水泥土擋墻與單排灌注樁組合支護(hù)的應(yīng)用

上海建工房產(chǎn)有限公司 上海 200080

0 引言

對于軟土地層中開挖深度不超過7 m的基坑，水泥土重力式圍護(hù)墻是一種常用的支護(hù)結(jié)構(gòu)類型，具有施工簡便、止水性能好等優(yōu)點(diǎn)；但其占用空間較大，位移控制能力較弱。當(dāng)基坑邊場地空間不足以施工常規(guī)的水泥土圍護(hù)墻時(shí)，往往不得不采用有內(nèi)支撐的板式圍護(hù)墻。這樣基坑安全性雖有保證，但可能大大增強(qiáng)了施工復(fù)雜性，增加了工期、費(fèi)用等投入[1,2]。

在水泥土重力式圍護(hù)墻內(nèi)插入單排鉆孔灌注樁，形成懸臂式組合支護(hù)結(jié)構(gòu)，是近幾年在工程實(shí)踐基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種經(jīng)濟(jì)、便利的基坑支護(hù)類型。它兼具了2種圍護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，對基坑變形控制能力大大優(yōu)于傳統(tǒng)水泥土圍護(hù)墻，并能在一定程度上減小圍護(hù)墻截面寬度。因而在遇到場地狹小的情況時(shí)，可考慮采用該支護(hù)結(jié)構(gòu)解決問題。

1 工程背景

1.1 概況

上海朱家角A3-1地塊項(xiàng)目47#商業(yè)樓有1層地下室，結(jié)構(gòu)類型為框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)類型為樁+承臺+筏板?；娱_挖深度為4.1 m，基坑面積約2 750 m2，周長約212 m?；颖眰?cè)和東側(cè)緊鄰市政道路，東側(cè)的規(guī)劃紅線距離商業(yè)樓基坑最小距離為3 m。東側(cè)道路下埋有多條市政管線，與基坑的最小距離5 m。

1.2 工程地質(zhì)概要

本項(xiàng)目場地原為農(nóng)田，屬于平原地貌類型。根據(jù)工程勘察報(bào)告，商業(yè)樓基坑工程主要土層從上往下為：①1素填土、①3浜填土、②2青灰色粉質(zhì)黏土、③灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、⑥1-1暗綠-草黃色粉質(zhì)黏土、⑥1-2草黃色粉質(zhì)黏土。

本場地對工程有影響的地下水屬潛水類型，主要補(bǔ)給來源為大氣降水和地表水，地下水位設(shè)計(jì)埋深取上海地區(qū)常年平均值，為0.5 m。

2 設(shè)計(jì)難點(diǎn)和對策

根據(jù)開挖深度和土層特征，一般可采用水泥土重力式圍護(hù)墻作為本基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)。但在基坑?xùn)|側(cè)，基坑邊線至紅線距離小于常規(guī)水泥土重力式圍護(hù)墻的設(shè)計(jì)寬度。如果在此部位采用板式支護(hù)體系，常見的是斜拋撐結(jié)合板樁圍護(hù)墻形式，其優(yōu)點(diǎn)是對于基坑安全有足夠保障，但缺點(diǎn)也很突出：施工流程較為繁瑣，施工時(shí)間長；制作（安裝）、拆除斜支撐不易；工程造價(jià)高。

因此借鑒目前工程界內(nèi)的一些研究理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，考慮采用在水泥土重力式圍護(hù)墻內(nèi)套打灌注樁而形成懸臂狀態(tài)的組合支護(hù)結(jié)構(gòu)，改變單純水泥土圍護(hù)墻的工作狀態(tài)。這樣既可減小圍護(hù)墻的寬度，以適應(yīng)場地空間條件，又避免了支撐體系的設(shè)置[3-5]。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 方案初定

先按基坑邊界空間尺寸初步布置組合支護(hù)結(jié)構(gòu)：

1）水泥土重力式圍護(hù)墻寬度暫按0.5倍開挖深度取，近似定為2.2 m，即4列水泥土攪拌樁。圍護(hù)墻不按常規(guī)方式做成格柵型，而是將相鄰水泥土攪拌樁都進(jìn)行搭接。圍護(hù)墻坑底以下深度按1.4倍挖深估算，近似定為6 m。

2）在水泥土圍護(hù)墻迎坑面的第1、2排攪拌樁內(nèi)布置鉆孔灌注樁排樁，樁徑初定為750 mm，樁間距900 mm。樁長初定為13 m。

3）組合支護(hù)結(jié)構(gòu)平面總長度約33.6 m，水泥土攪拌樁向兩端繼續(xù)延伸，與其他部位的水泥土重力墻銜接閉合。

4）為控制支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和增強(qiáng)基坑穩(wěn)定性，有必要對基坑內(nèi)被動土體進(jìn)行加固處理，從而提高被動區(qū)土體抗力。故在基坑內(nèi)設(shè)置裙邊加固區(qū)，寬度4.2 m，坑底以下深度5 m。

組合支護(hù)結(jié)構(gòu)平面和豎向布置如圖1、圖2所示。

圖1 組合支護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置

圖2 組合支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面

3.2 理論計(jì)算驗(yàn)證

采用Plaxis巖土工程軟件，對本工程組合支護(hù)結(jié)構(gòu)建模并進(jìn)行有限元法分析，以預(yù)先判明隨著施工的進(jìn)展，基坑、組合支護(hù)及周邊環(huán)境的變化趨勢，從而采取有效的控制措施。在有限元分析中，土體采用適用于基坑開挖的Hardening-Soil（硬化土）模型，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用線彈性模型。在參數(shù)方面考慮了3種應(yīng)變參數(shù)：主偏量加載引起的塑性應(yīng)變、主壓縮引起的塑性應(yīng)變以及彈性卸載-重加載的卸荷模量。模型邊界條件采用標(biāo)準(zhǔn)邊界，施工步驟按照擬定工況進(jìn)行計(jì)算（圖3）。

圖3 有限元網(wǎng)格模型示意

圖4、圖5為本基坑?xùn)|側(cè)組合支護(hù)區(qū)段的有限元計(jì)算結(jié)果。當(dāng)基坑開挖至基底時(shí)，組合支護(hù)頂部最大水平位移為25.8 mm，坑外地表最大沉降為21.2 mm，均在規(guī)范允許的變形控制范圍內(nèi)，表明在本基坑工程中采用組合支護(hù)的方案是穩(wěn)定可靠的。

圖4 開挖至基底時(shí)總變形云圖

圖5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移示意

此外，組合支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性、坑底抗隆起穩(wěn)定性、抗水平滑動穩(wěn)定性、抗?jié)B流穩(wěn)定性均參照現(xiàn)行規(guī)范中水泥土重力式圍護(hù)墻、懸臂板式支護(hù)體系的計(jì)算式進(jìn)行驗(yàn)算。其中對于整體穩(wěn)定性，參考目前工程界內(nèi)對此類支護(hù)結(jié)構(gòu)研究和實(shí)踐的成果，在灌注樁長度超出水泥土攪拌樁底端不多的情況下，仍認(rèn)為灌注樁底端為傾覆破壞轉(zhuǎn)動點(diǎn)，但將最小抗傾覆安全系數(shù)提高至1.4。經(jīng)計(jì)算，各個(gè)穩(wěn)定安全系數(shù)均大于允許值。

3.3 最終方案

經(jīng)計(jì)算驗(yàn)證，并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，最終認(rèn)可上述方案，并確定具體構(gòu)造及參數(shù)如下：

1）圍護(hù)墻水泥土攪拌樁：φ700 mm，相互搭接寬度200 mm。水泥摻量13%，采用P.O 42.5水泥，28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不低于0.8 MPa。

2）圍護(hù)墻頂部設(shè)厚200 mm鋼筋混凝土壓頂板，板內(nèi)配置φ8 mm＠200 mm×200 mm鋼筋網(wǎng)片。最外一排攪拌樁內(nèi)插入1排φ48 mm腳手架鋼管，深度為6 m，間距1 m。

3）鉆孔灌注樁排樁的混凝土強(qiáng)度等級為C30（水下混凝土提高一級)。根據(jù)軟件計(jì)算得到的內(nèi)力數(shù)據(jù)，按相關(guān)規(guī)范計(jì)算配筋，選定主筋為15φ25 mm，HRB400鋼筋；螺旋箍筋φ10 mm＠150 mm，HPB 300鋼筋。

4）排樁頂部設(shè)置通長鋼筋混凝土壓頂梁，截面尺寸為1 000 mm（寬）×700 mm（高），混凝土強(qiáng)度等級C30。

5）基坑內(nèi)的被動土體加固，采用格柵式φ700 mm＠500 mm雙軸水泥土攪拌樁，與水泥土圍護(hù)墻搭接200 mm。攪拌樁所用水泥參數(shù)同圍護(hù)墻。

4 施工技術(shù)要點(diǎn)

2種圍護(hù)樁的施工先后次序是：先施工雙軸水泥土攪拌樁，后套打鉆孔灌注樁，兩者間隔時(shí)間不小于48 h，不大于7 d。水泥土攪拌樁連續(xù)搭接施工，搭接時(shí)間不大于16 h；如果超過16 h，應(yīng)對最后一根樁先進(jìn)行空鉆留出榫頭以待下一批樁搭接；如超過24 h，須采取局部補(bǔ)樁或注漿措施。鋼管應(yīng)在水泥土攪拌樁成樁后16 h內(nèi)插入。鉆孔灌注樁間隔成樁，間隔時(shí)間不小于36 h。

水泥土攪拌樁和鉆孔灌注樁的施工工藝、質(zhì)量檢測要求，須符合國家和地方相關(guān)工程技術(shù)規(guī)范。土方開挖在支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和齡期達(dá)到設(shè)計(jì)要求后進(jìn)行。整個(gè)基坑分塊開挖，混凝土墊層在挖至坑底后24 h內(nèi)澆筑完成，并嚴(yán)格控制底板結(jié)構(gòu)施工時(shí)間。底板混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，在底板與圍護(hù)墻之間填補(bǔ)素混凝土，形成傳力帶。地下室頂板結(jié)構(gòu)施工完成后，外墻防水和回填工程施工前，先在頂板標(biāo)高處形成間隔式局部板塊換撐，盡早控制住周邊變形的發(fā)展?；舆叺孛娌欢演d重物、不布置重型設(shè)備。基坑附近的地下管道在基坑施工前開挖暴露出來，待地下室結(jié)構(gòu)完成后再回填覆蓋。

5 監(jiān)測

從基坑開挖至頂板局部換撐完成的過程中，進(jìn)行基坑及周邊環(huán)境變形的監(jiān)測工作。針對圍護(hù)墻及周邊環(huán)境，主要監(jiān)測內(nèi)容包括：圍護(hù)墻頂水平和豎向位移、深層土體水平位移、地下管線變形等。

監(jiān)測報(bào)警值：組合支護(hù)墻頂和土體變形日變化量±5 mm，累計(jì)變化量±40 mm。剛性管線沉降日變化量±3 mm，累計(jì)變化量±10 mm。

監(jiān)測頻率：從土方開挖至底板結(jié)構(gòu)澆筑完成的階段，每天1次；從底板完成后至地下室結(jié)構(gòu)完成為止，每周2～3次。

在圍護(hù)墻長邊的中點(diǎn)位置布置墻頂水平和豎向位移監(jiān)測點(diǎn)。圖6為圍護(hù)墻頂水平位移曲線。土方開挖及底板鋼筋、模板、防水工程用時(shí)約34 d。

可以看出，在底板混凝土澆筑前，墻頂變形較快，累計(jì)變形值較大；底板混凝土澆筑后，墻頂水平位移變化速率減小，逐漸趨于穩(wěn)定。墻頂水平位移累計(jì)值控制在40 mm以內(nèi)，小于報(bào)警值。深層土體水平位移監(jiān)測結(jié)果與圍護(hù)墻頂位移變化趨勢接近，最大位移值在30～40 mm之間。組合支護(hù)結(jié)構(gòu)止水性較好，外觀無裂縫。基坑外地面和管線處于安全狀態(tài)下。

圖6 圍護(hù)墻頂水平位移變化曲線

6 結(jié)語

在該項(xiàng)目中，采用組合支護(hù)結(jié)構(gòu)，達(dá)到了預(yù)期目的，取得安全、工期和造價(jià)三者綜合效益良好的效果。

工程實(shí)踐表明，在基坑變形控制要求不高的情況下，若開挖深度和土質(zhì)條件相同，采用上文所述組合懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)，相比采用單純水泥土攪拌樁形成的重力式圍護(hù)墻，可在一定程度上減小支護(hù)結(jié)構(gòu)截面寬度。對于一些退界距離不足，但深度又不大的基坑工程，可將該組合支護(hù)結(jié)構(gòu)作為一個(gè)備選方案進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)綜合分析評價(jià)，條件合適時(shí)可避免采用有支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，從而方便施工和更好地控制工期和造價(jià)。

但對于變形控制要求較高的基坑，采用該形式組合支護(hù)結(jié)構(gòu)則有較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。總的來說懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)控制水平變形的能力有限；如果支護(hù)結(jié)構(gòu)寬度被限制，整體安全儲備也可能富余不多。在目前尚未形成一套成熟、統(tǒng)一的理論設(shè)計(jì)依據(jù)的情形下，此類支護(hù)結(jié)構(gòu)僅可在一些特殊工況下作考慮[6-8]。