深层搅拌桩挡墙设计探讨：关键要素与优化思路全解析
《深层搅拌桩挡墙的设计探讨》
深层搅拌桩挡墙在工程建设中具有重要意义。在设计时，首先要考虑工程地质条件，不同的土质对搅拌桩的成桩效果和挡墙稳定性影响巨大。桩径和桩间距的确定需兼顾挡墙的强度与经济性，合理的数值能确保挡墙有效抵抗侧向土压力。水泥掺入比也是关键因素，它直接关系到搅拌桩的强度发展。再者，挡墙的深度设计要根据基坑开挖深度、地下水位等确定，以防止坑底隆起、边坡失稳等问题。同时，还要考虑挡墙的顶部处理和与周边结构的连接方式，保证整体结构的协同工作，从而实现深层搅拌桩挡墙在工程中的有效应用。
作者：朱家诚 黄有桂 韦锦韬
摘 要:支护结构类型繁多,各具特色,必须熟悉各类支护结构(尤其是新的支护体系)的适用性和局限性,以便在设计时先做好方案比较,使设计取得最佳的技术效果｡为了不断提高认识和设计水平,必须运用现代分析方法和测试手段,对所设计结构物进行性状预测和施工监测｡因此深层搅拌桩挡墙设计应包括:方案比较､结构设计与计算､性状预测与监测｡
关键词:岩土工程;搅拌桩档墙;设计;探讨
1 深层搅拌桩挡墙在实际工程应用中的优缺点
1.1 深层搅拌桩挡土结构与其他支护体系相比所具有如下优点｡
(1)施工时无振动､无噪音､无泥浆废水污染｡
(2)施工操作简便､成桩工期较短､造价较低｡
(3)基坑开挖时一般不需要支撑拉锚,坑外不需要井点降水｡
(4)隔水防渗性能好,基坑内外可以有水位差｡
(5)基坑内干燥整洁,空间宽敞,有利于文明施工和安全生产,方便后期结构施工｡
(6)基坑周围地基变形小,对邻近建筑物或地下设施影响小｡
(7)挡墙顶面在可设置路面行驶施工车辆,而路面结构又可增加挡墙刚度｡
(8)同一墙体设计成变截面､变深度､变强度｡
(9)有利于缩短综合工期｡
(10)可就近利用一部分粉煤灰等工业废料作为固化剂的外掺剂｡
1.2 深层搅拌桩挡墙在应用上存在下列制约
(1)对有机质含量高､pH值低､初始抗剪强度甚低(<2~3KPa)的土,或土中含伊里石､氯化物､水铝石英等矿物及地下水具有侵蚀性时,加固效果差｡
(2)贯穿地面或地下硬土或障碍物有困难,有时可用冲水或注水下沉解决,有时难以解决需进行地下清除障碍物｡
(3)根据国内现有设备,目前最大支档高度约为9m,个别工程达14m,而常用的支档高度为4~7m;一般情况下,当采用湿法施工时,开挖深度不超过7m;当采用干法施工时,开挖深度不超过5m,当支档高度较小或工程量较小时,可能不经济｡
(4)墙体占地面积大,根据广州地区经验,水泥搅拌桩按格栅形布置,墙宽约为0.6~0.8倍开挖深度,桩插入基坑底深度约0.8~1.2倍开挖深度｡
(5)水泥或石灰用量较大,以一般软土中10m深的墙体(包括插入坑底深度)为例,每100延米,墙体约需水泥或石灰500~600t｡
(6)成桩后需要7~10天以上的保养期,一般不能立即开挖土方｡
2 深层搅拌桩挡墙设计的计算内容
2.1 概述
我国《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)规定,搅拌桩采用壁状加固用于地下临时挡土结构时可按重力式挡土墙设计｡搅拌桩挡墙的平面形状除了简单的连续壁状或肋状外,从安全和经济角度考虑,目前较多采用空腹封闭式格栅状布置｡为了加强挡墙的整体性,相邻搅拌桩的搭接宜大于100mm,常规设计中搭接150~200mm｡搅拌桩挡墙的宽度选择,一般可按开挖深度的0.6~0.8进行试算｡鉴于加固土地的重度与天然土的重度相近似,当采用格栅状布置时,按桩体与它所包围的土体共同作用考虑,通常取格栅状外包线宽度作为挡墙宽度｡
搅拌桩的加固深度,亦即桩的长度,与开挖深度及土层分布等因素有关｡搅拌桩挡墙强度的选取与施工质量密切相关｡由于基坑开挖使墙体要承受剪切力和弯矩,墙体的质量显得特别重要｡国内外均报道,搅拌桩强度的离散性很大,标准差可达30%~70%｡目前设计中一般要求搅拌桩的无侧限抗压强度不低于0.8MPa,以留有充裕的安全储备,使墙体强度不成为设计的控制条件,而以结构和边坡的整体稳定控制设计｡
搅拌桩挡墙的土压力可按朗金理论计算｡然后对挡墙进行抗倾覆验算､抗滑动验算和墙身强度验算,并按圆弧滑动法进行边坡整体稳定验算｡当基坑底涉及流沙或管涌问题时,尚需进行抗渗流验算｡在验算中,应作调整后再进行验算,以满足一定的安全系数为原则｡
搅拌桩挡墙的各项安全系数的选用,与地基土强度指标的试验方法､桩的施工质量､基桩开挖暴露期的长短､设计阶段是否已作了有限元分析或离心模拟试验,以及开挖过程是否实施现场监测等条件有关｡应从各方面综合创造条件,避免采用过高的安全系数,以求经济合理｡宜参照柔性挡墙的计算方法验算基坑开挖过程地基和挡墙的变形｡应当理解,由于对土方开挖步骤､坑内外降水等因素都作了一定的假设,且土工参数取值可能偏高或偏低,计算与施工之间的误差总是会存在的｡因此对开挖过程实施监测具有重要意义｡
(1)抗倾覆验算｡
抗倾覆验算常以绕墙趾点的转动来分析,其计算公式为:
式中:KQ为抗倾覆安全系数,应不小于1.2;
D､B为支护墙的插入深度､宽度;
W为支护墙的自重(W=γoBH);γo为墙体平均容重,一般为18-19kN/m3,坑底以下取浮重度;
H为桩的长度;
Ea为主动土压力的合力;
Ep1､Ep2为被动区土压力中矩形､三角形部分的合力;
ha为主动土压力合力作用线距离墙底的距离｡
(2)抗滑移验算｡
抗滑移验算是指支护墙体地面的抗滑动验算,其计算公式为;
式中:KH为墙底抗滑安全系数,应不小于1.2;
C0､ф0为墙底土层的粘聚力､内摩擦角;
Ep为被动土压力的合力;
其它符号含义如前述｡
但需要注意,在进行基坑支护墙体抗滑移验算时,不宜采用以下公式计算抗滑移安全系数;
这是因为挡墙搅拌桩插入深度较大时,被动区土压力的合力Ep常接近于主动去压力的合力Ea,如此造成计算得到的安全系数偏大,不安全｡
(3)墙体结构强度验算｡
式中:σ1为坑底位置处支护墙断面最外侧的正应力;
σ2为坑底位置处支护墙断面最内侧的压应力;
M为坑底以上墙被主动土压力在坑底位置支护桩断面引起的弯矩;
η为墙体截面水泥土置换率,为水泥土加固面积和墙体截面积之比;
Kj为安全系数,考虑水泥土加固体墙度的不均匀性,通常取2.0;
qu为搅拌桩体的无侧限抗压强度;
其他符号含义如前所述｡
由于按上面公式(5)计算的结果过于保守,所以在设计时建议公式(5)采用下面的公式进行验算:
随着深层搅拌桩挡墙应用的越来越普及,对其实用设计的探讨将非常必要｡目前来看,从工程实践的角度出发,同时结合理论创新,是深层搅拌桩挡墙的发展方向｡
参考文献
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[4]俞跃平.深层搅拌桩法在深基坑围护中的应用[J].基坑与边坡工程,2000.
来源: 《建筑中文网》.
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200907/13984.htm