軟土地區深基坑設計探討

李 波 解美英

1 概述

隨著社會經濟發展,修建地下室的需求越來越大,因此基坑的設計就更多。基坑工程具有很強的區域性、個別性,是系統工程,且其綜合性極強;基坑的大小和形狀對基坑穩定和變形影響較大,具有較強的空間效應。基坑設計正如太沙基所說的:“巖土工程與其說是一門科學,不如說是一門藝術(Geotechnology is an art rather then a science)”巖土工程很大程度上取決于工程師的判斷,具有很強的藝術性。在軟土地區,尤其是珠三角這種水網密布的地區其土體含水量高,強度低,易發生壓縮性變形導致基坑失穩,地面沉降。這樣基坑,特別是深基坑其安全可靠性要求更高;設計施工難度也更高。本文將介紹一個場地距離珠江邊僅100多米,開挖深度達11.5 m的基坑設計,與讀者共同探討軟土地區深基坑的設計。

2 工程概況

1)本工程位于廣州市荔灣區,場地位置原來是1949年前建造的2層～4層民房,現已拆除。本工程距離珠江邊僅100多米。2)本工程地下3層(局部2層),場地地面標高-0.500 m～-1.500 m,基坑底標高為-11.900 m,這樣基坑開挖深度為11.500 m。3)本工程主體結構設計特點:a.本工程地下室部分為3層,局部為2層,所以地下室側壁承受的水平力不能通過樓板的支撐作用取得平衡,造成基坑支護的水平支撐不能全部避開主體結構的梁板;地下室逆作法設計和施工不能實施。b.本工程塔樓采用鋼骨混凝土柱,考慮鋼骨混凝土柱施工的合理性,鋼骨盡量多層同時吊樁。支護結構的水平支撐和豎向支撐應盡量避開鋼骨柱。c.本工程采用人工挖孔灌注樁,考慮合理的施工順序,基坑開挖完畢后才施工樁,所以基坑暴露時間較長。

3 環境條件

1)基坑周圍環境的情況。基坑東側及北側為1949年以前修建的2層～4層民居,據現場了解此處房屋基礎形式為無筋擴展基礎,埋深大概為-1.500 m;南側為9層～10層鋼筋混凝土結構辦公樓,鉆孔灌注樁基礎,樁端持力層入中風化巖1 m,樁端埋深約為14 m～18 m,距離基坑最近為5 m;西南側為5層及 8層辦公樓,錘擊灌注樁基礎,樁端持力層為礫砂或強風化巖,樁端埋深約為11 m～14 m,距離基坑最近為5.3 m;西側為城市道路,路寬約15 m。2)根據建設單位提供的《廣州市綜合地下管線圖》,該場地3倍基坑深度范圍內(約36 m)無燃氣管線、無強電及弱電管線、無供水系統管線。

4 荷載取值

1)作用于支護結構的土壓力和水壓力,對于人工填土、第四季海沖積層采用水土分算原則;對于基巖(K)采用水土合算原則。

2)對于地面附加荷載:a.對于地面空曠處:出土邊取地面附加荷載30 kN/m2(標準值);非出土邊取地面附加荷載20 kN/m2(標準值)。b.對于建筑物的附加荷載按每層15 kN/m2(標準值)取值,對于南側8層辦公樓(錘擊灌注樁基礎)則計算附加荷載按下述原則計算:樁臺底處占20%,樁端占80%。

5 基坑支護設計

5.1 基坑支護設計原則

1)圍護結構設計以地質勘察資料為依據。2)基坑開挖完成后,暴露時間不應超過一年。3)由于地下連續墻入中風化不小于1.5 m,抗傾覆穩定性滿足GJB02-98廣州地區建筑基坑支護技術規程要求。4)基坑開挖施工時,應將基坑邊緣變形位移控制在環境允許的范圍內。根據GJB 02-98廣州地區建筑基坑支護技術規程,基坑支護結構設計的最大水平位移容許值為28 mm。5)結構計算模式的確定,應符合結構的實際工作條件,并反映結構與周圍地層的相互作用。

5.2 基坑支護方案選擇

1)由于場地周邊環境比較復雜,周邊有眾多的低層民居以及同時考慮工程地質條件惡劣,勘察報告反映,擬建場地淤泥質土、淤泥質粉細砂深厚,基坑開挖面基本上在淤泥質土和淤泥質粉細砂中,基坑開挖深度約11.500 m。設計主要需解決的問題是穩定和控制變形,產生穩定和變形問題原因是水土壓力。因此,支護結構需要有擋水和擋土功能;為確保周邊環境的安全,基坑需要采取剛度大,變形協調能力強的支護結構才能保證基坑開挖和周邊建筑的安全。2)基坑采用逆作法施工是利用逐層澆筑的地下室結構作為支護結構地下室連續墻的內部支撐,由于地下室結構與臨時支撐相比剛度大得多,所以連續墻在側壓力的變形就小得多。但是本工程地下室存在錯層地下室結構不能有效作為內部支撐,所以不能采用逆作法施工。3)基坑采用正作法施工:采用地下連續墻+鋼筋混凝土內支撐,地下室外墻與基坑支護墻采用兩墻合一的形式,一方面省去了單獨設置的支護墻,另一方面可在工程用地范圍內最大限度擴大地下室面積,增加有效使用面積;即相同的使用面積,減少開挖土方量,同時,周圍環境的建筑管線離基坑邊更遠些。4)由于基坑地下連續墻離工程樁(人工挖孔樁)較近,所以地下連續墻的設計除滿足上述5.1的設計原則外,還應滿足和工程樁相鄰的槽段,其底標高和工程樁底標高不應相差太大。5)基坑連續墻墻頂局部擋土結構采用雙排水泥土攪拌樁,另外對基坑周邊采用土體加固。經計算比較連續墻墻厚選取為800 mm比較合適。

5.3 基坑的鋼筋混凝土內支撐設計

1)經分析計算比較本基坑設置三層內支撐,本工程地下三層(局部兩層),經分析研究,內支撐錯開地下室全部樓層是不可能的。所以,一層,二層內支撐的部分區域構件作為永久構件使用。2)本工程主樓采用“鋼骨柱”(鋼管柱應盡量一次吊樁至首層),內支撐的位置應盡量避開鋼骨柱的位置。3)根據實際情況布置的內支撐立柱(鉆孔灌注樁)間距較大,本設計設置吊柱加大首層內支撐構件截面減少立柱間距,同時,增強了內支撐的空間整體性。4)溫度對內支撐構件軸力的影響,由于本工程地下室施工時間長(同時經歷夏冬季節),溫度(包括混凝土收縮)對內支撐的影響是很大的,根據工程經驗,本設計對鋼筋混凝土內支撐設計值考慮1.0 N,1.0 m,1.0 V及1.5 N,1.0 m,1.0 V組合。5)基坑水平支撐平面布置見圖1。

6 計算方法

本支護工程的分析和計算軟件為北京理正軟件設計研究院編制的《理正深基坑支護結構設計軟件》,主要用于連續墻各剖面的計算;中國建筑科學研究院編制的SATWE,主要用于支護結構在豎向力作用下內力計算;韓國浦項集團編制的Midas/GEN建筑結構通用分析系統,主要用于支護結構在水平力作用下內力配筋計算。同時采用理正連續梁程序對腰梁、冠梁進行配筋驗算。

7 計算結果

經過多次不同模型的計算比較優化,本工程最后采用本支護方案。各桿件彎矩圖見圖2。其中第一層支撐最大彎矩為冠梁處,其值為1 304 kN·m;第二層支撐彎矩最大為腰梁處,其值為2 036 kN·m。水平支撐構件在水平力作用下基本軸心受壓構件相應變形為軸向變形。連續墻最大位移為21 mm,符合相關規范規定,且有合理的富余。

8 結語

基坑工程尤其是軟土地區的深基坑影響基坑穩定和變形的因素很多,很復雜;具有很強的工程個性。從場地分析、土壓力的選用,圍護形式的合理選用,到圍護結構的變形控制的每一環節,都需要設計人員的仔細分析比較判斷才能做到設計的經濟合理安全,作為設計人員也只有做好這些分析比較,不斷從摸索中積累經驗,從實踐中不斷學習,才能不斷提高認識,提高設計水平。

[1]周書東,王小霞,張志民.軟土地區基坑工程設計統計分析[J].山西建筑,2008,34(2):131-132.