第 24 卷增 2 岩石力学与工程学报 Vol.24 Supp.2 2005 年 11 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Nov.,2005 微型钢管群桩在基坑工程事故处理中的应用 唐传政, 舒武堂 ( 武汉市建设工程设计审查办公室, 湖北武汉 430015) 摘要 : 近几年来, 随着城市建设的发展, 地下建筑工程数量和规模迅速增加, 深基坑开挖与支护技术也得到了发展 由于基坑工程技术是一个综合性的岩土工程难题, 受诸多因素的影响, 基坑工程事故时有发生 因此, 如何对已发生基坑边坡失稳 垮塌 滑动破坏等事故的加固处理是每个从事基坑工程设计 施工 监理以及管理人员面临解决的主要问题 实践证明, 微型钢管群桩对基坑工程事故的加固处理是一种有效的方法, 其具有适应性强 见效快 安全度高 节约材料 施工方便 施工时间短以及桩顶位移小等特点 通过分析微型钢管群桩的特点, 结合应用微型钢管群桩成功处理基坑工程事故的实例, 总结出在加固处理设计与施工中的主要问题, 提出类似基坑工程事故处理对策, 对于类似基坑工程事故的处理具有一定的指导和帮助作用 关键词 : 岩土工程 ; 基坑工程事故 ; 处理加固 ; 微型钢管群桩中图分类号 :TU 43 文献标识码 :A 文章编号 :1000 6915(2005) 增 2 5459 05 APPLICATION OF MICRO STEEL PIPE PILES TO DEAL WITH PIT DESTRUCTION TANG Chuan-zheng,SHU Wu-tang (Wuhan Bureau of Civil Engineering Design Examination,Wuhan 430015,China) Abstract:Recently,the quantity and scale of underground building increase rapidly with the development of city construction,which triggers the development of technique of deep excavation and support. Because pit engineering is a complex geotechnical engineering and affected by many factors,support failure often occurs. Therefore,how to reinforce pit slope after its loss of stability,collapse and slide is a key problem which designer,builder, supervisor and manager who are engaged in pit engineering have to face. It is proved by practice that micro steel pipe piles used to reinforce failure slope is effective. This method is adaptable,safe and convenient with immediate effect and small displacement on top of piles. The principal problems of designing and making of micro steel pipe piles and the measures to solve them are put forward by analyzing the attribute of this method through a case,in which micro steel pipe piles are used to reinforce failed slope. The technique will be helpful for similar engineering. Key words:geotechnical engineering;pit failure;reinforce;micro steel pipe piles 1 引言 近几年来, 随着国民经济的增长 城市建设的 发展, 建筑工程数量和规模日益增加 为了节约用地, 充分利用空间, 高层建筑和地下建筑日新月异 因此, 深基坑开挖与支护技术得到了前所未有的发展, 基坑支护工程技术得到了充分重视 基坑工程 收稿日期 :2005 06 26; 修回日期 :2005 07 08 作者简介 : 唐传政 (1966 ), 男, 硕士,1988 年毕业于重庆大学, 现任教授级高级工程师, 主要从事基坑工程设计 施工和管理方面的研究工作 E-mail: tangchuanz@sohu.com
5460 岩石力学与工程学报 2005 年 问题已成为我国建筑工程界的热点问题之一 基坑工程技术是一个综合性的岩土工程难题, 受诸多因素的影响, 涉及结构工程 岩土工程 环境工程等方面理论知识和挡土 支护 防水 降水 挖土等许多紧密环节经验的限制, 邻近周边建筑和地下设施对基坑工程和变形要求十分严格, 其施工周期内经常遇到多次降雨 周边堆载 振动 施工失当等诸多不利条件的影响 深基坑工程的复杂性和随机性, 多种因素的不确定性和干扰性, 再加上基坑施工管理不够规范, 因此基坑工程事故时有发生, 造成经济损失, 影响四邻安全 武汉地区地层条件复杂, 如超深厚的淤泥 二层结构土层中的承压水 过渡层中粉土及夹花层 老粘性土遇水软化性等都对基坑造成危害 复杂的环境条件, 如武汉地区老城区密集的建筑物和地下管线 长江 汉水襟带三镇等也给基坑工程带来困难, 甚至还导致工程事故的发生 因此, 如何对发生基坑工程事故后的加固处理是作为每个从事基坑工程设计 施工 监理以及管理人员面临和需要解决的关键问题 本文通过分析微型钢管群桩的特点, 结合武汉地区基坑工程事故处理中的微型钢管群桩应用的实例, 总结出设计与施工应注意的主要问题, 提出类似基坑工程事故处理对策, 对于类似基坑工程事故的处理具有一定的指导和帮助作用 [1~5] 2 微型钢管群桩特点 采用微型钢管群桩既可以提供对周边的建筑物基础外缘的侧向保护, 满足基坑支护工程的继续进行, 同时又可以节约事故处理加固的时间, 为下一步工作提供方便 微型钢管群桩有以下特点 : (1) 适应性强在发生滑坡的现场一般场地施工条件较差, 难以进入大型施工机械, 不可能采用大截面的支护桩, 而微型钢管桩的施工设备较小, 机动灵活, 能适应事故现场的施工条件 (2) 见效快微型钢管桩设置后, 即可发挥作用, 不需要养护龄期, 见效快, 可以充分发挥利用钢管的刚度, 尽快起到加固的作用, 阻止边坡进一步破坏, 防止事故进一步扩大, 为下一步事故的处理以及基坑施工争取了时间 (3) 增强抗倾覆能力使用钢管群桩可以增强抗倾覆能力, 它靠基坑 以下的桩前土 ( 稳定土体 ) 的被动土压力和钢管群桩插入基坑部分的前桩抗压 后桩抗拔所形成的力偶来抵抗倾覆力矩, 同时钢筋混凝土冠梁板连结也增加了钢管群桩的抗倾覆能力 (4) 施工费用较低在一定范围内代替悬臂式单桩, 可降低材料用量 30% 以上 ; 代替锚拉桩则可克服其不足, 并节约造价 5% 以上, 达到一定的节约目的 在不能继续采用锚杆的工程场地和地质条件下更显示出其独特的优越性 实践证明, 微型钢管群桩对处理基坑工程事故具有适应性强 见效快 安全度高 节约材料 施工方便 施工时间短 ( 几个钢管桩可同时施工 ) 以及桩顶位移小等多种优点 3 工程实例 3.1 某厂综合办公楼基坑工程本文所研究的某厂综合办公楼工程场地位于三级阶地, 除表层人工填土外, 主要土层是老粘性土, 但老粘性土厚度不大, 其下为泥质灰岩 基坑开挖形成的边坡主要由填土和老粘性土构成, 坡脚及坑底已揭露残积土 基坑东 北 西三边发生了局部破坏, 特别是西边已产生了滑坡, 滑坡后缘已靠近相邻建筑物边缘, 严重影响住户的安全 经过多次研究, 最后决定在西边 6 层楼段后采用 3 排微型钢管桩加钢筋混凝土板连结的组合抗滑结构加固 每一束钢管桩设 9 根 φ 100 mm 的钢管桩, 由钻机成孔后置入钢管并灌水泥浆, 桩端焊成圆锥形, 钢管上开有溢浆孔 桩长 7~9 m, 钢管桩桩顶标高为坡顶以下 1.5 m, 间距 500 mm, 设置 3 排, 顶端用厚度 250 mm 钢筋混凝土板妥善连结 采用上述处理方案后基坑变形稳定, 加固后, 沉降和位移逐渐稳定 基坑开挖至出现险情, 险情加固以后的基坑沉降变形情况见图 1, 由图 1 可知, 微型钢管桩处理基坑滑移事故是行之有效的 3.2 某公寓基坑工程边坡由填土和一般粘性土构成, 坑底以下有一层软土 支护设计为复合喷锚支护 结果东南边有约 30 m 一段边坡破坏, 围墙和一根电线杆垮塌, 水管断裂, 引起临近的多层住宅楼中的住户恐慌 事后决定对东南边边坡破坏段采用四排微型钢管桩加固, 取得了成功 3.3 某科技大厦地下车库基坑工程
第 24 卷增 2 唐传政等. 微型钢管群桩在基坑工程事故处理中的应用 5461 沉降量 /mm 日期 / 月 日图 1 沉降变形曲线 Fig.1 Settlement curves 边坡由填土和一般粘性土构成, 坡脚土呈软塑状态, 坑底为可塑粘性土 基坑南侧距离 7 层建筑物 ( 粉喷桩基础 ) 最近处为 5.2 m 开挖后, 该侧有一段长 10 余米产生严重变形, 坡顶下沉达 40 cm, 引起临近的 7 层楼住户恐慌 投诉 发生此事故的原因是局部坡脚土很软, 引起边坡变形量加大 采用 3 排微型钢管桩加钢筋混凝土板连结的组合抗滑结构加固后, 变形得以控制 3.4 汉口某基坑工程基坑地质条件的特点是坑底有厚度较大的软弱土层 ( 坑底以下为软塑粘土和淤泥质粉质粘土 ), 对边坡稳定和位移控制不利 工程的环境条件也比较严峻 当开挖最下一层土方约 1.6 m, 并出现了一定的超挖 因临近高考, 夜晚不能施工, 以致工序脱节, 次日又发生强降雨, 使南边东段长 20 余米边坡 滑动破坏, 一层厂房部分垮塌, 同时北边也有一段边坡破坏 南边破坏段距离一栋 3 层住宅楼比较近, 使住户安全受到威胁 微型钢管桩采用加固处理结构后, 保证了基坑安全 上述工程实例证明, 微型钢管桩具有施工设备简便, 施工场地要求不高, 支护占用空间小等特点, 适于在狭窄场地条件下使用, 对基坑工程事故的加固处理是很有效的 对于微型钢管桩群关键是必须设置有足够刚度的冠梁, 以保证桩群的整体作用 图 2 所示为某基坑工程事故采用微型钢管群桩设计加固处理示意图 4 设计与施工应注意的主要问题 4.1 微型钢管桩截面直径微型钢管桩截面直径可采用 φ 100~300 mm 实践证明, 截面愈大愈有利, 但截面愈大, 代价愈高 应根据工程的具体要求 施工条件 是否加锚杆等因素经技术经济比较选用微型钢管桩截面 4.2 微型钢管桩排数微型钢管桩排数一般设置 3~4 排 排距以不小于 1.0 m 为宜 排距过大可能超过场地条件的允许, 且冠梁的混凝土方量也随之加大 4.3 微型钢管桩纵向间距一般地, 土质愈软弱, 桩的间距应愈小, 反之可适当加大 对于软弱土, 桩的中心距不大于 3.5d; 对于可塑以上的土, 桩的中心距可取 3.5~5.0d(d 为桩的直径 ) 另外, 纵向间距愈大, 单桩承受的荷载愈大, 内力也愈大, 所以纵向间距还应受到材料允许承载力的限制 4 图 2 某基坑工程事故采用微型钢管群桩设计加固处理示意图 Fig.2 Schematic diagram of certain pit reinforcement in which cluster piles made of micro steel pipes are applied
5462 岩石力学与工程学报 2005 年 4.4 微型钢管桩长度微型钢管桩应穿过滑动面达到稳定土层中一定深度, 宜深于最危险滑弧不少于 2 m; 桩端宜进入较好土层, 满足抗隆起要求 ; 钢管桩设置长度应该满足临坑桩抗压和后排桩抗拔承载力的要求 ; 后排桩长可超过前排桩长, 以满足后排桩抗拔承载力的要求 4.5 微型钢管桩板式冠梁厚度和宽度板式冠梁在多排微型钢管桩中起到重要作用, 使桩的变形特征由纯弯型变为剪弯型 故对冠梁应有相应的构造要求 : 冠梁厚度不宜小于 200 mm, 且不小于 1.5 倍桩管直径 ; 宽度宜超过外排桩边不少于 200 mm 4.6 板式冠梁的构造要求冠梁的配筋主要考虑横向竖直剖面的弯矩 受力钢筋应横向布置于梁的上下边, 加箍筋形成暗梁, 如图 3 所示 纵向设置分布筋 冠梁与桩的连接, 因桩径小, 故桩顶应贯穿冠梁, 并上露不小于 50 mm 图 3 所示为冠梁与桩的连结 4.7 微型钢管桩注浆要求钢管底部 3~5 m 左右钻若干花眼, 由钻机成孔后置入钢管 ; 钢管内灌注水泥浆, 水泥浆的水灰比为 0.45, 压力控制在 2~3 MPa 左右, 水泥采用 32.5R 普通硅酸盐水泥, 水泥浆中加入水泥重量 0.1% 的三乙醇胺及 0.2% 的食盐, 以改善可注性和增加结石体早期强度 4.8 冠梁的形状冠梁的形状可以纵向为折线形状, 横向应保持水平 当纵向为折线形状时, 按照水平折梁要求设计配筋 钢管桩顶宜伸出冠梁板, 使钢管桩与冠梁形成一个整体 4.9 基坑监测工作在加固处理期间, 应加强基坑监测, 并注意防止雨水的准备工作, 以保证在加固处理期间不发生其他险情或事故 5 微型钢管群桩施工工艺 5.1 平整工作面对边坡滑移体进行卸载, 提供一定的可以施工的工作场地 5.2 成孔可采用 XY 1 型工程钻机成孔, 成孔视微型群桩设计的直径而定, 不采用膨润土或其他悬浮泥浆做钻进护壁 微型钢管群桩施工工艺如图 4 所示 (b) 1 1 剖面 图 4 微型钢管群桩施工工艺 Fig.4 Construction technology of cluster piles made of mero steel pipes (c) 2 2 剖面 图 3 冠梁与桩的连结 Fig.3 Joint of top beam and piles 5.3 放置钢管钢管视微型群桩设计直径和壁厚而定 钢管底部 3~5 m 左右钻若干花眼, 以保证注浆液向周围土体扩散
第 24 卷增 2 唐传政等. 微型钢管群桩在基坑工程事故处理中的应用 5463 5.4 注浆注浆液采用纯水泥浆, 注浆压力控制在 2~3 MPa 左右, 水灰比为 0.45, 水泥采用 32.5R 普通硅酸盐水泥, 水泥浆中加入水泥重量 0.1% 的三乙醇胺及 0.2% 的食盐, 以改善可注性和增加结石体早期强度 为保证注浆液与周围土体紧密结合, 在孔口处设置注浆塞 5.5 浇注钢筋混凝土冠梁板面层将钢管群桩与面层钢筋点焊在一起, 然后浇注混凝土, 混凝土强度等级为不小于 C20 6 结语 实践证明, 采取微型钢管群桩的加固方法对于基坑工程事故的加固处理是一种十分有效的方法 微型钢管群桩具有适应性强 见效快 安全度高 节约材料 施工方便 施工时间短以及桩顶位移小等多种优点 微型钢管群桩设计时应根据工程的具体要求 土层条件 施工环境以及后期支护形式等因素, 综合技术和经济比较, 具体选用微型钢管桩截面 桩长以及排数和间距等参数 虽然在基坑工程事故中采取微型钢管群桩的加固方法得到了实践证明, 但是, 微型钢管群桩的加固机理有待进一步研究 致谢本文得到了武汉市深基坑工程咨询审查专家委员会专家李受祉高级工程师的指导, 在此表示感谢! 参考文献 (Reference): [1] 唐业清, 李启民, 崔江余, 等. 基坑工程事故分析与处理 [M]. 北京 : 中国建筑工业出版社,1999.(Tang Yeqing,Li Qimin,Cui Jiangyu. The Analysis and Disposal of Pit Destruction[M]. Beijing: China Architecture and Building Press,1999.(in Chinese)) [2] 唐传政, 张凯萍. 武昌某深基坑工程滑塌事故分析与加固处理 [A]. 见 : 城市土木工程技术的应用与研究 [C]. 武汉 : 武汉理工大学出版社,2003. 266 270.(Tang Chuanzheng,Zhang Kaiping. The analysis and reinforcing of a collapsed pit in Wuchang[A]. In:The Application and Research of Civil Engineering[C]. Wuhan:Wuhan University of Technology Press,2003. 266 270.(in Chinese)) [3] 唐传政, 张凯萍. 武汉某深基坑工程事故分析与加固处理 [A]. 见 : 全国岩土与工程学术大会论文集 [C]. 北京 : 人民交通出版社, 2003. 1 076 1 081.(Tang Chuanzheng,Zhang Kaiping. The analysis and reinforcing of a collapsed pit in Wuhan[A]. In:The Proceedings of National Geotechnical Meeting[C]. Beijing:China Communications Press,2003. 1 076 1 081.(in Chinese)) [4] 唐传政. 武汉地区软土深基坑工程事故分析与处理 [J]. 工业建筑,2004,( 增 2):304 307.(Tang Chuanzheng. The analysis and disposal of soft soil pit destruction in Wuhan[J]. Industrial Construction,2004,(Supp.2):304 307.(in Chinese)) [5] 唐传政. 武汉地区老粘性土基坑工程事故分析与处理对策 [A]. 见 : 第八次全国岩石力学与工程学术大会论文集 [C]. 北京 : 科学出版社,2004. 874 878.(Tang Chuanzheng. The analysis and disposal of old clay pit destruction in Wuhan[A]. In:The Proceedings of the 8th National Rock Mechanics and Engineering Meeting[C]. Beijing:Science Press,2004. 874 878.(in Chinese))