□文/劉建志 樊繼良 任彥華 劉秀風

天津地區(qū)固快合算在基坑支護設計中的應用

□文/劉建志 樊繼良 任彥華 劉秀風

基坑工程中支護結(jié)構側(cè)壓力的計算至關重要。闡述了支護結(jié)構上水土壓力的計算方法以及目前的應用情況。以天津地區(qū)實際工程案例為依托，分析比較了采用固結(jié)快剪水土合算所得支護結(jié)構的內(nèi)力及變形的分布情況。通過分析可知，采用固快合算進行基坑支護設計的工程均取得了較好的效果，進而說明在一定條件下可以采用固快合算進行基坑支護設計。

基坑工程；水土壓力；固快合算

天津市城市建設的發(fā)展，極大促進地下空間資源的開發(fā)和利用。在地下軌道交通、大型商場及車庫等的建設過程中，基坑工程的規(guī)模、深度及難度不斷刷新，同時基坑支護設計中的許多問題逐步凸現(xiàn)出來。其中，支護結(jié)構上的水土壓力計算得到越來越多的重視和討論[1～2]，它對支護結(jié)構內(nèi)力和變形的計算至關重要。本文通過對天津地區(qū)基坑工程的分析和比較，提出在一定條件下可以采用固快合算的方法計算支護結(jié)構上的側(cè)壓力。

1 支護結(jié)構上水土壓力計算方法

在基坑支護設計中，基坑開挖所影響的范圍內(nèi)存在地下水時，作用于圍護結(jié)構上的側(cè)壓力計算方法有水土分算和水土合算2種，水土分算一般采用固結(jié)快剪指標，水土合算一般采用直剪快剪指標。

國內(nèi)外專家普遍認為，對于透水性強的砂土和碎石土，孔隙水是完全連通的、可流動的，能夠有效傳遞靜水壓力。因此可以將水壓力和土壓力分開計算，即有效應力σ＇z將在擋土結(jié)構上產(chǎn)生土壓力，而孔隙水壓力是各向等壓的，故直接作用在擋土結(jié)構上，即所謂的水土分算原理。然而，由于很難準確測定土的有效應力強度指標c＇和φ＇，因此雖然水土分算的理論依據(jù)比較充分，概念比較清晰，但實際操作困難比較大，實際工程中多采用固結(jié)快剪指標進行計算。

水土合算一般適用于粘性土或粉土，關于粘性土和粉土的水土壓力計算，國內(nèi)外專家和學者尚無統(tǒng)一認識。從某種意義上講，水土合算可以分為“廣義”水土合算和“狹義”水土合算。狹義的“水土合算”通常只針對于超靜孔隙水壓力。由于在實際問題中，超靜水壓力一般難于確定，所以采用與實際應力路徑和排水條件相近的試驗確定強度指標[3]。雖然水土合算在邏輯推理上不夠嚴密，而且與土力學基本原理有一定沖突，但計算比較簡單，加上一定的經(jīng)驗修正，較接近實際情況。對于基坑深度范圍內(nèi)主要以粘性土為主的工程，多采用直剪快剪指標進行土壓力計算。

支護結(jié)構上的水土壓力受諸多因素的影響，比如土的微觀結(jié)構、土體的應力狀態(tài)和應力路徑、孔隙水壓力以及邊界條件等，各軟粘土地區(qū)根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗均對土壓力計算做出了相應的規(guī)定[4～10]。但總體而言都強調(diào)在具有可靠地區(qū)經(jīng)驗時，對粘性土甚至粉土作用在支護結(jié)構上的側(cè)壓力可按水土合算，地下水位以下取飽和重度并采用總應力固結(jié)不排水抗剪強度指標計算。

目前，天津市對于粘性土為主的土層，大多數(shù)計算采用直剪快剪指標合算計算土壓力；對于粉土或者砂土為主的土層，大多采用固結(jié)快剪指標分算計算土壓力。

2 固快合算工程實例分析

在一些項目中嘗試采用固結(jié)快剪指標、水土合算計算土壓力，經(jīng)實際開挖驗證，支護效果良好。不同的計算方法計算結(jié)果相差較大，尤其是支護體系的內(nèi)力，計算結(jié)果將直接影響到支護工程的經(jīng)濟性。據(jù)初步估算，不同的計算方法造價相差可達30%。以下將列舉濱海新區(qū)及市區(qū)具有代表性的基坑工程進行分析比較。

2.1 工程實例1

康居園-城市之光工程位于濱海新區(qū)，該工程基坑深度6.4 m，采用鉆孔灌注樁φ600 mm@900 mm+鋼筋混凝土圓環(huán)形支撐的支護形式。

該場地基坑深度范圍內(nèi)土層主要以淤泥質(zhì)粘土為主，見表1，深部主要為粉質(zhì)粘土。

表1 淤泥質(zhì)土層的物理力學指標

對變形影響較大的淤泥質(zhì)粘土為飽和軟粘土，含水量很高，粘粒含量極高，土中的水基本為結(jié)合水，不易從土中排出且土質(zhì)靈敏度較高，現(xiàn)場取樣時極易造成土體擾動，導致室內(nèi)試驗測得的抗剪強度指標與原狀土樣的強度值有一定的差別。從圖1可以看出，對于濱海新區(qū)軟粘土區(qū)域內(nèi)類似深度的基坑工程，采用固結(jié)快剪指標合算計算所得的支護樁的變形特征與實際觀測數(shù)據(jù)吻合較好。

圖1 工程實例1支護樁水平位移、彎矩及剪力對比分析

2.2 工程實例2

天津一中心醫(yī)院東方器官移植中心工程位于南開區(qū)復康路和紅旗路交口，基坑平面形狀近似為矩形，為2層地下結(jié)構，基坑深度約11.2 m。采用鉆孔灌注樁（φ800 mm@1 200 mm）+鋼筋混凝土對撐角撐的支護形式。場地內(nèi)土層主要為粉質(zhì)粘土，基坑底部的土層物理力學指標見表2。

表2 基坑底部的土層物理力學指標

該項目相比常規(guī)的2層地下基坑的工程，深度偏大，采用對撐及角撐的方式內(nèi)支撐具有較好的剛度，那么支護結(jié)構的變形主要是由于樁體的變形所引起的。從圖2可以看出，固結(jié)快剪指標水土合算情況下支護樁的水平位移與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)較為接近，固快分算所得的結(jié)果與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)相差較大，若通過加大樁體的剛度來控制基坑的變形則會造成較大的浪費。支護結(jié)構上的最大彎矩均出現(xiàn)在坑底以上2 m左右，最大剪力均出現(xiàn)在坑底附近；但最大彎矩相差近50%，最大剪力相差近60%。若采用水土分算進行設計，則支護樁內(nèi)的配筋須大量增加，支護造價會大幅提高。因此對于該項目來說采用固結(jié)快剪指標、水土合算是比較適宜的。

圖2 工程實例2支護樁水平位移、彎矩及剪力對比分析

2.3 工程實例3

津和榮2#地下工程位于和平區(qū)南市大街與清河大街交口處，基坑形狀近似矩形，基坑的整體深度約11.2 m?；又ёo采用退臺卸荷SMW工法樁（φ850 mm@1 200 mm內(nèi)插700 mm型鋼）+鋼筋混凝土環(huán)形支撐的形式。該場地上部土層主要為人工填土，下部土層以粉質(zhì)粘土為主，見表3。

表3 下部粉質(zhì)粘土的物理力學指標

支護樁采用SMW工法樁，其樁身剛度較灌注樁小。由于地表以下約10 m土層均為人工填土，原設計采用固快指標、水土分算無可厚非，其樁身的最大計算位移約35 mm，符合規(guī)范要求。然而實測位移與固快分算的計算結(jié)果差別較大，卻與固快合算的計算結(jié)果吻合的較好，見圖3。固快合算與固快分算及直快合算比較其最大彎矩分別相差66%和25%，最大剪力分別相差90%和28%。

圖3 工程實例3支護樁水平位移、彎矩及剪力對比分析

因此，對于支護樁剛度相對較小的SMW工法樁，在不考慮人工填土參數(shù)問題的因素下，固快合算相對于固快分算不失為一種更為經(jīng)濟的計算方法，不僅能夠保證支護結(jié)構及周邊環(huán)境的安全，而且能夠在一定程度上降低臨時支護費用。

2.4 工程實例4

衛(wèi)津南路西側(cè)地塊項目三期工程位于南開區(qū)衛(wèi)津南路西側(cè)，奧體中心東側(cè)，基坑形狀不規(guī)則，包括3棟主樓和整體2層地下車庫，基坑的整體深度約10.85 m。基坑支護采用鉆孔灌注樁（φ1 000 mm@1 200 mm）+鋼筋混凝土環(huán)梁支撐的支護形式。該場地淺部為人工填土，下部主要為粉質(zhì)粘土，坑底范圍內(nèi)粘性土的物理力學指標見表4。

表4 基坑涉及各土層物理力學指標

內(nèi)支撐系統(tǒng)為多圓環(huán)鋼筋混凝土支撐，內(nèi)支撐的傳力復雜，在一定程度上會影響支撐體系的整體剛度。從圖4可以看出，樁身最大水平位移僅為10 mm，遠小于固快合算、固快分算以及直快合算計算所得的結(jié)果。支護結(jié)構上的最大彎矩均出現(xiàn)在坑底以上1 m左右，最大剪力均出現(xiàn)在坑深約6 m附近；但固快合算與固快分算及直快合算比較其最大彎矩分別相差69%和14%，最大剪力分別相差68%和11%。

圖4 工程實例4支護樁水平位移、彎矩及剪力對比分析

3種計算方法最為接近實際結(jié)果的為固快合算和直快合算。在保證基坑整體穩(wěn)定及周邊環(huán)境安全的情況下，應該說，采用固結(jié)快剪指標、水土合算是一個非常成功的案例，即對于內(nèi)支撐體系比較復雜的基坑工程亦可嘗試用固結(jié)快剪指標水土合算的方法計算側(cè)壓力。

3 結(jié)論

以上案例分析表明，基坑支護設計中水土壓力計算方法的選擇以及計算指標的選用，對基坑支護結(jié)構的安全性及經(jīng)濟性有很大影響，但是總的原則應是盡可能與現(xiàn)場的實際受力狀況以及周邊的環(huán)境狀況相結(jié)合。通過對不同區(qū)域、不同擋土結(jié)構及不同內(nèi)支撐體系案例的分析比較可以發(fā)現(xiàn)，某些工程在特定條件下采用固快指標水、土合算計算支護樁（墻）側(cè)壓力是可行的。分析其原因可能包括以下幾方面。

1）對于市區(qū)正常沉積的土體絕大部分已完成自重固結(jié)，設計時應采用自重固結(jié)狀態(tài)下的抗剪強度指標。由于取土會造成土體的應力釋放以及程度不同的擾動，因此，嚴格來講，目前勘察報告提供的直剪快剪和固結(jié)快剪指標與原狀土相比均有誤差，該兩項指標均比原狀土總應力指標和有效應力指標低，導致無論采取水土合算還是水土分算都將使支護樁上的內(nèi)力偏大。

2）對于飽和粘性土及淤泥質(zhì)軟土，由于其粘粒含量很高，土顆粒比表面積較大，使粘性土顆粒具有較強的吸附能力，使土顆粒表面形成結(jié)合水膜，導致土顆粒間的水不是連通的或很難流動，使靜水壓力無法傳遞。因此，可不完全考慮作用于支護結(jié)構上靜水壓力。

3）采用固快指標水土合算計算側(cè)壓力可以平衡土體的應力釋放以及土樣擾動造成的抗剪強度指標下降引起的側(cè)壓力偏大問題。但不能盲目使用，必須對指標的合理性進行分析、判斷。

當然，對采用固快指標水土合算計算側(cè)壓力應有所選擇，可以這樣認為，對于周邊環(huán)境比較簡單的地下2層及以淺的深基坑可以采用固快指標、水土合算的方法進行基坑支護設計；對于3層地下及以深的深基坑，應根據(jù)基坑周邊的環(huán)境情況慎重采用。

[1]魏汝龍.深基坑開挖中土壓力計算[J].地基處理，1998，9（1）：3-15.

[2]陳愈炯，溫彥鋒.基坑支護結(jié)構上的水土壓力[J].巖土工程學報，1999，21（2）：139-143.

[3]李廣信.基坑支護結(jié)構上水土壓力的分算與合算[J].巖土工程學報，2000，22（3）：348-352.

[4]JGJ 120－2012，建筑基坑支護技術規(guī)程[S].

[5]DB 11/489—2007，北京建筑基坑支護技術規(guī)程[S].

[6]DB 2920—2000，巖土工程技術規(guī)范[S].

[7]SJG 05—2011，深圳地區(qū)建筑深基坑支護技術規(guī)范[S].

[8]GJB 02—98，廣州地區(qū)建筑基坑支護技術規(guī)定[S].

[9]WBJ-1—2001，武漢市深基坑工程設計文件編制規(guī)定（試行）[S].

[10]DG/TJ 08-61—2010，基坑工程技術規(guī)范[S].

□樊繼良、任彥華、劉秀風/天津市勘察院。

TU432

C

1008-3197（2013）04-26-04

10.3969/j.issn.1008-3197.2013.04.011

2013-03-04

劉建志/男，1984年出生，助理工程師，天津城建集團有限公司，從事工程技術管理工作。