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[组图]岩土工程优化设计 顶 热 荐  ★★★ 【字体：小 大】
岩土工程优化设计
作者：顾国荣    文章来源：上海岩土工程勘察设计研究院    点击数：7954    更新时间：2006-2-19    

 

 

（未经同意不得转载）

1.岩土工程概念
应用地质和岩土力学的原理，结合基础工程、土方工程、地下工程，解决与岩土有关的工程问题的一门工程学。

岩土工程的内容，按建设部92年文件规定：
（1）岩土工程勘察
（2）岩土工程设计—浅基、桩基、地基处理、基坑、降水等。
（3）岩土工程施工—指与岩土密切关系的深基坑，深基础，土方工程和地基处理等的施工。
（4）岩土工程监测和监理—施工前、中、后，建筑物运行时和各种量测等。

2.岩土工程特点

岩土是自然产物，不同与钢筋砼，应采用工程地质观点对待岩土工程问题，必须掌握岩土的性状，懂得岩土性质指标的物理意义、用途和限制；能结合工程特点采用相应勘探测试技术揭示地层，以及钻探取样和原位试验试验带来土体的物理力学性质方面的变化；能充分应用类似地质条件的工程经验，判别数值计算结果的误差和幅度。

3.岩土工程优化设计目的
       充分利用我院近万份勘察、试桩、沉桩环境和基坑监测资料以及科研成果，解决工程中难题，在符合现行规范前提下，直接为客户谋取最大的投资效益。

4.岩土工程优化设计背景资料

（1）积累了丰富的资料和工程经验

近万份工程地质勘察报告

300多份建筑物完整的沉降观测资料

400多项工程打桩和压桩曲线

近万根单桩静载荷试验资料

近百项工程桩基施工和基坑开挖监测资料

（2）地质资料分布图

 

 

（3）已完成的科研成果

《上海地区密集群桩沉降计算承载力研究》

《上海地区多层住宅沉降控制研究》

《上海地区高层建筑沉降观测和规律研究》

《浦东地区桩基编图》

《上海地区地基液化判别方法及其精度研究》

《上海地区上更新统地层及其工程特性研究》

 

5. 工程设计中岩土工程
问题：
 （1） 天然地基（多层住宅）
 地基类型？
 基础形式？
承载力？
沉降？
 地基液化等级？ 
 液化处理？ 
 暗浜处理？
 …...

 

（2）桩基（高层建筑）
桩基类型？ 
持力层？
 桩型、桩长？
承载力？ 
沉降？
沉桩可能性？
 沉桩对周围环境影响？
…...

 

（3）基坑
 土层类型？ 
 设计参数？
 围护类型？ 
 降水？
 开挖方式？
 周围环境影响？
 监测与控制？
 …...

 

6.天然地基类型分区图

天然地基沉降估算值

地基类型
I区             第②－1层地基土承载力设计值为100～125kPa, 适宜建造4层或以下一般民用建筑，基础沉降量可控制在20cm以内。

 II区划      第②-1层地基土承载力设计值为125～150kPa，适宜建造7层及以下一般民用建筑，基础沉降量可控制在15～20cm，但必须考虑②－3层地基土液化问题。

 III区第②－1层地基土承载力设计值为80～100kPa, 适宜建造3层或以下一般民用建筑，基础沉降量可控制在20cm以内。

 

7.桩基分类

 

桩基类型

A区：普遍分布着厚度不同的⑥层硬土层及⑦层砂质粉土、粉细砂层，是良好的桩基持力层。其特点为桩长适中．约26～32m，随⑥、⑦层埋深而定。建筑物基础的沉降量受⑦层厚度及下部⑧层软弱下卧层的影响。
B区：主要缺失⑧层，⑦层直接与⑨层接触，桩基以⑦、⑨层为持力层，下卧层为⑦、⑨层．为最佳的桩基持力层—其特点为桩长在27～55m，桩承载力高，沉降量小，也是超高层建筑选择的桩基持力层。桩长一般不宜超过60m．主要分布在浦东地区。
C区：主要是在全新世古河道范围内，缺失⑥层，使⑤层较厚，因此桩基以⑤层中的⑤－2层或⑤－3层为持力层，下卧层则不尽相同。

 

桩基类型

D区：同时缺失⑥、⑧层，巨厚的⑤层直接下卧⑦层砂性土和⑨层中密～密实砂性土，桩基可选择⑤－2、⑦、⑨作持力层，承载力高，沉降量小。

E区：类似于C区。主要是在全新世古河道范围内，缺失⑥层及⑦层，甚至缺失⑧层，使⑤层沉积特别厚、而其组成相当复杂。形成一系列的不同地层组合，随地域的沉积条件而异，因此桩基以⑤层中的⑤－2层或⑤－3层为持力层，下卧层则不尽相同。其特点为桩长一般在28～56m，取决于建筑物荷载大小及沉降量的要求。一般均选择⑤层中的粉性土砂性土，或粘性土中夹多量砂的地层作为桩基持力层。

 

上海地区桩端持力层选择原则

上海地区的桩基一般选择压缩性较低的粘性土、粉性土、中密或密实的砂土作为持力层。不宜将桩端悬在淤泥质土层中。

常用的桩端持力层有：第②-3 、 ⑤-2层灰色粉性土、粉砂，第⑤-３层灰色粘性土和第⑥层暗绿色粘性土一般可作为构筑物或高层建筑物的桩基持力层；

第⑦层砂性土和第⑧-2层粉质粘土与粉砂互层或第⑨层砂性土一般可作为重大或对变形有特别要求的构筑物、高层或超高层建筑物的桩基持力层。

 

桩基持力层-- ②-3

浅埋粉性土层②-3 ，一般可作为多层或小高层建筑物桩基持力层；

桩长入土深度：8～16m，断面宜为250×250～350×350（砼预制桩）。

 

桩基持力层-- ⑤-1或⑤-3

灰色或褐灰色粘性土（第⑤-1层或⑤-3层），含水量接近35%,  孔隙比约为1,  重度略大于18kN/m3，Ps>=0.9MPa。

桩基持力层-- ⑤-2

灰色或褐灰色粉土（第⑤-2层），标贯击数：10~20，Ps>=2.8MPa。

 

桩基持力层--⑥

暗绿色硬土层（第⑥层）:含水量约26%,  孔隙比约0.67,  重度略大于19kN/m3，Ps>=2.2MPa ，超固结比为1.8～2.5。

 

 

桩基持力层--第⑦-1、⑦-2

第⑦-1、⑦-2层砂质粉土和粉细砂: Ps=10～20Mpa, N=20~50击。

 桩入土深度:31～40m, 进入持力层:4d～8d, 单桩极限承载力达3200～6000kN。

沉降量较小,  据工程已有经验,   20～40层建筑物的实测沉降量约3～7cm。

 

 

桩基持力层-- ⑧-2

第⑧-2层粉质粘土与粉砂互层,含水量约30%,  孔隙比约0.87,  重度略大于18.5kN/m3，Ps>=3MPa ，超固结比为1.2～1.3。

 

 

桩基持力层-- ⑨-1

第⑨-1层砂土, Ps=12～20Mpa, N=40~50击，属低等压缩性。

 

 

上海地区常用沉桩设备

 

 

沉桩动阻力曲线

 

扩底灌注桩设备

旋挖灌注桩

上海地区静载荷试桩方式

 

沉桩取土设备及设置竖向塑料排水板

 

 

 

8.基坑围护设计
 ★基坑工程特点
 ☆建筑趋向高层化，基坑向深度方向发展；
 ☆基坑面积大，给支撑系统带来较大难度；
 ☆基坑开挖产生的位移和沉降，对周围环境造成较大影响；
 ☆深基坑施工工期长、场地狭窄，降雨、重物堆放等对基坑稳定性不利；
 ☆在相邻场地中，打桩、降水、挖土等工序相互制约与影响

 

(1)围护结构类型方案的选择原则

 ★是既要保证整个围护结构的施工过程中的安全，又要控制围护结构及其周围土体的变形，以保证周围建筑物和地下管线的安全。在安全前提下设计合理、节约造价、方便施工、缩短工期。更重要的是根据具体情况，具体解决，依靠丰富的实践经验，高水平的设计能力以创新精神。

 

(2)围护结构类型按开挖深度选择：

★深度小于4m～5m的浅基坑
☆放坡加降水，周围环境简单；
☆水泥搅拌桩（自重式），或场地条件充许，也可采用土钉墙方案；周围环境较复杂。

★深度5m～7m的浅基坑
☆水泥搅拌桩（自重式），或场地条件充许，也可采用复合土钉墙方案；周围环境简单。
☆SMW法或直径为600～650灌注桩，桩后水泥搅拌桩止水，并加设一道钢支撑；周围环境较复杂。

 

 


★深度7m～11m的浅基坑
☆SMW法或直径为700～1000灌注桩，桩后水泥搅拌桩止水，并加设一～二道支撑；
☆地下连续墙结构（指深度在9～11m），墙厚600 ，加设一～二道支撑；周围环境较复杂。

★深度大于11m
☆SMW法或直径为900～1200灌注桩（一般控制在14m以内），桩后水泥搅拌桩止水，并加设多道支撑；
☆地下连续墙结构，墙厚800～1000 ，加设多道支撑；周围环境较复杂。

 

★施工中发生事故的原因：

☆施工质量问题；
☆超挖问题；
☆产生过大的位移（超过开挖深度的1%或速率保持较高水平>10mm/日）施工仍不采取措施；
☆一次开挖到底，垫层不及时施工；
☆管理问题；
……

 

★施工中应注意要点：

☆必须按照设计和规范的要求施工，保证质量；
☆挖土前两周，要进行降水（目的坑内土体压密，减少回弹，利于基坑稳定）；注意：周围环境产生附加位移；
☆遵守先撑后挖，严禁超挖以及分层开挖；
☆发现问题，要及时采取措施；
☆通过监测，信息化施工；

 

★监测报警的参考数据

☆煤气及高压水管、及结构差住宅楼：上海一般规定10mm，实际无法做到，一般实测值宜控制在30mm；

☆墙体的水平位移：控制在开挖深度的1%以内；速率为连续三天出现大于10mm/d；

 

SMW工法（即型钢水泥复合挡土墙）

 

超深基坑（地下连续墙）

 

 

钻孔灌注桩排桩

 

放坡开挖

 

土钉墙方案

 

水泥搅拌桩、灌注桩、放坡

 

 

灌注桩加角撑

土钉墙

 

土钉墙(流砂)

 

土钉墙施工

 

 

SMW加支撑

 

9.工程实例

上海河滨花园咨询设计

 

1  工程简介

“河滨花园”由三幢高层住宅楼组成，1号楼为26～27层，2号楼为27～28层，3号楼26～27层。总用地面积：17409 m2； 总建筑面积：73037 m2。

 

该工程地层条件属于上海地区的正常地层，分布有第⑥层粉质粘土、第⑦-1层砂质粉土、第⑦-2层粉砂、第⑧-1层粘土、第⑧-2层粉质粘土，由于场地临近吴淞江，浅层有②3 层砂质粉土。三幢高层建筑物原设计拟采用桩径Φ800灌注桩方案, 咨询后改成预应力混凝土管桩（PHC桩），采用PHC预应力管桩，桩径Φ600，有效桩长30～33m，进入第⑦-1层砂质粉土3～4m，为业主节省资金达700万元左右。

由于该场地的围护结构水泥土搅拌桩已先于沉桩完成，因而大方量的沉桩对围护结构有一定的破坏，所以在原基坑围护方案的基础上，并结合实际的开挖情况，对其进行了优化设计。实际的开挖情况表明，围护结构对于减小沉桩的挤土效应有相当好的效果。

 

“河滨花园”项目的圆满完成，不仅为类似工程咨询业务的开展积累了重要的经验，更重要的是对于今后岩土工程的一体化设计有很大的借签意义。

 

2.3.1 实际效果（试桩曲线）

 

2.3.2 实际效果（沉降曲线）

2.4 技术经济指标

三幢高层建筑物原采用灌注桩方案，桩径为φ800，有效桩长均为55m。1号楼和2号楼桩数合计为304根，3号楼桩数为127根。设计要求单桩竖向极限承载力标准值为6570KN，相应单桩竖向承载力设计值为4100KN。

 

咨询后，采用PHC预应力管桩(AB型)、桩径Φ600、有效桩长30~31m，1号楼桩数188根，2号楼桩数199根，3号楼桩数157根。相应单桩竖向承载力设计值为3100KN。

 

在原设计中钻孔灌注桩改成PHC桩后，桩基的成本由原来的1200万元降至500万元，节省资金达700万元左右。

 

2.5 静压桩的挤土效应

三幢高层住宅楼采用了Φ600、壁厚110mm、桩长30m的PHC预应力管桩(AB型) 共534根，总挤土量为4529m3；如考虑管桩的闭塞效应(浅层有②3 层粘质粉土, Ps平均值为1.29Kpa，根据已有经验认为入土10m左右就实现完全闭塞效应)，总挤土量为3924 m3。

 

在上海地区软土地基中压入沉桩，如果数量大、群桩密集，引起很高的超孔隙水压力，导致土体隆起和土体水平位移，并且波及到相当大的范围。特别是第③层淤泥质粉质粘土、第④层淤泥质粘土，密集沉桩引起的超静孔隙水压力很难消散，因而造成很大的挤土影响，引起大范围的土体的水平位移和地面隆起。

 

所以本工程解决挤土效应的关键仍主要是如何加快超静孔隙水压力的消散。

 

除了合理安排压桩流程及控制沉桩速率、设置砂井和抽水井等措施。本工程结合围护结构的设计设置挡土、挡水墙。利用封闭的双排水泥土搅拌桩作为挡土墙，有效地隔断超孔隙水压力，对挤土效应将有极大的削弱。

 

2.5.1  孔压变化曲线

 

2.5.3  1-5点及3-2点沉降曲线

 

2.5.4 监测数据的分析

由于②3 层粘质粉土的渗透性有利于超静孔隙水压力的消散，因而超静孔隙水压力的变化范围很小，基本看不出孔压明显的增长与消散；第④层、第⑤层粘性土相对而言消散就比较缓慢，由于K1号孔离一号楼压桩区域更近，所以较之K3（近光复路）孔更能体现出孔压的增长与消散。

 

也正是②3 层粘质粉土中超静孔隙水压力引起土层液化的缘故，压桩期间制桩场地部分区域并不是想象中的压桩挤土隆起，而相反的是有一定的沉降。

 

通过合理安排压桩流程及控制沉桩速率等措施，制桩场地的沉降基本控制在±10mm之内，只有几个别点超过10mm，最大的隆起13.3mm、沉降7.0mm。

 

建筑物的沉降监测表明, 双排水泥土搅拌的确可以极大的削弱桩的挤土效应。实践证明：本工程采用了“逆作”（先作围护结构，再进行压桩工程）的方法来根本地解决挤土位移对环境的影响，是本工程压桩防治的关键所在。通过沉桩监测系统的信息化指导，更有利于对压桩挤土影响的控制。

 

3 基坑围护平面图

3.1 基坑咨询设计

基坑占地面积约17000m2。地下车库5200m2，三栋主楼地下室约3200m2。

 

由于该场地的围护结构水泥土搅拌桩已先于沉桩完成，因而大方量的沉桩对围护结构有一定的破坏，所以在原基坑围护方案的基础上，并结合实际的开挖情况，对其进行了优化设计。

 

局部取消土钉，采用放坡；局部由5排减为2排土钉（详见右图）。

3.2 基坑监测成果

 

 

4  结 语

“河滨花园” 咨询设计项目，针对岩土工程的多个专业方向，进行了桩基咨询设计和基坑围护咨询设计，并提出了相关施工措施的建议。

不仅体现了技术的先进性，而且为业主取得了很大的经济效益。

为类似工程咨询业务的开展积累了重要的经验，更重要的是对于今后岩土工程的一体化设计有很大的借签意义。

 
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