深基坑支護設計與施工分析
2008-12-31 00:00:00寧國立
現(xiàn)代商貿工業(yè) 2008年10期
摘 要：加筋水泥土墻復合土釘支護是剛剛在武漢地區(qū)出現(xiàn)的一種基坑支護結構，其加筋水泥土性狀及插筋工藝均沒有成熟的經驗，通過武漢市福星城市花園深基坑工程的基坑設計與施工實例，介紹這一支護形式的實際應用。
關鍵詞：支護設計；加筋水泥土；復合土釘支護；振動插筋；降水設計；疏干降水
中圖分類號：TU文獻標識碼：A文章編號：1672-3198（2008）10-0387-02
1 工程概況
福星城市花園深基坑工程位于湖北省武漢市漢口新華路、江漢北村、江漢北路交匯處，建筑物總平面布置由17層、21層、27層的建筑群連體環(huán)繞組成，環(huán)圈內均是兩層地下室。地下室建筑面積3.67萬平方米。基坑呈不規(guī)則三角形，基坑總開挖面積約22541m2，支護周長599m，基坑平面圖見后面基坑分段支護平面布置圖。
2基坑周邊環(huán)境條件
該基坑地處武漢市繁華市區(qū)，交通位置重要且周邊老建筑物多，建筑物對因基坑開挖和降水所引起的變形非常敏感。基坑周邊的超載及管線情況為：西側新華路為重要的交通要道，車流量大，道路兩側重要管網較多，距離基坑邊線僅12 m左右，基坑東側和南側約20 m處有多幢6~8層住宅樓（系采用天然地基），均為80年代初期建成。其地面超載大，房屋對變形敏感。基坑東側局部坑段距江漢北路建筑物圍墻最短距離為6 m，距8層住宅樓邊線也僅6 m。基坑北側局部坑段距3層售樓部7~12 m。其余地段30m內均無重要建構筑物。基坑周邊場地整體上較為寬松，有一定的放坡缷載空間，有利于基坑穩(wěn)定。
3 場地巖土工程條件
3.1 工程地質條件
根據勘察報告，場地內上覆土層具有明顯的二元結構沉積規(guī)律。上部為細粒組成的粘性土，下部為粗粒組成的粉細砂層、含有園礫的中細砂和卵石層。底部為志留系的粘土巖和砂巖。與本次基坑支護設計有關的地層及其物理力學性質指標表資料見后表2。
3.2 地區(qū)水文地質條件
（1）潛水。
主要賦存于人工填土與第四系全新統(tǒng)河流相沖積（Qal）粘土和粉質粘土層的孔隙之中，其主要補給來源主要為大氣降水和生產生活用水的滲入，水位絕對標高19.81~21.30m。潛水層的混合滲透系數按0.20m/d考慮，基坑開挖后，該層地下水易對坑壁產生侵蝕和滲透破壞，需采取有效的封堵或疏排措施。
（2）承壓水。
主要賦存于第四系河流相沖積（Qal4）粉土、粉砂層、粉細砂、含礫中細砂層及卵石層，以粘土層和粉質粘土層為相對隔水頂板，基巖為其隔水底板，承壓水頭高低與長江水位關系密切，勘察期間承壓水位標高為16.5 m，埋深約4.8 m，根據抽水試驗結果，粉土、粉砂、粉細砂層的綜合滲透系數建議值為k=18 m/d，基坑開挖時，其坑底高承壓水頭會導致基坑突涌并嚴重影響基坑安全，必須對場區(qū)地下承壓水進行疏干治理。
4 基坑支護設計簡介
4.1 設計參數的選取
（1）復合噴錨中插筋攪拌樁樁身強度取fcu，28=1.0MPa，qu=1/2fcu，28=500kPa，qj= qu/3=166kPa，qL=0.15qu=75kPa，按加固土計算時，考慮插筋作用，取C=fcu，28/6=166kPa，加固土的φ值取原狀土的值，即φ=15°。
（2）超載取值。
場地內地面施工超載取20kPa，材料堆場超載取30kPa，場外及場內道路超載取30kPa，住宅樓荷載取15~18kPa，其中8層住宅樓地面超載取130kPa。CD段一側8層住宅樓距坑邊較近（最近處為6m），設計采取錨桿靜壓樁局部托換，托換范圍內地面超載取20kpa，托換范圍取1/2房屋開間寬度。
4.2計算模式的選取
（1）土壓力采用朗金土壓力，水土合算，γ0=1.1。
（2）樁錨支護計算時，樁的入土深度按自由端等值梁法確定，樁身內力按桿件有限元計算。
（3）復合噴錨支護計算時，插筋攪拌樁的作用考慮以下幾方面：
①抗?jié)B，形成封閉的隔水系統(tǒng)；
②抗坑底隆起；
③形成自立高度，保證開挖期間不發(fā)生彎折、剪切破壞；
④提高整體穩(wěn)定性，采用條分法計算時，將其作為加固土參與計算，即當條分法條分到攪拌樁時，土層C值取加固土的C值，Φ值取原狀土的Φ值。
（4）土釘計算時僅考慮其拉力，忽略其剪力和彎矩。土釘長度則由滿足局部穩(wěn)定和整體穩(wěn)定條件共同確定。其中內部穩(wěn)定驗算時采用土壓力法，并結合經驗修正，進行整體穩(wěn)定驗算時采用園弧滑動法。
4.3 設計計算
（1）樁錨支護計算。
樁錨支護計算計算簡圖
基坑分為11段分別進行支部設計，各段平面布置見下圖。
（2）復合噴錨支護計算。
① 復合噴錨支護計算示意圖如下：
②復合噴錨整體穩(wěn)定驗算。
經《天漢》軟件計算，水泥土帷幕由2排Φ500水泥攪拌樁組成，排內樁間距350，排間距400，帷幕寬按800考慮，開挖一側攪拌樁每1.05m插入1根12m長的14號工字鋼。
③ 復合噴錨水平抗滑移驗算：按重力式擋墻模式Kh(huán)=f+vEa= 計算。
④復合噴錨坑底抗隆起驗算：按Ks=MvMs計算，插筋水泥土帷幕墻的極限彎矩Mh(huán)較小，可忽略不計。
5 基坑降水設計概述
根據工程地質勘察報告，基坑開挖深度7.4~8.5m（局部挖深達11.2m）范圍內，坑底部分地段已揭露粉砂層，基坑降水采用疏干降水，設計目標動水位降至坑底1 m，對電梯井挖深達11.2m處通過加密布井和加大單井出水量控制其水位。在基坑內設置8眼觀測井，枯水期承壓水埋深取地表下4.80m，豐水期承壓水水位埋深取地表下3.0m。根據湖北省深基坑技術規(guī)定中6.4.3.1式，即：Q=2πk0sR0 計算基坑涌水量：
計算得Q設計=1.3Q=18121m3/d。單井出水量取1200 m3/d，則n=16（口井），由于基坑面積大，抽水延續(xù)時間長，且局部梯井數量多，挖深大，坑內設置3口備用井，降水井設計總數取19口井，根據坑底過渡層出露情況和基坑不同挖深范圍合理布井，經計算機模擬計算，其降深及地面沉降均滿足基坑不同部位挖深及周邊房屋保護的要求。
6 現(xiàn)場綜合試驗測試及其結果分析
6.1 基坑測試工作的布置
由于本基坑在武漢市首次采用加筋水泥土墻復合土釘支護技術，為準確掌握攪拌樁樁身及土釘的受力特點，基坑施工采用信息法施工，沿基坑周邊布置了若干監(jiān)測點，包括：50個沉降觀測點、50個水平位移觀測點、16個測斜孔、7個應力監(jiān)測計、8個地下水水位觀測孔，并專門對A1-A1、A2-A2兩斷面進行了綜合測試，兩斷面位于基坑東南角，相距約3m。
6.2 基坑支護測試結果及其反分析
（1）水平位移。
基坑開挖前測試水平位移的初始值，然后按施工土方開挖進度進行連續(xù)監(jiān)測。
（2） 土釘拉力。
由試驗土釘（3#、4#、1#、2#）的實測結果可以得到：①由于土釘施工滯后（3#、4#、1#、2#），各層土釘實測受力普遍較小，說明加筋水泥土樁在土方開挖過程中對基坑坑壁穩(wěn)定起著重要作用，整個支護系統(tǒng)的支護潛力還比較大。②隨著開挖深度的增加，各層土釘應力均呈增長趨勢，且各層土釘受力大小不同。③在施工過程中，隨著基坑深度的增加及變形的發(fā)展，土釘的最大軸力點的位置也在不斷發(fā)生變化。
（3） 水泥土攪拌樁受力監(jiān)測及分析。
根據實測結果可以得到：①水泥土樁的受力以墻后受拉為主，應力大小隨深度變化，表現(xiàn)出中間大兩頭小的特征，最大拉應力均產生在基坑開挖面附近。②應力隨開挖進程逐漸增大，基坑變形穩(wěn)定后約有下降。③水泥土樁外側的應力在開挖初期全部為拉應力，設置土釘后，上部的拉應力逐漸減小并轉化為壓應力，下部的拉應力則仍在緩慢增長。④內側應力表現(xiàn)為拉應力，應力值較外側小，遂開挖逐漸增大。
7 基坑變形監(jiān)測結果
該基坑監(jiān)測工作由機械部第三勘察研究院于2002年5月初開始進行，于同年12月2日結束監(jiān)測工作。在其提交的《武漢市福星城市花園基坑監(jiān)測技術總結》中指出：“支護結構位移值大部分在17mm以內（與計算結果20mm比較符合），錨桿應力在150Mpa以內，環(huán)境的沉降量最大為10mm，地下室完工后各種觀測結果變化較小。
8 結語
（1）通過基坑變形監(jiān)測結果及對周邊環(huán)境情況的調查表明，整個施工過程中基坑始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，基坑周邊未發(fā)生任何不良環(huán)境地質問題。至此，武漢市福星城市花園采用加筋水泥土墻復合噴錨支護新技術進行設計和施工取得了圓滿成功，該工程的成功，表明振動插筋工藝適合武漢地層的特點，具有一定的推廣價值。
（2） 在坑底軟弱土層中，復合土釘支護結構的主要破壞形式為坑底水泥土樁被剪斷破壞而產生整體失穩(wěn)，因此必須通過增大超前支護的剛度來提高復合土釘的穩(wěn)定性。
（3）建議在今后的設計中加大插筋水泥土樁的樁身水泥參量，同時增加攪拌次數，降低鉆具的提升速度，使攪拌樁樁體水泥分布更均勻，提高型鋼的可插性并進而提高加筋水泥土的強度。
（4）加筋水泥土復合土釘支護作為一種新型組合支護形式，彌補了一般土釘支護抗彎折性能不足的問題；同時，由于插入型材的多樣性及靈活性，可在攪拌樁中插入預制樁或規(guī)格更大的型鋼，從而適應軟弱土層較厚、基坑較深的基坑，因此，在與土釘、錨桿回收技術相結合的工藝下配合使用，其應用前景將更加廣闊。
參考文獻
［1］JGJ120-99建筑基坑支護技術規(guī)程［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999.
［2］劉建航，侯學淵.基坑工程手冊［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997.
