某深基坑工程支護選型與設計計算的研究

張 衛，趙善國

(1. 中國水電基礎局有限公司，天津301700;2. 黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱150080)

0 引 言

近年來我國建筑、市政等工程得到飛速發展。在建筑向高發展的同時，地下空間的利用也成為一個重要方向。地下建設工程越來越多，基坑的開挖深度也越來越大。高層及多層建筑的地下室、地下商場、地下車庫、地鐵車站等工程施工，都會面臨深基坑工程。近年我國對于深基坑支護技術也有很多的研究，并且也取得了一些成果［1－5］。隨著高層建筑物的高度不斷加大，其基礎愈做愈深，相應的支護結構的設計施工難度也愈來愈大。為此我們以一具體深基坑工程的選型、支護設計與計算過程為例，對深基坑的支護設計理論進行了研究。

1 基坑支護的類型

深基坑支護型式常用的有: 鋼板樁支護、鋼筋混凝土板樁、鉆孔灌注樁、地下連續墻、土層錨桿、深層攪拌水泥土樁擋墻、旋噴樁帷幕墻等。

2 工程概況

擬建場地原始地貌為山前斜坡，狐尾山山前坡地地帶，場地實測孔口高程為6.04 ～9.21 m，高差3.17 m，地勢呈東北高西南低。建筑物設計室內地坪±0.00 m標高為7.20 m。擬建場地西側、南側目前為圍墻，距擬建建筑物最近為8 m，圍墻西南方向處有一公司，距基坑邊線最近為14.0 m。北側為該小區北區安置住宅部分，現有建筑物尚未拆遷完畢。東側為公路，道路邊線距擬建建筑物輪廓線最近約為15 m。擬建場地原為小區，目前尚未拆遷完畢，場地內埋藏有舊基礎，堆填大量的建筑垃圾，未發現通信電纜，管道，人防工程建筑、地下鐵道及其它地下埋設物。

根據本次勘察的地質資料，場地地基巖土自上而下主要由人工填土( 雜填土①1、塊石①2) ，粉質黏土②、淤泥③、殘積土( 殘積黏性土④、凝灰巖殘積黏性土④1) 和基巖( 全風化花崗巖⑤、全風化凝灰巖⑤1、強風化花崗巖⑥、強風化凝灰巖⑥1、強風化花崗巖⑦、強風化凝灰巖⑦1、中微風化花崗巖⑧、中微風化凝灰巖⑧1) 組成。場地內地下水類型主要為上層滯水及承壓水兩類。場地內地下水對混凝土結構無腐蝕性。各巖土層地基設計參數見下表1。

3 基坑支護選型

本場地基坑范圍詳見基坑總平面示意圖，按地下室底板標高－3.10 m考慮，基坑開挖深度9.14 ～12.31 m，沿西、南側基坑開挖邊線目前有磚砌圍墻，距西南角14.0 m處為一公司;北側為擬建的北區安置住宅部分地下室，與本工程地下室相連為一整體; 東側為公路。根據場地周邊環境條件，基坑側壁破壞后果，基坑開挖深度和場地工程、水文地質條件，本工程基坑工程安全等級，A—A 斷面為一級，其余斷面均為二級。

基坑分為A—A、B—B、B—H、J—J、I—I、H—H6個支護區段，如圖1 所示。由于場地穩定地下水位處于地下室基坑底以上，本工程進行建設時應進行降水，根據地下水埋藏條件，并結合該地區以往的工程經驗，基坑采用集水明排的方法降水，由于基坑周圍環境簡單，建筑稀少，加之該地區地基土因降水固結而產生的沉降量較小，不必設計設計止水結構，基坑開挖時，如基坑涌水量較大，可根據實際情況考慮在基坑周邊加一排輕型井點管輔助降水。根據國家有關規程、規范結合地區深基坑支護實踐經驗，目前用于10.00 m左右基坑支護的主要支護結構形式有: 地下連續墻、樁錨支護結構和土釘墻支護結構。對基坑支護等級為一級、變形要求比較嚴格的基坑，常采用地下連續墻、樁錨支護結構; 對于基坑支護結構等級為二級、變形要求不甚嚴格的基坑，常采用土釘墻支護結構。從施工難以程度和工程造價考慮，本工程不宜采用地下連續墻支護結構。本基坑工程的支護等級除A—A 斷面外均為二級，26 層辦公樓A—A 斷面附近有建筑物，對變形要求較高，為一級基坑，所以采用樁錨支護，根據已知地質情況，通過對基坑支護方案的選型和經濟比較，確定了以土釘墻和樁錨護壁為主的基坑。

表1 巖土層地基設計參數建議值表

樁錨支護在重要基坑支護工程中的應用非常廣泛，基坑側壁變形較小，穩定性好，且成功的實例很多，同時也積累了豐富的施工經驗。綜合考慮西南側可采用樁錨支護。其它各側對基坑變形要求不高，可采用土釘墻支護。土釘墻支護技術在該地區已比較成熟，其施工工藝簡便，采用人工洛陽鏟成孔技術工藝簡單，無噪音、無施工污水污染等環境危害，環衛條件良好; 可邊開挖邊施工，節約工期; 其造價也較低。綜合考察現場的周邊環境、道路及巖土組合等條件，為盡可能避免基坑開挖對周圍建筑物、道路的影響，經過細致分析、計算和方案比較，本工程支護方案選用下列形式: 整個基坑除了A—A 斷面采用土釘墻放坡+樁錨支護外，其余斷面均采用土釘墻支護。基坑內采用集水坑排除地下水。

本文以基坑西南側A—A 斷面支護設計計算為例進行研究。

4 基坑支護的設計計算

4.1 基坑支護的設計

基坑西南側A－A 斷面支護等級為二級，采用上部放坡+樁錨支護結構，基坑深10.03 m，根據該地段的地層狀況，并結合《建筑基坑工程技術規范》( JGJ120—99) 中的相關規定，可推出該斷面允許放坡開挖，其放坡高度可設計為4.5 m，坡度系數為0.8，為了安全起見，放坡段可加三道土釘。其中的鉆孔灌注樁直徑為1 000 mm，樁心距為2.0 m，樁頂標高為－4.5 m，樁底標高為－19.93 m，樁長為15.43 m，采用C 25混凝土，沿基坑A—A 斷面共布置59 根。設置二層錨桿，桿采用用Ⅱ級直徑25 mm，第一層錨桿設計標高為－4.6 m，水平間距2.0 m，長度為15.0 m，錨桿傾角為35 度;第二層錨桿與第一層錨桿的豎直距離為2.5 m，水平間距為2.0 m，長度15.0 m，傾角35°。灌入水泥凈漿，水灰比設計為0.5∶1。

4.2 支護結構設計計算

灌注樁樁徑1 000 mm，樁心距2 000 mm，首層錨桿豎向間距為100 mm，第二層錨桿與首層豎向間距為2.5 m，兩層錨桿 的 水 平 間 距 為2 m，傾 角 α = 35°，圈 梁 低 于 地面4.5 m。［6－8］

4.2.1 土壓力系數計算

開挖深度范圍內土體力學指標加權平均值:

為了保守起見，土壓力系數均用郎肯法計算，所以:

4.2.2 內力計算

用逐層開挖錨桿支撐力不變計算法計算。計算時，不考慮支護樁體與土體的摩擦作用，且不對主、被動土壓力系數進行調整，僅作為安全儲備處理。

首先求A 點所受的水平力RA( 如圖2) 。假設第一道錨桿已做完，第二道錨桿未做，必須挖深第二道錨桿以下0.5 m，即基坑開挖至3.0 m處。

對O1點彎矩總和為零:(3 +2.67) RA= M01

求B 點所受的水平力RB，在B 點處錨桿可以施工，但需求出水平力RB，如圖3 待B 點錨桿施工完以后將土開挖到基坑底面即9.93 m處。

求最大彎矩為了安全起見，采用簡支梁法計算

插入深度計算公式為:

4.3 土層錨桿設計

4.3.1 自由段長度的確定

土錨自由段長度Lf的確定，錨桿自由段長度≥5 m，且應超過潛在滑裂面1.5 m。

4.3.2 錨固段程度確定

鉆孔直徑d0為150 mm，因為采用二次注漿，所以錨固段直徑D 為1.5 d0= 0.15 ×1.5 = 0.225 m。

設第一道錨固段長度為8.0 m，地面超載的高度折算h1(105/20) m=5.3 m。

則錨固段中點埋深

剪切強度:

取Lm1=12m，則錨桿總長度為:

同樣地，設第二道錨固段為10 m:

取Lm2=14 m，可計算出錨桿總長度:

采用理正深基坑軟件電算得出的錨桿長為: L1=21 m，L2=19.5 m。由于力學參數和安全系數取值的差別，再加上滑裂面的假設不同，造成了計算結果的不同，為了安全起見，建議錨桿取兩者之間較長的。

4.4 樁錨支護的驗算

4.4.1 整體穩定性驗算采用瑞典條分法，運用理正深基坑軟件電算結果為:

Ks=1.261≥1.200，滿足規范要求。

4.4.2 基坑底部抗隆起驗算按地基承載力公式驗算方法，驗算公式如下:

式中: γ 為土的重度; q 為地面超載; Nc、Nq為地基承載力系數。

滿足規范要求( 見下圖4) 。

圖4 基坑底部抗隆起驗算圖

5 結 論

本文結合一具體深基坑工程。通過詳細了解和分析現場的環境及地質情況，根據以往成熟的工程實踐經驗，并考慮支護、止水、降水、監控、應急等工程狀況，從經濟合理結構安全的角度，提出了適合本工程特點的支護結構方案。并對該基坑的選型和設計計算過程進行了詳細分析研究。取得了良好的的效果，在類似的深基坑工程中具有較好的參考價值。

［1］王越. 淺談深基坑支護的技術分析［J］. 城市建設，2009 ( 32) :261－262.

［2］李新玲. 淺談深基坑支護的設計［J］. 科技資訊，2007(11) :82.

［3］張聚銀，毛志童. 深基坑支護結構分析與經濟性研究［J］. 甘肅科技，2009，25(5) :104－115.

［4］楊松. 深基坑支護結構分析與經濟性研究［J］. 城市建設，2010(28) :56－57.

［5］呂科驗. 試析復雜地層深基坑支護的設計和施工［J］. 建造技術，2009(5) :50－52.

［6］孫文懷. 基礎工程設計與地基處理［M］，北京: 中國建材工業出版社，1999.

［7］龔曉南，深基坑工程設計施工手冊［S］. 北京:中國建筑工業出版社，2001.

［8］盧延浩. 土力學［M］. 南京:河海大學出版社，2002.