多向旋喷搅拌加劲斜桩在深基坑支护中的作用原理及其应用.docx

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多向旋喷搅拌加劲斜桩在深基坑支护中的作用原理及其应用.docx

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多向旋喷搅拌加劲斜桩在深基坑支护中的作用原理及其应用

多向旋喷搅拌加劲斜桩

在深基坑支护中的作用原理及其应用

[摘要]：

多向旋喷搅拌加劲斜桩支护结构是一项基坑支护新技术，适用于多种土层，在安全性、经济性、施工方便性等方面都比传统支护技术优越。

其施工过程对周围土体有一个加固的过程，土体的C、Φ值将有一定的提高，对软弱土体的加固效果是一般锚杆和土钉无法达到的，桩体中加入的筋体和锚锭板，使加筋体与水泥土旋喷桩粘合在一起，形成很高的锚固力，另外，在预张力锚筋作用下，水泥土的抗弯、抗剪、抗拉强度均将大幅度的提高。

[关键词]：

多向旋喷搅拌加劲斜桩支护机理基坑

1多向旋喷搅拌加劲斜桩的定义

多向旋喷搅拌加劲斜桩可分为垂直旋喷搅拌加劲桩和多向旋喷搅拌加劲斜桩，是在土层中用旋喷搅拌法形成水泥土变径桩体，并插入钢绞线（或钢筋、型钢）等锚筋制成多向旋喷搅拌加劲斜桩，用其来加固和支护地基土或边坡。

多向旋喷搅拌加劲斜桩加固与支护有如下特点：

（1）多向旋喷搅拌加劲斜桩施工作业所需空间不大，适用于各种地形和场地；

（2）由多向旋喷搅拌加劲斜桩代替内支撑，可降低围护结构的造价，使基坑内空旷，改善施工作业条件；

（3）多向旋喷搅拌加劲斜桩的锚拉力可通过张拉试验确定，每根锚筋体通过张拉锁定来检验其多向旋喷搅拌加劲斜桩的作用效果，因此可保证施工质量和加固结构的安全度；

（4）通过施加预拉力，有效控制支护结构的侧向位移。

（5）施工形成的扩大径桩头的多向旋喷搅拌加劲斜桩，能有效增大抗拔力。

2多向旋喷搅拌加劲斜桩支护的结构形式

多向旋喷搅拌加劲斜桩支护结构（多排旋喷搅拌加劲斜桩结构）型式有人字形、门字形和多排形，如图1所示：

图1人字形、门字形、多排旋喷搅拌加劲斜桩结构形式

人字形结构的适用土层及应用范围：

当场地为砂土、粘性土、粉土、杂填土、淤泥以及淤泥质土等土层，基坑深度不大于6米，基坑周围不具备放坡条件且地下水位较高；

门字形结构的适用土层及应用范围：

当场地为砂土、粘性土、粉土、杂填土、黄土、淤泥以及淤泥质土等土层，基坑外有2～3米的施工空间且基坑深度为6～10米。

多排形结构的适用土层及应用范围：

当场地为砂土、粘性土、粉土、杂填土、黄土、淤泥以及淤泥质土等土层，基坑深度大于10米且小于18米，可采用加筋水泥土桩墙与多排斜向加筋水泥土锚体支护结。

3多向旋喷搅拌加劲斜桩与常规的锚杆和土钉的区别

多向旋喷搅拌加劲斜桩的结构及与锚杆和土钉的结构形式区别如图2所示：

图2旋喷搅拌加劲斜桩与锚杆和土钉的结构形式区别

通过高压旋喷搅拌形成的大直径的多向旋喷搅拌加劲斜桩体，首先大直径水泥土桩体对软弱土体的加固效果是一般锚杆和土钉无法达到的，因为锚杆和土钉是通过低压灌浆使锚筋与土体粘结，注入到土体中的浆液量较小，且扩散无序；第二：

桩体中加入的筋体和锚锭板，使加筋体与水泥土旋喷桩粘合在一起，形成很高的锚固力，克服了常规锚杆（土钉）与土体是通过注浆的浆液粘结的，产生的锚固力有限等缺点；第三：

对于软土、尤其是淤泥质土、粉土，大直径的水泥土旋喷搅拌加劲斜桩也具有很高的锚固力，因为大直径的水泥土旋喷桩的桩径较大，且变径，与土层的接触面积很大，桩体与土层之间产生较大的摩阻力，克服了常规锚索、锚杆与软土之间的锚固力非常有限之不足，以及由于塌孔无法施工等缺点。

4　斜旋喷搅拌加劲斜桩的支护机理

（1）、通过斜旋喷搅拌形成的大直径水泥土桩体，对松散软土的性能做了很大改善，使软土改变成具有较高强度的水泥土体，土体的c、φ值都得到相应的提高，抗渗能力也会明显改善，具有超前加固、主动支护的作用；

（2）、在形成的大直径水泥土桩体中加筋，形成加筋水泥土桩体，大大提高了土泥土的抗弯、抗剪强度，起到了增加支护的作用；

（3）、通过锚锭板和预张拉，使水泥土的抗弯和抗剪能力得到一定提高；

（4）、通过锚锭板和锚筋与水泥土的粘合，在软弱土层产生较高的锚固力，可有效约束土体边坡的变形。

经实测，对围护结构的水平位移均控制在规程规定的范围之内，12米深的软土基坑，最大水平位移能控制在30mm以内；

（5）、通过设定多排多向旋喷搅拌加劲斜桩，并通过腰梁相连，形成一个重力式挡土结构，可防止土体边坡滑移、隆起等；

（6）、突破了在淤泥及承压水流砂层中不能施工锚杆或土钉的禁区，采用斜旋喷搅拌加劲斜桩可解决锚固力有限的问题、解决了承压水流砂层中成孔、喷砂涌水的难题，对各种软弱土层的加固与支护效果显著；

（7）、在基坑围护结构吸使用斜旋喷搅拌加劲斜桩可取消内支撑，加快了施工工期、节省的支护成本，并使施工挖土十分方便；支护基坑深度达30米，且变形控制能力强，其工作原理主要是通过对软弱地层的加固，提高土层自身的稳定性和自承能力。

（8）、可回收式锚筋将突破斜旋喷搅拌加劲斜桩使用超建筑红线的限制，施工结束以后，只要将锚筋抽出，将不产生地下障碍物，因此，斜旋喷搅拌加劲斜桩的应用可以超建筑红线。

此外，由于第一排斜旋喷搅拌加劲斜桩可设置于地下较深处，可避开地下管线。

5　成本与工期

对于开挖深度6~8m基坑，采用人字形或门字形结构，与传统的重力式挡土墙结构或悬臂式排桩结构、锚杆或复合土钉墙结构相比，可节省成本10~30%，减少工期20~30%。

对于开挖深度10~15m，面积1万平方以上的以上基坑，采用多向旋喷搅拌加劲斜桩支护方案与传统的排桩支撑方案相比，可节约成本20~50%，节省工期40%。

6在裕丰广场基坑工程应用多向旋喷搅拌加劲斜桩支护技术的效果分析

6.1工程概况与周边环境情况

裕丰广场工程由南通宏丰发展有限责任公司投资新建，由江苏江中集团有限公司总承包施工。

位于南通市区青年中路南侧，西临南通第三人民医院，南临利民大厦、三德大酒店及城南新村1＃、2＃楼，位为段家坝菜市场。

建筑物主要由27层高层建筑物、三层裙房和一座地下二层地下室，负一层为地下商场，负二层为停车库和设备层构成，地下建筑面积19640m2。

高层建筑物结构形式剪力墙结构，建筑高度最高点约98米。

估算最大柱脚角内力标准值库24000KN;裙房、地下停车库二层，埋深11.5m，主楼部分埋深13m，采用PHC管桩基础。

因此，在经济合理的前提下，确保深基坑支护工程的安全可靠，已成为当前城市建设中的一项重要课题。

裕丰广场工程的周边环境情况如图3所示：

图3　基坑位置及周边环境

根据岩土工程勘察报告及相关图纸，拟建场地周边环境及建构筑物情况如下表1：

基坑

方位

建筑名称

基础形式/埋深

与基坑最近距离

结构形式

及状态

南侧

城南新村1＃楼

粉喷桩基础

17m

7层砖混结构

城南新村2＃楼

粉喷桩基础

17m

7层砖混结构

各类管线

上水、煤气（1m）

下水、雨水（1.5m）

已破裂

道路

混凝土二幅路

已破裂

北侧

（青年中路侧）

各类管线

通讯电缆（0.6m）

雨水、排水管（2m）

道路

主要交通道路、沥青混凝土

西侧

道路

沥青混凝土

市三院主楼

桩基础

6.2工程地质与水文地质简述

根据勘察报告，在所揭露的95.0m深度范围内的地层属第四纪全新世Q4海相交错沉积物，上更新世Q3河流相冲积物，主要有粘性土、粉性土、砂性土组成，一般具成层分布特点，按其成因类型、土层结构及其性状特征，可划分12个主要层次，各土层的物理力学性能指标如表1

场区浅部地下水属自由潜水类型，地下水主要受大气降水、地表泾流影响，水位变幅视季节性降雨量变化而略有升降。

近年场区内最高地下水位相应标高约3.00m左右，最低地下水位相应标高约1.00m左右，勘探期间初见水位在自然地表下0.30~1.35m。

静止地下水埋深0.50-1.25m，稳定地下水位相应标高约+2.60m（85国家高程基准）。

表2各土层主要物理力学指标

土层序号

土层名称

含水量

（%）

天然

重度（Kn/m3）

压缩系数

（MPa-1）

压缩模量Es1~2（MPa）

抗剪强度

粘聚力

（kPa）

内摩擦角

（度）

试验方法

杂填土

三轴（UU）

直剪（q）

粉土

32.4

18.4

0.24

8.69

10.8

7.8

12.0

19.6

三轴（UU）

粉土夹粉质粘土

33.4

18.1

0.28

7.89

9.8

11.5

直剪（q）

粉砂

29.7

19.0

0.13

15.39

5.0

29.0

直剪（q）

淤泥质粉质粘土

38.4

18.1

0.52

4.12

12.7

1.9

三轴（UU）

粉质粘土夹粉土

34.4

18.2

0.34

6.51

17.1

4.0

三轴（UU）

6．3　本基坑支护工程的难点与重点分析

开挖深度内分布较厚的粉土粉砂层，如②、

、

层，易造成灌注桩成孔护壁困难。

因此保证围护桩的施工质量是非常重要的，为此，需采用SMW工法桩作为围护结构。

本围护工程中涉及的主要地层为②、

、

层，均为透水层，而基坑长边的南侧紧邻城南新村，北侧为重要的市中心交通z干道，因此，确保止水效果是非常重要的。

为此我司采取如下措施：

保证多向旋喷搅拌加劲斜桩的成桩质量及锚固力是本围护工程的重点

在地下压力水作用下，施工多向旋喷搅拌加劲斜桩时，孔口流水如不能有效封堵，将导致浆液流失及孔内地层的水土流失，从而影响成桩质量及锚固力，或引起地面沉降。

为此我们采取如下措施：

★采用防喷护筒施工工艺，钻穿止水帷幕后，在防喷护筒的掩护下，可将钻孔内的水、砂、土及浆液封堵在孔内，从而可解决在较高的水压下，施工多向旋喷搅拌加劲斜桩钻孔后引起的孔内水土流失及浆液随水流走的难题。

这对保证多向旋喷搅拌加劲斜桩的质量非常有利。

该施工工艺已在高地下水压的流砂层地区的多个工程中应用，取得良好效果。

★在多向旋喷搅拌加劲斜桩的施工过程中，将对每根多向旋喷搅拌加劲斜桩进行张拉锁定。

在张拉过程中，观察锚筋受力与变形情况，每根锚筋张拉至设计锚固力的120%后进行锁定，从而检验了每根多向旋喷搅拌加劲斜桩的锚固力和多向旋喷搅拌加劲斜桩的施工质量；

★通过对锚筋的张拉力监测，确定锚筋预应力损失量，以便及时补拉校正。

★对锚固力进行现场试验测定，根据试验结果进行设计施工方案的调整。

基坑单边较长且开挖深基坑是施工管理的难点

本工程占地面积约13830m2，基坑开挖深度为11~13米，属深大基坑。

该基坑的施工困难主要反映在以下几个方面：

（1）基坑变形控制；

（2）周边环境保护。

为此，我们的主要对策是：

★针对基坑变形的控制

（1）压顶圈梁施工需分段进行，分段长度不易大于20米。

抽槽挖土至圈梁底标高，再分段绑扎圈梁钢筋，分段形成圈梁，以控制基坑初始变形。

（2）为了避免大体量土方卸载易引起坑内土体隆起，造成坑外土体的变形过大，我们将基坑划分为五个大区域，相邻分区交错施工，垫层及底板先后形成。

（3）土方开挖时必须利用时空效应原理，严格遵循“分层、分块、留土护壁，对称、限时开挖，形成多向旋喷搅拌加劲斜桩或支撑”原则，减少基坑无多向旋喷搅拌加劲斜桩的暴露时间，尽可能控制基坑变形。

（4）充分发挥我司对该地区地质条件的了解以及在超大、超深基坑方面类似工程的施工经验，根据周边建筑的结构形式及周边管线管理单位确定最终的基坑监测报警值，为基坑监测提供确实可行的监测依据。

★针对土方开挖施工

（1）采用分区、分层开挖。

分层切槽挖土，施工多向旋喷搅拌加劲斜桩体系。

（2）配合多向旋喷搅拌加劲斜桩施工工作面，采用周边切槽开挖，采用小型挖机开挖。

（3）对基础底板端部采用砖侧模，砖侧模与旋喷搅拌桩之间分断间隔浇筑砼及回填夯实土方。

（4）需保证有足够的照明设备，并委派专人负责现场巡视，发现异常立即采取措施，确保施工安全。

6.4　围护结构方案的比较

深基坑围护常规结构有：

围护多向旋喷搅拌加劲斜桩拉体系、内支撑、重力式搅拌桩墙等，需要根据地区施工经验、技术水平、方案的合理性、经济性、安全性等多方面进行比较分析，以满足安全前提下经济性的目标。

目前，南通地区10以上深度的深基坑工程相对较少，围护结构应用的最多、经验最成熟的就是围护桩（三轴搅拌桩+钻孔灌注桩）+内支撑方案，并且在围护桩施工顺序、搅拌质量、防止缩颈、桩底沉渣控制、预张拉多向旋喷搅拌加劲斜桩施工、张拉和检验方面也积累了大量经验。

实践经验证明，采取此技术方案后，由于围护桩具有较大的侧向刚度，并且预张拉多向旋喷搅拌加劲斜桩可有效控制地表的初始变形，因此对基坑侧壁的变形控制效果比较理想，充分保护了基坑周边的建筑、道路、管线的正常使用，如群力新湾等均采用多向旋喷搅拌加劲斜桩支护体系。

内支撑支护体系由于其造价较高，影响施工挖土进度，且拆撑、换撑麻烦，早期的深基坑支护中应用的很少，而且多采用钢支撑支护，目前随着基坑开挖深度的不断增大，采用内支撑支护的基坑也逐渐增多。

考虑到围护方案的选择对基坑的造价、工期、安全性、周边的影响关系很大，因此进行了多方案比选，比选方案为：

方案一采取混凝土支撑形式，安全性好，但是主要存在如下缺点：

（1）：

由于基坑平面范围大，因此混凝土支撑材料用量大，需加设立柱桩、格构柱等，支撑造价较高；

（2）：

一道支撑情况下由于粉砂层水土压力很大，围护桩配筋用量较大，显得不够经济，而采用两道内支撑虽然可以降低围护桩桩身内力，但是造价更高；（3）：

挖土速度受影响，土方往往需要多次翻运，影响工期；（4）：

增加拆撑、换撑工艺及时间，且拆撑换撑一旦不合理，除可能造成基坑侧壁变形增大外，对主体结构可能也会产生影响；如果采用钢支撑，施工和拆除比较方便，但由于他的整体性和稳定性较差，一旦出现失稳，将会出现基坑倒塌等重大安全事故，如杭州地铁基坑倒塌就是由于地下连续墙的变形过大，导致钢支撑瞬间出来破坏引起的恶性安全事故，因此，在较大基坑中采用钢支撑结构是不合适的。

方案二采用锚杆支护，可随着土方开挖进行锚杆施工，在合理的开挖组织情况下锚杆养护时间完全可以消除，因此土方施工速度快；虽然锚杆体系不像支撑体系那样依赖整体，可根据情况灵活进行土方开挖和底板浇筑，但在此类粉砂、粉土，且地下水位较高地层中，由于锚杆的造孔会导致喷砂漏水及塌孔等问题，故在此类基坑中采用锚杆是非常困难的，可以说锚杆是不适用该类地层的。

常规锚杆存在以下缺点：

锚固力有限：

由于采用传统的成孔工艺，成孔直径一般为150～180mm，其提供的锚固力有限。

易塌孔：

施工工艺为先成孔后注浆，在砂性土层中，锚杆易塌孔而导致施工质量不可靠。

钻孔喷砂喷水：

当在含水砂层中钻穿止水帷幕后，止水帷幕后的土、砂和水将在较高水压力作用下，沿孔口喷出，在砂性土地区容易产生流砂现象，很快引起上覆地层的沉陷。

锚杆孔口易漏水：

常规锚杆采用低压灌浆粘结，当地层内的水压较大时，将使灌入的水泥浆流失，这样不仅影响锚固力，而且造成孔口不能封止水。

方案三采用多向旋喷搅拌加劲斜桩体系，加筋多向旋喷搅拌加劲斜桩，是在高压旋喷形成的水泥土桩体成型过程中加入锚筋及其锚固件，所形成的复合体即为多向旋喷搅拌加劲斜桩体系。

通过高压旋喷搅拌形成的大直径的多向旋喷搅拌加劲斜桩体，解决了开孔喷砂漏水及塌孔问题，大直径水泥土桩体对软弱土体的加固效果是一般锚杆和土钉无法达到的。

经上述比较，方案三具有不产生有污染的钻孔泥浆，造价较低、施工方便且缩短工期等特点。

因此，推荐采用方案三。

下面就方案三，作进一步细化分析：

刚性支护体系可采用的形式有钻孔灌注桩、预应力管桩、SMW工法的型钢或者钢板桩等多种形式，针对本基坑，我们认为：

预应力管桩施工速度快，比较便捷，但是根据实际经验来看，预应力管桩侧向刚度偏小，抗弯能力差，且密排施工相互影响比较大，适用的基坑深度不能太深，对本基坑而言，控制变形能力差，从安全角度来看，风险较大；

综上所述，采用SMW工法桩比较合适，其安全性可以得到保证，即使地下室施工时间较长其最终变形也不大；由于钢材在不断降价，其造价可有效降低。

因此采用预张拉多向旋喷搅拌加劲斜桩形式是比较合适的，一是施工经验比较成熟；二是上部土层力学指标高，多向旋喷搅拌加劲斜桩承载力能得到保证；三是可通过预加应力控制基坑侧壁初始变形；而且预张拉多向旋喷搅拌加劲斜桩布置的水平间距较小，可大大降低冠梁钢筋含量。

综上所述，对于该基坑，采用SMW工法桩+预张拉多向旋喷搅拌加劲斜桩进行支护

6.5基坑围护结构的设计结果

（1）SMW工法及多向旋喷搅拌加劲斜桩支护结构的设计参数

表3裕丰广场基坑围护结构设计及验算参数

开挖深度（m）

11.0

11.5

围护形式

SMW工法+加筋多向旋喷搅拌加劲斜桩

桩径（mm）

3Φ1000@1200

桩/型钢长（m）

18~20/16

17~19/15

17~19/14

18~20/15

多向旋喷搅拌加劲斜桩排数

最大位移（mm）

22.3

12.9

13.6

21.4

最大正弯矩（kN.m）

191.7

127.4

214.3

192.7

最大正剪力（kN）

151.8

140.4

138.2

144.7

整体稳定性

1.69

1.68

1.66

1.58

墙底抗隆起（Terzaghi）

6.46

7.72

7.82

7.2

坑底抗隆起

2.26

2.42

2.4

2.28

抗倾覆

3.66

4.56

4.51

4.05

（2）SMW工法及多向旋喷搅拌加劲斜桩支护结构的设计剖面

图4深部地段13.00m挖深的支护剖面图图5开挖深度10.50m的支护剖面

6.6围护工程施工及监测结果

开挖深度11m时的测斜管，测得的变形结果如图（见下页）:

6.7围护工程的施工技术与经济效益分析

6.7.1基坑围护结构的施工技术比较

（1）SMW工法+多向旋喷搅拌加劲斜桩支护结构是一种主动支护结构，大直径的旋喷搅拌桩体具有超前加固与支护的作用，高压喷射水泥浆与砂性土结合，对坑外土体进行了有效的超前加固，大大提高了坑外土体的稳定性和承载能力；

（2）多排斜向多向旋喷搅拌加劲斜桩与坑外土体的共同作用，有效地提高了围护结构的抗倾覆、抗滑移及其整体稳定性的安全系数；

（3）与内支撑支护结构相比，可减少坑外土体对围护结构的作用力，可降低坑底土体的隆起变形，可减少垂直围护桩的插入深度。

　图6　围护结构的测斜结果　　　图7　压顶梁的水平变形监测结果

施工效果照片如图8－9所示。

图8　第二道多向旋喷搅拌加劲斜桩张拉图9　开挖13m时的效果图

（4）SMW工法+多向旋喷搅拌加劲斜桩支护结构起着一种重力式挡土墙结构的作用，预应力锚筋的张拉与锁定可有效控制该挡土墙体的位移与变形。

采用SMW工法+多向旋喷搅拌加劲斜桩支护结构作基坑的围护结构，给地下室的主体结构施工提供了宽阔的施工空间，与内支撑结构相比，减少了支撑的穿墙缝、拆撑和换撑缝、结构主体钢筋的折断和分层施工缝，提高了地下结构的防水性。

此外，对于地下结构外包防水层施工质量的保证非常有利。

6.7.2基坑围护结构的工程造价分析

表4　裕丰广场基坑工程的造价分析

比较内容

方案一

方案二

方案三

方案三比方案一节省（%）

方案三比方案二节省（%）

三轴搅拌桩＋灌注桩＋内支撑方案

SMW工法桩＋内支撑方案

SMW工法桩＋多向旋喷搅拌加劲斜桩方案

竖向围护墙体的造价

（元/延米）

9000

8000

6000

50%

33.3%

围檩及侧向支护体的造价

（元/延米）

6500

6800

8200

－

格构桩及其连接点的造价

（元/延米）

2000

1500

100%

拆撑与换撑、传力带的造价

（元/延米）

2000

100%

合计（元/延米）

19500

18300

14200

37.3%

28.9%

挖土施工的成本（元/立方米）

36.3%

综合造价：

方案三比方案一节省42%,比方案二节省34%

如果考虑工期缩短带来的成本降低，则方案三比方案一可节省50%以上。

7　结论

加筋多向旋喷搅拌加劲斜桩支护结构在裕丰广场基坑工程的运用，它具有良好的变形控制能力和较高的稳定性，是近年来在深基坑支护中应用的一种创新技术，特别适合于建筑密集或临近重要工业与民用设施附近对基坑变形有严格要求的工程。

与传统的支护相比具有很大的经济优势，且施工期间对环境的污染较小，非常适合我国的国情。

目前，该技术已在天津、江苏、浙江、广东、山东、郑州、安徽、湖北等地区的深基坑工程中普遍应用。

许多成功的工程实例证明了该项技术的可行性和成熟性。

忽略此处..

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