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双排桩结合CSM支护在圆砾卵石地区的应用研究

CSM工法 2020年9月2日 项敏 715





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双排桩结合CSM支护在圆砾卵石地区的应用研究




摘  要

摘要:荆州地区深部为圆砾-卵石层,地下水水量丰富,水力补给作用显著,深基坑止水、降水难度大。以此为例,针对深基坑施工采用的双排桩结合双轮铣深层搅拌水泥土地下连续墙(CSM)支护形式,进一步分析了双排桩排距、前后排桩桩长、桩间距等对双排桩变形与稳定性的影响,得出双排桩宜采用前排密桩、长桩,后排疏桩、短桩的改进建议。该结论对类似工程的设计与施工具有一定的借鉴意义。


关键词:深基坑;圆砾-卵石层;双排桩;双轮铣深层搅拌水泥土地下连续墙




前  言

双排桩支护结构由前排桩、后排桩、连梁与圈梁组成,具有刚度大、侧向变形小、施工速度快、挖土便利等优点,在全国大范围内得到了广泛应用。受制于理论研究与计算软件,双排桩支护结构在工程设计中多按前后排桩同桩型、等间距、等长度的基本构型用理正软件计算。但双排桩体系中前排桩对控制支护结构变形、保持基坑稳定性的作用远大于后排桩,基本构型易造成资源浪费,存在优化空间。


湖北荆州地区比邻荆江,除浅部土层为黏土层外,下部土层均为深厚圆砾-卵石层。圆砾-卵石层透水性极强,且赋存承压水、水位高,深基坑开挖时地下水控制难度高。CSM,即双轮铣深层搅拌水泥土地下连续墙,是通过对原地层进行铣、削,并掺入水泥浆固化液充分搅拌而形成的止水结构,具有切削性能高、止水效果好、施工速度快、可靠性高等优点,目前已得到广泛应用。


本文以湖北荆州某大型商业综合体为例,分析改进型双排桩结合CSM止水支护结构在基坑工程中的应用。


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工程实例

1.1 工程概况


背景工程位于湖北省荆州市,项目分为南、北2个地块,地库地下1~2层,基坑面积总计107 000 m2,基坑挖深5.0~10.3 m。基坑分区及周边环境如图1所示。依据湖北省基坑设计规范,地下2层从严按一级基坑、地下1层按二级基坑进行设计。


1.2 工程地质条件


基坑开挖范围内主要土层依次为:

①层填土、

②层粉质黏土、

③层粉砂夹粉土、

④层细砂(局部分布)、

⑤1层卵砾石、

⑤2层圆砾、

⑤3层卵石。

其中⑤1层与⑤2层砾石粒径大部分为2~10 mm,充填物主要为粉土及粉砂,级配较差;⑤3层卵石粒径一般为2~5 cm,个别可达10 cm以上,颗粒较大。


拟建场地地下水由上层滞水、孔隙承压水组成,承压水水位埋深2.0 m。


1.3 基坑支护设计

双排桩结合CSM支护在圆砾卵石地区的应用研究

本工程为大型深基坑工程,存在形状不规则、挖深关系复杂、分期先后施工等问题。本文着重介绍地下2层一般区域支护设计,基坑挖深10.3 m。

1.3.1基坑支护结构设计


拟建场地分布有深厚圆砾-卵石层,承压水水位高,常规“单排桩+多道锚杆支护”存在锚杆施工前侧壁承压水突涌的问题,故支护结构采取了可靠性高、安全性好的双排桩支护。


双排桩的前排桩采用φ900mm@1200mm灌注桩,桩长19.2 m,插入比1∶1.1。后排桩采用φ900mm@3600mm灌注桩,桩长15.7 m,插入比1∶0.7。前后排桩间距4.5 m。


前后排冠梁尺寸为1200mm×800mm,连梁尺寸为900mm×800mm,间距3.6 m,混凝土强度等级为C30。


1.3.2基坑止水设计


拟建场地底部为深厚圆砾-卵石层,土层粒径随深度增加而不断加大,由砾石到圆砾再到卵石,基坑止水桩深部施工难度大,且无法隔断承压含水层。


拟建场地邻近荆江,地下水与荆江有密切的水力联系,地下水量丰富;深厚圆砾-卵石层渗透系数大,水力补给作用显著,且承压含水层稳定水位较高,基坑降水量大、难度高。有鉴于此,为可靠有效地止、降水,本工程采用厚700 mm的CSM止水,成槽深度27.2 m,深入坑底以下19 m,通过绕流作用隔水。基坑降水采用桥式钢管井,井深21 m,并配以大功率水泵,疏干水位至坑底下1.0 m,以满足施工要求。


基坑支护剖面图2所示。

双排桩结合CSM支护在圆砾卵石地区的应用研究

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双排桩支护结构设计参数分析


本工程基坑设计计算采用启明星软件,该软件能考虑双排桩前后排不同桩长、桩间距的情形。相应计算结果如图3所示。启明星软件计算结果与湖北省天汉软件计算结果相近,并与基坑监测相符(支护结构最大测斜位移3.5 cm)。

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由图3可见,双排桩受力变形具有如下特点:


1)双排桩支护结构作为悬臂支护体系,且由于基坑底部圆砾-卵石层土质较好,故基坑变形表现出典型的上大下小特征,最大变形点位于基坑开挖深度的一半附近。


2)前后排桩变形与受力特征基本一致,前排桩受力大于后排桩。


以本工程为例,分别保持其他设计参数不变,分析双排桩排距、前排桩桩长、后排桩桩长、前后排桩桩间距变化对双排桩变形与稳定性的影响。


2.1 双排桩排距


依据湖北省基坑设计规范,双排桩排距宜为2.5d~5.0d(d为桩径);依据国标,双排桩排距宜为2.0d~5.0d。在基坑设计中,支护桩采用灌注桩时,桩径通常为1/12h~1/10h(h为基坑挖深)。因此,双排桩排距依据基坑挖深确定更能反映实质影响,即为0.3h~0.5h。

排距对基坑变形与稳定性的影响如图4所示。

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由图4可见,双排桩排距对基坑稳定性影响较小,对基坑变形影响较大。


2.2 前排桩桩长


本工程深部土层为圆砾-卵石层,土质较好,基坑稳定性主要由抗倾覆稳定性决定。不同前排桩桩长对基坑变形与稳定性的影响如图5所示。

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由图5可见,当基坑深部为硬土、底部无显著硬土层时,前排桩桩长对基坑变形影响较小,对基坑稳定性影响较大。通过增加前排桩插入比,可提高基坑稳定性系数。

2.3 后排桩桩长


依据湖北省基坑设计规范,悬臂双排桩的嵌固深度对于一般黏性土与砂性土,不宜小于0.5h(h为基坑挖深);依据国标,相应嵌固深度不宜小于0.6h。不同后排桩桩长对基坑变形与稳定性的影响如图6所示。

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由图6可见,当基坑深部为硬土、底部无显著硬土层时,后排桩桩长对基坑变形与稳定性影响较小。因此,可通过前后排长短桩的组合方式来优化双排桩支护结构。


2.4 前后排桩桩间距


分别按以下3种前后排桩桩间距进行分析:

1)模式1:前排φ900 mm@1800 mm,后排φ900 mm@1800 mm。

2)模式2:前排φ900 mm@1200 mm,后排φ900 mm@3600 mm。

3)模式3:前排φ900 mm@1200 mm,后排φ900 mm@2400 mm。

不同模式下支护结构受力与变形计算结果如表1所示。

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对比模式1与模式2,二者支护桩桩数相同,但由计算结果可见,采用双排桩前排密桩、后排疏桩分布形式的基坑变形相对更小,双排桩支护结构中前排桩对支护体系的贡献更大。


对比模式2与模式3,在前排桩间距不变的前提下,后排桩间距对基坑变形基本无影响,主要影响的是后排桩的弯矩。


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CSM的施工控制


本工程地下2层一般区域CSM成槽深度约27m,施工需穿越圆砾、卵石层厚约15 m,确保CSM的成墙质量与垂直度控制是难点。设计与施工中主要采取如下措施:


1)采用往复式双孔全套打复搅式成槽,施工过程中应保证施工机械的平整度和机架的垂直度,墙体的垂直度偏差不得超过0.5%。


2)水泥掺量20%,水灰比1.0~1.2,并掺入5%膨润土以保持槽孔壁的稳定,防止坍孔。


3)双轮铣下沉速度50~80 cm/min,提升速度80~100 cm/min,严格控制施工速度。


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结  语


以某大型基坑支护设计项目为例,介绍了圆砾-卵石地区改进型双排桩支护结构的应用,得到以下结论和经验:


1)双排桩排距宜取0.3h~0.5h(h为基坑挖深),排距主要影响基坑变形,对稳定性影响较小。


2)双排桩宜采取前排密桩、长桩,后排短桩、疏桩的改进形式,前排桩对支护体系的贡献更大;宜通过前排桩插入比控制基坑稳定性,通过前排桩桩间距来控制基坑变形。


3)CSM切削性能高、止水效果好,适用于地下水位高、地下水量丰富、水力补给作用显著的圆砾-卵石地区的深基坑工程。



来源:《地基基础》

编辑整理:项 敏
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CSM工法


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CSM工法 Cutter Soil Mixing (铣削深层搅拌技术)是一种创新性深层搅拌施工方法。此工艺源于德国宝峨公司双轮切铣技术,是结合现有液压铣槽机和深层搅拌技术进行创新的岩土工程施工新技术。通过对施工现场原位土体与水泥浆进行搅拌,可以用于防渗墙、挡土墙、地基加固等工程。与其他深层搅拌工艺比较,CSM工法对地层的适应性更高,可以切削坚硬地层(卵砾石地层、岩层)。



双轮铣深搅设备(CSM)特点

 

施工效率高

双轮铣拥有两个大扭矩齿轮箱,铣轮上切割齿布局设计合理、切削能力强、施工效率高;


地层适应范围更广

能够在坚硬的地层进行深层搅拌施工,克服了传统的多轴搅拌系统不能在坚硬地层施工的缺点;源于双轮铣技术,该工法具有一定的入岩能力,能够截断地下水通过墙底风化岩进行渗透的途径;


墙体垂直度更好

双轮铣设备中具有高精度垂直度传感器,施工中可以通过电脑动态监测成槽的垂直度,利用双轮铣设备所配置的纠偏系统及时调整,确保墙体精度;


墙体质量更好

通过电脑控制水泥浆液注入量、水泥浆和土体混合均匀,从而墙体均匀度及质量好、材料利用率高,较其他搅拌工艺,可以节约材料;


施工过程更加环保

直接将原状地层做为建筑材料,弃土和弃浆量总量小,节能环保,符合基础施工技术发展的趋势;


施工阶段扰动低

施工阶段几乎没有震动,采用原位搅拌,对周边建筑物基础扰动小,可以贴近建筑物施工;

墙体的深度更大

导杆式双轮铣深搅设备,施工深度可达53m,

悬吊式双轮铣深搅设备,施工深度可达80m。


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导杆式 CSM工法主机

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