桩基与基坑支护结构选型初判

桩基与基坑支护结构选型初判本文对桩基的类型及基坑支护结构方案选择时需要考虑的因素进行大致的归纳总结，以方便在项目拓展阶段对桩基与基坑支护结构选型进行初判，并能对成本和工期的预控提供初步依据。一、桩基选型桩基选型包括施工工艺的选择和桩径桩长的确定。目前在桩基础设计中还不时存在盲目以某一方面因素决定桩型和施工方法的现象，其结果常常带来不应有的损失和施工难度。1、认真分析地质条件，根据土层分布特征选用适宜的施工工艺砂层和硬土层离地表浅，在施工工艺上优先考虑夯扩桩或是振动灌注桩。有些工程场区淤泥质土厚度较大，选择施工工艺则要避免易造成缩颈、夹泥的灌注桩，而采用保证桩身质量和成形的预制桩。有些地基土，强度高的硬黏性土或砂层埋深不大，且地下水位较低则可考虑采用人工控孔桩。在桩基设计中地基土岩性是决定采用何种施工方法的重要因素。2、根据上部结构荷载选择桩基形式设计人员应根据建筑物荷载的不同定出适度的单桩承载力，此值过高，会加大桩长、桩径，给施工造成困难，增大投资；过小义会增加桩数且往往不能充分发挥地基土潜力。不同层数建筑物(主要指民用建筑).其单桩承载力宜定在以下范围。2.17～10层的住宅及综合楼，设计单桩承载力宜在80OKN以下.适宜于这类建筑物的桩基形式有夯扩桩、振动灌注桩、静压预制桩。多层建筑物应尽量不采用钻孔灌注桩.因其大桩径(一般f~600)，又属排土桩，摩阻力相对降低。2.211～2O层建筑物，其单桩承载力设计值宜为9OO～1600KN。对于良好持力层不深，上部无较厚的软弱土层时，可采用振动沉管灌注桩(由4o0管以上)。静压预制桩；当持力层埋深较大时(超过30m).可选择锤击预制桩.或大吨位静压预制桩(300t以上桩机)。2.320层以上建筑物.因上部水平及竖向荷载都很大，桩长一般均超过30m.故大多采用钻孔灌注桩及锤击预制桩(桩段一般为钢管桩或钢管砼桩)。这些桩型的单桩承载力宜定为2O00KN以上。3、选择桩基形式应考虑不同施工工艺及各自特点3.1静压预制桩：桩身质量有保障.施工速度快、无噪音.适合城区施工。但对于粉砂层埋深较大或有较厚的夹层时.其桩端不易达到理想的持力层。3.2打入式预制桩：该桩型桩身质量易控制.施工速度快，承载力高，但施工振动大，不适于城区作业，且冲击力大，对顾制桩本身强度要求高，其成本也高。3.3振动沉管灌注桩：桩身成形质量较好，它是沉管灌注桩中桩身完整性最好的一种施工工艺，其单桩承载力可达1200KN，此桩型在12层以上建筑中是理想的桩基形式。但噪音大，施工时对邻近建筑物有影响，当桩长20m后，容易出现桩砼成型不良或拔管困难。3.4夯扩桩：其特点是桩身成型较好，能充分发挥硬土层的承载潜力，施工设备简单，施工速度快。其桩长一般不宜超过17m，单桩承载力最大可取700KN，适合于多层住宅的基础。3.5钻孔灌注桩：这种桩施工方法复杂，因属水下灌注砼，故对成孔、清孔、灌浆等工序技术要求高。这种桩型承载力高，施工时无噪音、无振动，适宜在闹市区及居民稠密区采用。但施工现场存在泥浆污染现象.成孔过程中容易产生夹泥、断桩等质量问题，另外孔底沉渣厚度不易控制，这对桩端承载力影响较大。3.6人工挖孔桩：适合地下水位较低或地下水含量不大、埋深较浅的硬黏性土层、中粗砂层、砾砂层等。其特点是桩径大、承载力高、采用设备简单、能同步作业、施工速度快。但需要人工护壁和土方外运，人工劳动强度大，易出事故。4、桩径、桩长应由静载试验确定桩基设计中，在施工工艺确定后，剩下的问题是如何选定合适的桩径、桩长。目前设计人员一般都是按地质报告提出的土层分布厚度、桩侧土的极限侧阻力标准值，极限端阻力标准值，根据单桩承载力标准值Q得出满足设计要求的桩长、桩径。大量的桩检测表明按公式计算确定桩长、桩径的桩，实际承载力大于其计算值的幅度较高。当试桩垂直静载试验结果大于设计承载力时，应以试验数据为主指导桩基设计或是对桩基设计方案作相应修改。５、环境因素对桩基选型的影响5.1噪声对桩基选型的影响对于打入式钢筋混凝土桩、预应力管桩、沉管灌注桩这类桩型在城市当中运用时，噪声成为制约其应用的因素之一。在上述处理措施中，音源控制防护是最有效，也是唯一能兼顾现场施工人员和周围环境的措施，但限于施工条件、成本费用、工期等因素的影响，往往难以实施。在此情况下，静压沉桩法成为另外一种选择。实践证明，打桩的噪声控制措施从技术、成本比较来看，往往不如更改桩型效果好。因此，桩基选型时必须要考虑到噪声问题，城市市区选用打入式预制钢筋混凝土桩、预应力管桩、沉管灌注桩时应慎重考虑。5.2振动对桩基选型的影响就桩基选型而言，打入式桩的振动影响要大于静压沉桩，挤土桩的影响要大于部分挤土桩和不挤土桩。打入式预制钢筋混凝土桩的振动影响最大，预应力混凝土空心管桩次之，钢管桩最小，如采用静力压桩工艺，振动影响就更小。就灌注桩而言，打入式沉管灌注桩最大，钻孔桩次之。因此，从振动角度看，静压沉桩、钻孔灌注桩效果最好。5.3挤土对桩基选型的影响从桩基选型上来减少乃至消除挤土的影响，是极为有效、经济的方法。如果采用钻孔灌注桩等非挤土桩桩型，则不必考虑挤土的影响。如果周围环境有严格要求，采用非挤土桩可能是唯一的选择。5.4桩基施工对环境造成的不利影响是多方面的，除以上三种外，尚有空气污染、建筑垃圾、地表塌陷、泥浆排放等问题，以上仅从噪声、振动、挤土三方面的影响对桩型做一比较。5.4.1预制钢筋混凝土桩及预应力管桩如采用打入式沉桩，该桩型噪音大、振动大、挤土大，这些大大限制了打入式桩在城市市区应用的可能性。在可能采用静压静压沉桩的地区，需考虑挤土的影响。5.4.2钻孔灌注桩该桩型的应用己很普遍，该桩型具有噪声小、振动极小、无挤土的优点，因此尽管该桩型存在桩底虚土影响承载力的不利因素，但可以通过桩底压浆技术来弥补，因为该桩型的优点非常明显。6、结论桩基方案选择应结合桩静载试验数据、地质条件、上部结构特征、场区周围环境、工期要求、经济等因素综合分析确定。选择较适宜的桩型及施工工艺，保证工程质量，节约投资。二、基坑支护结构选型无论是高层建筑还是地铁的深基坑工程，由于都是在城市中进行开挖，基坑周围通常存在交通要道、已建建筑或管线等各种构筑物，这就涉及到基坑开挖的一个很重要内容，要保护其周边构筑物的安全使用。而一般的基坑支护大多又是临时结构、投资太大也易造成浪费，但支护结构不安全又势必会造成工程事故。因此，如何安全、合理地选择合适的支护结构并根据基坑工程的特点进行科学的设计是基坑工程要解决的主要内容。以下简单介绍当前基坑工程中常见的支护结构类型及不同地基土条件下的基坑工程支护结构选型原则。1.基坑支护的类型和适用范围1.1放坡开挖适用于周围场地开阔，周围无重要建筑物，只要求稳定，位移控制无严格要求，价钱最便宜，回填土方较大。1.2深层搅拌水泥土围护墙深层搅拌水泥土围护墙是采用深层搅拌机就地将土和输入的水泥浆强行搅拌，形成连续搭接的水泥土柱状加固体挡墙。水泥土围护墙优点：由于一般坑内无支撑，便于机械化快速挖土；具有挡土、止水的双重功能；一般情况下较经济；施工中无振动、无噪音、污染少、挤土轻微，因此在闹市区内施工更显出优越性。水泥土围护墙的缺点：首先是位移相对较大，尤其在基坑长度大时，为此可采取中间加墩、起拱等措施以限制过大的位移；其次是厚度较大，只有在红线位置和周围环境允许时才能采用，而且在水泥土搅拌桩施工时要注意防止影响周围环境。在软粘土地基中开挖深度为5～7米左右的基坑，应用深层搅拌法形成的水泥土桩挡墙，可以较充分利用水泥土的强度，并可利用水泥土防渗性能，同时作为防渗帷幕。因此，具有较好的经济效益和社会效益。水泥土重力式挡墙一般做成格栅形式，按重力式挡墙计算。广泛用于开挖深度7米以内的深基坑围护结构、管道沟支护结构、河道支护结构、地下人行道等。1.3槽钢钢板桩这是一种简易的钢板桩围护墙，由槽钢正反扣搭接或并排组成。槽钢长6～8m，型号由计算确定。其特点为：槽钢具有良好的耐久性，基坑施工完毕回填土后可将槽钢拔出回收再次使用；施工方便，工期短；不能挡水和土中的细小颗粒，在地下水位高的地区需采取隔水或降水措施；抗弯能力较弱，多用于深度小于等于4m的较浅基坑或沟槽，顶部宜设置一道支撑或拉锚；支护刚度小，开挖后变形较大。1.4钻孔灌注桩钻孔灌注桩围护墙是排桩式中应用最多的一种，在我国得到广泛的应用。其多用于坑深7～15m的基坑工程，在我国北方土质较好地区已有8～9m的臂桩围护墙。钻孔灌注桩支护墙体的特点有：施工时无振动、无噪音等环境公害，无挤土现象，对周围环境影响小；墙身强度高，刚度大，支护稳定性好，变形小；当工程桩也为灌注桩时，可以同步施工，从而施工有利于组织、方便、工期短；桩间缝隙易造成水土流失，特别时在高水位软粘土质地区，需根据工程条件采取注浆、水泥搅拌桩、旋喷桩等施工措施以解决挡水问题；适用于软粘土质和砂土地区，但是在砂砾层和卵石中施工困难应该慎用；桩与桩之间主要通过桩顶冠梁和围檩连成整体，因而相对整体性较差，当在重要地区，特殊工程及开挖深度很大的基坑中应用时需要特别慎重。钻孔灌注桩作为围护结构承受水土压力，是深基坑开挖常用的一种围护形式，根据不同的地质条件和开挖深度可做成悬臂式挡墙、单撑式挡墙、多层支撑式挡墙等。它的排列形式有一字形相接排列、间隔排列、交错相接排列、搭接排列、或是混合排列，常见的排列方式是一字板间隔排列，并在桩后采用水泥土搅拌桩、旋喷桩、树根桩等阻水。这样的结构形式较为经济，阻水效果较好。上海地区大部分开挖深度在7～12米左右的深基坑，采用钻孔灌注桩挡土，水泥土搅拌桩阻水，普遍获得成功。1.5地下连续墙通常连续墙的厚度为600mm、800mm、1000mm，也有厚达1200mm的，但较少使用。地下连续墙刚度大，止水效果好，是支护结构中最强的支护型式，适用于地质条件差和复杂，基坑深度大，周边环境要求较高的基坑，但是造价较高，施工要求专用设备。上海地下连续墙支护技术，已广泛应用于民用建筑、工业厂房和市政工程，包括建筑物的地下室、地下变电站、地下铁道车站、盾构工作井、顶管工作井、引水或排水隧道防渗墙、地下停车场、地下商场、地下水库、大型污水泵站等。地下连续墙的优点是对邻近建筑物和地下管线的影响较小，施工时无噪音、无振动，属低公害的施工方法。1.6土钉墙土钉墙是一种边坡稳定式的支护，其作用与被动的具备挡土作用的上述围护墙不同，它是起主动嵌固作用，增加边坡的稳定性，使基坑开挖后坡面保持稳定。土钉墙主要用于土质较好地区，我国华北和华东北部一带应用较多，目前我国南方地区亦有应用，有的已用于坑深10m以上的基坑，稳定可靠、施工简便且工期短、效果较好、经济性好、在土质较好地区应积极推广。1.7SMW工法SMW工法亦称劲性水泥土搅拌桩法，即在水泥土桩内插入H型钢等（多数为H型钢，亦有插入拉森式钢板桩、钢管等），将承受荷载与防渗挡水结合起来，使之成为同时具有受力与抗渗两种功能的支护结构的围护墙。SMW支护结构的支护特点主要为：施工时基本无噪音，对周围环境影响小；结构强度可靠，凡是适合应用水泥土搅拌桩的场合都可使用，特别适合于以粘土和粉细砂为主的松软地层；挡水防渗性能好，不必另设挡水帷幕；可以配合多道支撑应用于较深的基坑；此工法在一定条件下可代替作为地下围护的地下连续墙，在费用上如果能够采取一定施工措施成功回收H型钢等受拉材料；则大大低于地下连续墙，因而具有较大发展前景。开挖深度10米以内的基坑，使用十分普遍。1.8深层搅拌水泥土围护墙加土钉墙支护结构：深层搅拌水泥土围护墙加土钉墙支护结构的使用条件是：①基坑周围地面施工场地较小；②土质较好；③基坑开挖深度一般不超过7m；④对基坑土体的水平位移控制要求不甚严格，或临近基坑边无重要建（构）筑物、建筑深基础或地下管线时可采用土钉墙支护结构。采用搅拌桩止水幕墙加土钉墙支护结构时应根据场地条件和周边环境，首先设置止水防砂的搅拌桩幕墙，可在公路两侧采用双排搅拌桩幕墙，而其余三侧采用周边卸土的办法减荷，可在6~7m宽度范围内，用放坡的办法卸土3m深，并修筑2m宽的工作