预制H型混凝土板桩在软土地区深大基坑中的应用★

魏 祥

(上海申元岩土工程有限公司,上海 200011)

上海软土地区地下2层基坑通常采用板式支护体系,其中,围护结构一般可以选用SMW工法(型钢水泥土搅拌墙)[1-4]、钻孔灌注桩排桩结合外排止水帷幕[5-8]等。其中,SMW工法因型钢可回收,经济性好,但其相比大直径钻孔灌注桩排桩刚度偏低,因此不适用于周边环境复杂的深基坑;灌注桩排桩+止水帷幕(通常采用双轴或三轴搅拌桩)因其工艺成熟、控制变形效果可靠,因而应用广泛,但其现场施工效率较低,且在施工过程中会产生大量泥浆,环境污染严重。为此,近年来相继推出了绿色高效的五轴水泥土搅拌桩[9-12]、预制拼装式钢筋混凝土板桩等新型围护结构[13-14]。

本文以天安豪园二期C区项目为例,介绍五轴搅拌桩内插预制H型混凝土板桩在上海软土地区地下二层基坑中的应用,结合监测数据对其变形控制效果进行分析。

1 工程概况

1.1 基坑概况

天安豪园二期C区项目位于上海市闵行区七宝镇,北至蒲汇塘,东邻上海交通投资(集团)有限公司,南邻上海市公用事业学校漕宝校区。项目建设用地面积36 903 m2,总建筑面积125 492 m2,其中地上建筑面积79 753 m2,地下建筑面积45 739 m2。项目由11幢高层住宅楼及若干一层商业、物业管理用房等组成,设置一层—二层地下车库。基坑总开挖面积3.01万m2,围护外周长961 m,其中,北区地下二层区域基坑开挖面积1.86万m2,围护外周长615 m,普遍挖深8.85 m～9.45 m,局部落深1.4 m～3 m,基坑安全等级二级;南区地下一层区域基坑开挖面积1.15万m2,围护外周长346 m,普遍挖深5.2 m～5.8 m,基坑安全等级三级。

1.2 基坑周边环境情况

基坑北侧开挖边线距离用地红线8.1 m,红线外14 m 为蒲汇塘河道蓝线,河道宽27 m;河道蓝线与用地红线间污水总管(DN600)距离基坑开挖边线17.6 m。基坑东侧开挖边线距离用地红线3.5 m～11.2 m,红线外为上海交通投资(集团)有限公司两栋一层建筑,距离基坑开挖边线9.7 m～11 m。基坑南侧开挖边线距离用地红线9.6 m,红线外为上海市公用事业学校漕宝校区。基坑西侧为天安豪园二期B区后建场地(空地)。基坑环境保护等级定为三级。

1.3 场地工程地质条件

拟建场区属于上海地区“滨海平原”地貌类型。场地整体平整,自地表至65 m深度范围内所揭露的土层主要由软弱黏性土、粉土及砂土组成,土层设计参数详见表1。场地北部有②3层分布,南部②3层缺失。

场地局部分布有老旧建筑基础,南部建筑垃圾堆积高度1.0 m～6.0 m,中部、南部区域分布有暗浜。

勘探期间实测场地浅部土层中的潜水稳定水位埋深0.4 m～2.05 m,平均稳定水位埋深0.82 m。本场地第⑦层为承压含水层,按照上海市最不利承压水头埋深3 m计算,本工程基坑无突涌风险。

2 基坑支护设计

2.1 支护结构选型

本项目基坑开挖面积较大,宜合理安排施工顺序,分块施工。根据建设单位开发进度要求,本基坑先施工南区地下一层区域,待南区地下室完成后再施工北区地下二层区域。

表1 土层设计参数表

综合考虑基坑开挖面积、深度、周边环境保护要求,结合场地工程地质条件,南区地下一层基坑外围采用放坡+重力坝围护,北区地下二层基坑外围采用φ950@600 mm五轴水泥土搅拌桩内插预制H型混凝土板桩(850B型,截面高度850 mm)+两道钢筋混凝土水平支撑的支护形式。其中,北区普遍区域挖深8.85 m～9.45 m,H型板桩采用插二跳一(平均间距0.9 m),板桩长度19 m～20 m,搅拌桩有效长度20 m;局部落深区域挖深10.25 m～11.15 m,H型板桩采用密插(间距0.6 m),板桩长度23 m。根据H型板桩嵌入深度,五轴水泥土搅拌桩有效长度采用20 m～23 m,水泥掺量20%。北区地下二层基坑典型支护剖面详见图1,基坑首道支撑平面布置详见图2。

地下一层与地下二层高差区域采用φ850@600 mm五轴搅拌桩内插H型板桩(650B型,截面高度650 mm)+一道混凝土水平支撑。普遍区域H型板桩采用插一跳一(平均间距1.2 m),板桩长度11.5 m,搅拌桩有效长度13 m;局部落深区域H型板桩采用插二跳一(平均间距0.9 m),板桩及搅拌桩的有效长度均为15 m。

2.2 围护设计参数

本项目基坑围护结构主要采用预制H型混凝土板桩形式,为方便对本项目基坑围护设计的理解以及对今后类似项目的设计使用,现将预制H型混凝土板桩的材料、截面设计参数与传统的围护形式(钻孔灌注桩排桩、SMW工法型钢)相互对照,列入表2—表4。

表2 围护结构材料、截面设计参数表

表3 H板桩(650B)抗弯刚度表

表4 H板桩(850B)抗弯刚度

2.3 围护计算结果

采用同济启明星深基坑支挡结构设计软件(规范算法)计算不同土层条件下北区地下二层基坑的围护结构侧向变形及内力(每延米弯矩、剪力)。图3和图4分别为北区地下二层基坑普遍挖深区域有②3层分布区和无②3层分布区的计算结果,其中围护结构最大侧向变形18.2 mm～23.7 mm(0.19%H～0.25%H,H为基坑普遍挖深)。

3 基坑围护施工

3.1 围护施工要点

五轴搅拌桩内插预制H型混凝土板桩工法,首先在五轴搅拌机械施工过程中注入固化剂后,利用钻杆驱动搅拌页片,将土体和固化剂在原位进行充分拌合,使水泥加固土发生物理化学反应,从而增加土体强度。预制H型板桩在搅拌桩施工结束后30 min内插入,水泥土硬结后,形成一道具有一定强度和刚度、连续完整的墙体。强制搅拌式五轴搅拌桩既可作为止水帷幕,也便于预制H型构件的植入。强制搅拌式五轴搅拌桩与预制H型构件共同形成既能止水又能承受侧向荷载的新型挡土结构。

3.2 基坑施工节点

北区地下二层基坑自2021年7月18日开始第二层土方开挖,至2022年6月13日完成地下室结构施工。其中,各主要工况的实施时间详见表5。

4 基坑监测分析

北区地下二层基坑西、北、东三侧在不同工况下的围护结构侧向位移监测结果详见图5。第二层土方开挖期间,围护最大侧移7.88 mm～16.17 mm,日增量0.17 mm～0.36 mm;基坑开挖到底时,围护最大侧移21.11 mm～28.91 mm,第二道支撑施工及第三层土方开挖期间日增量约0.23 mm;底板施工完成时,围护最大侧移27.45 mm～32.95 mm(0.29%H～0.35%H),底板施工期间日增量0.2 mm～0.32 mm;地下结构施工完成时,围护最大侧移29.39 mm～42.36 mm(0.31%H～0.45%H),底板施工完成后日增量0.01 mm～0.045 mm。底板施工前,尤其各层土方开挖期间,围护侧移增量显著(平均日增量0.25 mm);底板施工完成后,围护侧移趋于稳定(平均日增量小于0.05 mm)。由于北区基坑规模较大,施工时间较长(底板完成后继续施工7个月),地下室施工完成时,围护累计监测最大侧移大于软件计算结果;各边围护最大侧移发生在坑底附近,与计算结果一致。基坑施工期间,围护结构顶部最大位移38 mm,南区地下一层结构最大位移3.6 mm,周边管线最大沉降24.3 mm,支护结构及周边环境均处于安全稳定状态。

表5 基坑主要工况实施时间

5 结论

综合考虑上海天安豪园C区项目基坑开挖面积、深度、周边环境保护要求,结合场地工程地质条件,北区地下二层基坑外围采用五轴水泥土搅拌桩内插预制H型混凝土板桩+两道钢筋混凝土水平支撑的支护形式。将预制H型板桩的材料、截面设计参数与传统的围护形式相互对照,并阐述H型板桩的施工要点,为今后类似项目的设计提供参考。采用规范算法预测北区基坑的围护结构侧向变形及内力,并与现场监测数据进行对比分析,结果表明,底板施工前,尤其各层土方开挖期间,围护侧移增量显著;底板施工完成后,围护侧移趋于稳定。基坑施工期间,支护结构及周边环境均处于安全稳定状态,从而验证H型板桩围护的有效性。