漫談深基坑支護

張

深基坑施工作為水利施工經常遇到的類型,其重要性不言而喻。正確的、合理的選擇支護類型,是保證深基坑施工質量的前提。

1 常見支護類型

1)懸臂樁支護。懸臂樁支護是依靠足夠的入土深度來實現支護結構的穩定性。

2)錨噴支護。錨桿在砂漿凝固后,在錨桿出露邊坡處進行掛網,再噴漿,使邊坡的非穩定部分與錨噴的錨桿連成一片,并牢固地錨固在穩定部分內。不僅防止了邊坡失穩,還能防止邊坡的局部土體剝落、掉塊及崩塌,可以有效地維護邊坡穩定。

3)深層攪拌樁支護。深層攪拌樁是利用水泥等固化劑,通過深層攪拌機械與軟土拌和,固化劑會與軟土發生一系列的物理化學變化,使二者成為一個整體性好,水穩性高,并具有一定強度的樁體。深層攪拌樁是利用自身的重量來抵抗側向力保持穩定,一般來說,內部無需支撐,因而具有施工簡單,造價低廉,環境破壞小等優點,具有很強的競爭力。

4)鋼板樁支護。鋼板樁支護是利用帶鎖口或鉗口的熱軋型鋼互相銜接形成鋼板樁墻來抵擋側向力。但施工時噪聲較大,影響周圍環境,不適用于人口密集區。而且鋼板的柔性,也是此種支護類型的薄弱點。

5)高壓噴射墻支護。其加固原理是將高壓水泥漿噴射入松散的軟弱地層中,通過與軟弱土之間的物理化學變化,形成高強度的混合物層。尤其適用于承載能力較高的地層下存在軟弱地層的地質情況。

6)地下連續墻支護。地下連續墻具有整體剛度大,防滲效果好等優點,特別適用于基坑底面以下有深層軟土時需將墻體插入很深的情況。

7)加筋水泥土墻支護。加筋水泥土墻是將H型鋼插入水泥混凝土樁中,水泥混凝土具有很好的抗滲性,而H型鋼抵抗側向荷載能力強,二者結合具有很好的抗滲性和擋土能力。

8)土釘支護。土釘支護是利用土體自身的承載能力,通過在土體中按照一定的間距布置土釘,并輔以鋼筋網噴射混凝土面層與土體協同工作,以提高土體的整體剛度和穩定性,確保基坑的穩定。

2 土釘支護機理分析

土體的抗拉、抗剪能力雖然較差,但在某些情況下,仍然能保持一定的穩定性。

一般的支護結構都是利用自身結構來抵抗其支擋的土體側壓力,防止土體產生較大變形或整體穩定性破壞。而土釘支護則是在土體內設置一定長度和密度的土釘,土釘與土體共同工作,有效的彌補土體自身抗拉、抗剪能力差的缺點,提高了土體的整體剛度,使土體的自身結構強度潛力得到充分發揮,并遏制邊坡變形和破壞形態的發生。

按一定的形式布置土釘,在空間上可以起到一定的骨架作用,對整體起到一定的加勁作用。土釘支護施工時灌注的漿液,通過滲透、擴散和填充,特別是壓力灌漿,會較強有效的擠壓周圍的土體,提高了周圍土體的密度和抗剪能力。而對于劈裂灌漿,漿液在鉆孔附近會形成一個網狀。這樣既提高了土體法向應力之和,從而提高土體的整體剛度,又能減小最大應力與最小應力的差值,從而提高土體的穩定性。實踐表明,當基坑深度超過13 m時,常規的土釘是很難滿足規范要求的,采用劈裂灌漿的工藝,則能提高原狀土體的力學指標,尤其是 c,φ值的提高,土體直立臨界開挖深度得到提高,使土釘獲得成功。

土釘與土體共同作用,土釘沿長度方向受力并不是線性的。表現在土釘兩端受力小,中間受力大,靠近滑裂面處的土釘受力最大。冶金工業部建筑研究總院曾對某一大型基坑土釘方案進行研究,得到土釘受力的具體數據如圖1所示。

德國Karlsruhe大學對土釘進行了大量實驗,試驗結果表明:土釘支護開挖的主動土壓力隨開挖深度先是線性增加,到一定深度后線性減小,基地的主動土壓力其實很小。試驗結果與冶金工業部建筑研究總院研究結果不謀而合。后經工程現場實測,也證實了土釘在基坑中部受力最大,上部和下部受力均較小(見圖2)。

3 土釘支護存在的問題

1)在對土釘支護進行設計時,設計人員對所用參數往往直接按照勘察單位給出的資料進行取值,不進行分析和思考。但是很多資料,尤其是填土資料,很多勘察單位是按照以往的經驗進行考慮,因而易造成設計上的偏差。2)對膨脹土基坑的土釘支護設計,設計人員往往沒有特殊考慮,僅僅按照常規方法進行設計。對于膨脹土深基坑,因長期暴露,易造成土體的膨脹變形,產生基坑病害,最終導致基坑的失穩。設計時對膨脹土穩定性分析應有別于一般性土。一般來說,宜采用剛柔相濟的支護方法。3)在深基坑開挖及土釘支護的過程中,應做好監控工作。一般的施工單位往往忽視對土釘墻壁的變形觀測,待基坑開挖到一定深度時,較大的變形最終導致基坑失穩事故的發生。這就要求施工單位加強信息化管理,隨時監控各相關數據,利用科學的管理確保工程的高質量。4)水處理是每個工程都必須面對的問題。深基坑支護的排水尤為重要。優勢滑移控制線以內及其附近的各種水源或積水均有可能危害到基坑邊壁的穩定。

4 工程實例分析

某工程需進行深基開挖,坑底標高6.3 m,場地地面標高13.1 m～18.3 m。地形由西向東,由南向北傾斜。地面高差約為3.7 m,開挖最大深度12 m,東側開挖深度6.9 m,基坑邊長293 m。

基坑西側距城市主干道11 m,南側緊鄰道路開挖,北側為正在施工的某高架橋一號墩,東側距4層樓商廈10 m。

場地地質勘測報告表明,場地內巖層分布為:素填土,第四紀坡殘積層,第四紀殘積層以及花崗巖。地下水距地面1.7 m,主要來源于自然降水,地下水對混凝土沒有腐蝕性。

經分析比較,決定采用土釘支護為主的支護結構。具體布置為北側采用懸臂樁支護,西、南側采用預應力錨桿與土釘聯合支護,東側采用土釘支護。東側具體布置圖如圖3所示。

基坑的開挖與土釘的施工交替進行,西、南兩側的挖土分四層進行,挖土深度分別為 4.6 m,2.2 m,2.2 m,2.2 m,東側挖土也分四層進行,分別為2.3 m,2.5 m,1 m,1.5 m。土釘采用普通地質鉆機和洛陽鏟成孔,孔徑不小于12 cm。然后插孔灌漿,水泥用425號硅酸鹽水泥,水灰比為0.45。在正式施工前,先對土釘進行抗拔力試驗,所用土釘長9 m,共4根,錨固在第四紀坡殘積層土中,桿體灌漿與實際工程用的土釘一樣。具體試驗結果見表1。

表1 土釘抗拔力試驗結果

由表1可以看出,土釘均處于彈性變形階段,與周圍土體有良好的共同作用的能力。當基坑開挖至設計標高時,通過監測,坡頂位移為3 cm。開挖各側沒有發現不均勻沉降和開裂現象,整個支護結構處于良好的工作狀態之中。在基坑施工過程中,曾遭遇多次暴雨襲擊,但并沒有發現安全隱患,土釘支護系統穩定。

[1]黃 強.深基坑支護工程設計技術[M].北京:中國建材工業出版社,1995.

[2]楊 麗,楊 覺,華 村.建筑基坑支護設計淺談[J].洛陽大學學報,2003(8):13-15.

[3]林宗元.巖土工程勘察設計手冊[M].沈陽:遼寧科學技術出版社,1996.

[4]曾憲明,黃久松,王作民.土釘支護設計與施工手冊[M].北京:中國建筑出版社,2000.

[5]成鳳蘭.淺談深基坑的支護[J].山西建筑,2008,34(33):104-105.