地基加固和基坑支护及降水设计关键问题研究

□□ 王德旻 (辽宁省建筑设计研究院岩土工程有限责任公司，辽宁 沈阳 110005)

引言

近年来随着我国经济建设的不断发展，岩土工程行业不断进步，岩土设计理论也日趋成熟。作为地基的加固桩体设计应根据场地的土体性质确定桩体的桩身强度，用以确定单桩承载力。如软土含水率大的土体，进行成桩加固后，桩身强度相对较低，单桩承载力也相对较低，此时就不能认为水泥土搅拌桩身强度能达到1.0～2.0 MPa，应取0.5 MPa进行计算。

旋喷桩的桩身强度能达到3.5 MPa，CFG桩能达到15～20 MPa。

对于基坑支护的设计，需要设计人员现场踏勘，掌握以下情况：

(1)设计基坑的现场位置，旁边有无重要建筑物及与建筑物的距离等。

(2)基坑现状的标高，确定基坑深度。

(3)观察有无降水的工作面和空间。

1 地基加固的设计

对于地基加固，常采用复合地基的形式。最主要的是选择持力层来确定桩长，桩体应进入持力层1.0 m，保证复合地基的沉降满足要求。地基处理常采用有粘结强度的增强体，计算依据见式(1)～(3)。

(1)

Ra=up∑qsi×lpi+αpqpAp

(2)

Ra=0.25fcuAp

(3)

式中,fspk——复合地基承载力特征值；

Ra——单桩承载力特征值；

m——置换率；

λ——单桩承载力发挥系数；

β——桩间土承载力发挥系数；

Ap——桩的置换面积；

fsk——天然地基承载力特征值；

μp——桩周长；

αp——桩端端助力发挥系数；

qsi——桩周土的侧阻力发挥系数；

lpi——桩的长度；

qp——桩端端阻力特征值；

fcu——桩体抗压强度标准值。

由式(2)和(3)确定单桩承载力，取(2)和(3)中较小值。

由(1)式反算置换率m。由置换率m计算桩间距，见式(4)～(6)。

等边三角形布桩：

de=1.05S

(4)

正方形布桩：

de=1.13S

(5)

(6)

式中，de——等效框直径，m；

S——桩间距，m。

由式(4)、(5)、(6)可算出桩间距S。

另一种算法：

m=nAp/A

(7)

式中，n——布桩数；

A——基础底面积。

由式(7)求得n，即布桩数。根据桩数和基础长宽的数值进行对称布桩。复合地基布桩有两种方案，一种为先确定桩间距再布桩，如图1所示；另一种为先确定桩数，再确定桩间距，如图2所示。

图1 布桩方案一

图2 布桩方案二

2 旋喷桩的设计实例

以辽河油田总医院(渤海医院)肿瘤治疗中心基础的旋喷桩施工。施工流程如图3所示。

图3 辽河油田总医院地基施工工艺流程图

该项目场地位于辽宁省盘锦市，总建筑面积为433.66 m2。根据设计要求，辽河油田总医院(渤海医院)肿瘤治疗中心基础下设计桩径为0.6 m，桩长为14.0 m，矩形布置。水泥掺量25%，水灰比1∶0.9。加固复合地基承载力≮230 kPa。

2.1 施工要点

施喷施工要点如下：

(1)定位：旋喷桩机移到指定桩位，对中并使桩机保持水平。

(2)必须保护好工程定位控制点。

(3)技术人员查的桩位必须准确。

(4)保证桩的垂直度，偏差不得>1%。

(5)制备水泥浆：待钻机就位后，按设计给定配合比拌制水泥浆，待压浆前将水泥浆及时放入集料槽中，保证水泥浆不离析。

(6)施工前，应根据现场环境和地下埋设物的位置等情况，复核旋喷桩的设计孔位。

(7)旋喷桩的施工工艺及参数应根据土质条件、加固要求，根据试验或工程经验确定。单管法、双管法高压水泥浆和三管法高压水的压力应>20 MPa，流量应>30 L/min，气流压力宜>0.7 MPa，提升速度宜为0.1～0.2 m/min。

(8)旋喷注浆，宜采用强度等级为42.5 MPa的普通硅酸盐水泥。

(9)保证设计桩长，桩径均为600 mm，满足设计要求。

(10)水泥浆液的水灰比1∶0.9。

(11)保证水泥掺量为25%，水灰比为1∶0.9，每根桩长为14.0 m，保证用量为130 kg/m3水泥，满足设计要求。

(12)喷射孔与高压注浆泵的距离不宜>50 m。钻孔位置的允许偏差应为50 mm，垂直度的允许偏差应为1%。

(13)建筑物内旋喷桩需进行引孔，施工工序为：破除现有地面，清除地面下填土至筏板顶面，采用水钻钻透筏板基础及垫层并抽出岩芯(开孔直径≮100 mm),钻孔数量为95个，采用旋喷桩进行定深度加固施工，水灰比为1∶0.9的纯水泥浆，采用P·O 42.5水泥，旋喷控制桩顶标高为-2.60 m。

(14)先将与筏板连接处断开，然后按顺序在该角点向两边顺序打桩，目的是让与筏板连接处沉降加速，然后在基础内部从该角点向对角点顺序打桩，打至对角线处时，从对角点开始跳打，高压旋喷桩施工需采取复喷措施及间跳式施工，间跳间距≮2.0 m。

(15)旋喷桩控制桩顶标高为-2.60 m，顶部为空桩段。

(16)施工结束如出现浆液回落应及时补浆，避免浆液凝固收缩在基础底面下形成空洞。施工过程中及施工完成后，建设单位应该对建筑物进行沉降观测，直至沉降趋于稳定。

当喷射注浆管贯入土中，喷嘴达到设计标高时，即可喷射注浆。在喷射注浆参数达到规定值后，随即按旋喷工艺要求提升喷射管，由下而上旋转喷射注浆。喷射管分段提升的搭接长度不得<100 mm。

对需要局部扩大加固范围或提高强度的部位，可采用复喷措施。

在旋喷注浆过程中出现压力骤然下降、上升或冒浆异常时，应查明原因并及时采取措施。

旋喷注浆完毕，应迅速拔出喷射管。为防止浆液凝结收缩影响桩顶标高，可在原孔位采用冒浆回灌或第二次注浆等措施。

施工中应做好废泥浆处理，及时将废泥浆运出或在现场短期堆放后作土方运出。

施工中应严格按照施工参数和材料用量施工，用浆量和提升速度应采用自动记录装置，并做好各项施工记录，记录项目内容见表1。

表1 施工记录表

旋喷桩设计剖面如图4所示，辽河油田总医院地基加固布桩方案如图5所示。

图4 旋喷桩加固剖面图

图5 旋喷桩桩位设计图

2.2 旋喷桩关键技术要点

外围一圈桩为扩大底板后的桩位图。旋喷桩速度为20～25 cm/min，旋转速度为20～25 r/min。压力为28～30 MPa。

旋喷桩复喷技术关键问题之一，因为复喷会增大桩径，从而提高承载力。复喷即是旋喷钻机将钻头钻至预计深度，然后提钻，将最后一节钻杆提出后，不是把钻杆卸下，而是再次将钻杆在加压的情况下钻至孔底，然后再提出的过程。每一节钻杆皆如此操作的结果。

旋喷钻头堵孔的情况常常发生，而工程中的事故多是在堵孔时发生的。因为在高压喷射时，堵孔会使钻杆内压力瞬间增大，如果此时工人正在清理堵塞物，则可能会发生严重的工程事故或存在危险。常见的处理方式是将高压机泄压，然后处理。在水泥浆二次搅拌时，加一层滤网，将块状的水泥屑清除，可防止堵孔发生。有时旋喷的浆液过于稀释，查找原因，多半是二次拌浆时滤网内存留水泥屑将滤网堵塞，只有浆液水体与水泥分离后才可通过，即进行了又一次过滤，将水泥过滤掉了，使得旋喷浆液过稀。这是工程上会遇到的大问题，所以应及时清理过滤网。

在工程中常常遇到水泥浆配比问题，在此阐明水泥浆液的水灰比配比计算方法：

水泥的比重Gs=3.0；X为水灰比，水泥浆液三相比例如图6所示。

图6 水泥浆液三相比例图

水泥浆比重：

3 CFG桩设计

在CFG桩设计中，应特别注意土层地质情况，如遇到软弱土层，在施工过程中很容易发生穿孔。设计原则是桩间距尽可能大，桩长加长。所以在设计时尽量把桩间距增大，一般在2.0 m左右。

在确定单桩承载力时，采用侧摩阻力加桩端阻力提供的承载力，而不采用桩身强度确定的承载力。因为桩身强度远大于摩阻力与端阻力提供的承载力。

用CFG桩作基础时，CFG的桩头容易坏，所以都预留500 mm的桩头。

4 水泥土搅拌桩设计

水泥土搅拌桩的设计过程中，常常要考虑桩身强度。往往在桩身强度较低时，进行基础的开槽。由于水泥土搅拌桩是柔性桩，故可以在强度较低时将桩头除去。

而在复搅时，往往将1/3桩长部分复搅，如果是回填土，由于其欠固结，故应对回填土部分复搅，往往是1/2桩长复搅。

5 基坑支护设计

基坑关键技术是从基坑设计的理论出发，阐述基坑的设计理念。

5.1 基坑计算理念

基坑的锚索轴力是个定值，跟预加力和变形值有关。在锚索轴力确定下来后，根据土层的粘结强度即可算出锚索的长度。通过调整锚索角度可以改变锚索在各个土层的情况，即可改变锚索的长度。当锚索承载力固定后，再增加锚索的长度是没有意义的。

图7 基坑设计图

根据锚索的轴力已知，主动土压力可以算出，而被动区按弹性法确定，只要算得弹性力和小于被动土压力，即是安全的。最后要按照变形的要求确定被动区的压力，和被动土压力进行比较，比其小即是安全的。

当然抗倾覆稳定性和整体稳定性一样重要。

5.2 基坑计算特例——挡墙加支护桩

挡墙加支护桩形式的实质是将桩顶放坡改为直立放坡。这样能节省混凝土的用量，还有利于将土体的滑裂面向前移动，减少锚索用量。

砖砌挡土墙，往往建在冠梁上，用格构柱将挡墙与冠梁连在一起。在马牙槎的格构柱每高0.5 m设置两根直径为Φ8 mm的钢筋拉结与砖砌挡墙墙体内。然后回填粉质黏土，做硬覆盖。在砖砌挡墙上做围栏，如图8所示。

图8 挡墙加支护桩形式

5.3 基坑双排桩设计

双排桩设计中，会出现整体稳定性不够的情况，这是因为双排桩改变了整体滑动面的位置，采用双排桩后，滑动面会后移动，这时应加长锚索的长度，以提高整体稳定性，如图9所示。

图9 双排桩设计图

当然，双排桩的距离越远越好，这样桩间的土体会越来越重，能起到抵抗桩体倾覆的力矩，对基坑安全有利。

6 基坑降水设计

以均质含水层潜水完整井设计为例，计算方法见式(8)～(13)。

(8)

(9)

(10)

q0≥q

(11)

S0=L+S1+S2+1.5 m

(12)

(13)

式中，Q——基坑降水总涌水量，m3/d；

Sd——设计降深，Sd=底板埋深-自然水位+0.5 m，m；

R——降水影响半径，m；

r0——基坑等效半径，m。

l——过滤器进水部分长度，m；

S0——自然水位，m；

L——井深，m；

S2——井内水位降深，S2=Sd+r0i，i=1/12～1/15，m；

S1——S2-1.5 m，m；

q0——管井出水能力，m3/h；

q——单井设计流量，m3/h。

由式(8)和(10)(13)计算单井流量q，由式(9)计算单井出水能力，利用式(11)确定降水井设计是否合理，由式(12)计算设计井深。

7 基坑集水明排设计

集水明排设计用于上层滞水的降水，粉质黏土层，渗透系数在7～20 m/d，降深<5 m的情况。

在初期开挖基坑阶段，要在基坑四角挖出长度、宽度、深度均为2～3 m的集水坑，用水泵将水抽出基坑。在基坑深度处设置排水沟和集水井，每10～15 m设置一个集水井，如图 10 和图 11 所示。

图10 集水井大样图

图11 放坡剖面图

8 基坑防冻胀处理

基坑内有粉质黏土层的位置往往存在隔水层，在粉质黏土内存在的水量，往往决定了基坑越冬时的冻胀。在基坑桩间土冻胀的情况下，锚索轴力会随着冻胀量的增加急剧增大，导致锚索轴力大于锚索承载力，以至于锚索及支护体系失效。锚索的监测要求达到锚索设计值的0.7倍，即为失效。这与锚索的设计有关。基坑设计时，锚索的预加力为轴力设计值的0.75～0.90倍时，最为合理，所以确定锚索的锁定值为轴力设计值的0.75～0.90倍。但锚索会有应力损失，在锚索变形过程中，当锚索值达到0.75倍的轴力设计值时，认为此时的预加力为0.75倍轴力，加上变形量恰好处于设计的危险状态。

对于越冬基坑，常采用草帘子提供土体冻胀的变形空间，减小冻胀力的影响，如图 12 所示。

图12 基坑越冬处理

9 基坑锚索拉拔试验

图13 锚索拉拔试验

轴力检测试验方法如图13所示。分级加载：0.1 N、0.4 N、0.6 N、0. 8 N、1.0 N、1.2 N、1.4 N、0.1 N；每级加载5 min。

每级加载后变形量与前一级加载变形量进行比较，如果超过2倍，则以前一级加载量为锚索承载力。

变形过程中，观察锚索是否收敛，如果不收敛则说明不合格。

10 基坑监测技术

基坑监测小角度法如图14所示。图中，A点为设置的基准站，每次施测时都要用到，所以A点是要长期保护的点。P点为基坑最初的原始点位，B点为固定不动的一点，可取某楼的一棱角。每次观测P点的偏差，即是∠PAP′。

图14 基坑监测小角度法监测

(14)

基坑变形值大，原因分析如下：

(1)基坑先开挖处，即基坑局部开挖深度大，此处的变形值也大。

(2)基坑旁边存在荷载作用，有临近建筑物的，建筑物对基坑有侧向土压力作用；当建筑物在基坑深度范围外时，认为建筑物对基坑无影响。

(3)基坑变形规律趋近于基坑边中点处大于脚点处，因为中间弯矩大于脚点弯矩。

(4)基坑附近有管道泄露，水渗进基坑周围，水压力导致基坑变形大，或者水体改变了土体的粘聚力和内摩擦角，使土体的土压力增大。

(5)基坑存在软弱土层，土体的内摩擦角小，导致土压力增大。

11 结语

笔者从地基加固到基坑设计、降水设计，再到基坑监测的理论分析，做了相应的工程实践，结合工程情况具体分析以下问题及内容：

(1)提出了地基加固的两种配桩方法。

(2)利用旋喷桩施工案例，阐明了旋喷桩的关键技术，即提钻速度、旋钻速度、复喷处理、水泥浆的配比方法。

(3)从设计角度，分析了CFG桩的穿孔问题和水泥土搅拌桩的复搅问题。

(4)基坑支付计算中，对有砖砌挡土墙的基坑和双排桩的基坑进行分析。

(5)分析了基坑降水设计方法及集水明排的设计问题。

(6)分析了基坑防冻胀处理方法及基坑监测技术，基坑变形的原因等。