分别拉结牢靠。

由于基础东西方向长度较长，故在北面搅拌桩施工时，向基坑外侧起拱，起拱高度为基坑长度的2/1000，从而形成对基坑支护结构教为有利的拱形受力结构。

为确保深层搅拌桩体的均匀性和桩身强度，采用4次搅拌送浆方式进行深层搅拌桩施工，并在现场留置水泥土试件，开挖前须对试件进行抗压强度试验，满足设计要求1Mpa后，方可开挖。

对基坑开挖实行分段、分层，然后进行人工清理，分段施工。土方开挖后应加紧垫层和底板的施工。

为维持基坑内土体干爽，采用轻型井点配合集水井、潜水泵降低地下水位，排除基坑内积水。

实行信息化施工：对基坑顶端实施位移、变形监测，重点在东面，共设置9个测点，采用准直线法进行检测。开挖前，对东侧大唐酒店大楼沉降情况进行调查，对已有的裂缝以及不均匀沉降要求做好检测记录和标记并拍摄存档，作为施工期间定期对裂缝、沉降等观测分析的对比资料。

施工效果评价：基坑支护结构全部完成后及开始开挖。开挖持续楼20天，期间曾遇大暴雨，部分区段由于挖土进度较快，位移最大曾达到30cm，但因加固措施得当，支护结构并未发生大的变形，地下室施工持续近3个月，整个基坑观测结果基本控制在计算值内，东侧大唐酒店大楼未受太大影响。

4、结论：

m值的确定和取值对计算结果有较大的影响，在本工程中，是根据经验取值，但有条件时建议通过桩的现场水平荷载试验来测定m值，这样取得的m值更能准确反映实际情况。从本工程实例中我们可以看出，即使支护结构的安全度已满足了规范要求，但其变形仍需控制。因此我们认为，为了达到保护城市基坑工程周围环境的要求，基坑的设计应从偏重强度控制设计转变为以变形控制设计与强度控制设计为主，为准确预测和计算基坑的变形，必须重视工程实践，提倡利用现场测试的资料来反映基坑设计所需要的计算参数。

参考文献：

1、<地基与基础》（第四版）顾晓鲁、郑刚、刘畅、李广信主编中国建筑工业出版2019年第四版

2、《高层建筑施工手册》（第三版）杨嗣信主编中国建筑工业出版社出版2017年第三版

3、《结构力学》（第三版）朱慈勉、张伟平主编高等教育出版社2016年第三版

4、《土力学地基基础》陈希哲主编清华大学出版社出版2016年第五版

5、《深基坑工程设计施工手册》龚晓南主编中国建筑工业出版社出版2018年第二版

6、《建筑施工手册》中国建筑工业出版社2013年第五版（编委会）

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（作者简介：凌元忠、男、福建省尤溪县人，1969-10-10出生、高级工程师、福建九鼎建设集团有限公司厦门分公司副总经理（兼总工）、项目经理、从事过结构设计、工程监理、地产开发及施工管理等工作，一级注册建造师（建筑）、一级注册建造师（市政）、一级国家注册造价师、一级国家注册监理工程师、省人防监理工程师，曾任华侨大学土木工程学院研究生院校外实践指导老师，曾获2002-2003年度福建省十大优秀总监理工程师称号，福建省综合评标专家库评标专家，厦门市职称评审专家评委，厦门市市管重点办安全督导专家，参编《厦门市建筑产业化项目部品部件企业认定管理规程》（编号XJK2016-1-4），现任某大型建设工程项目总承包项目负责人；爱好有：读书、太极与桥牌，觅行业知音期待志同道合者，感恩有您，感恩所有的遇见！通讯地址：福建省厦门市思明区海峡明珠广场2702室、电话：[phone]、邮编：361000、E-mail：[e-mail]）