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        深厚軟土深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與實(shí)例分析

        2018-08-08 07:40:32吳燕泉
        關(guān)鍵詞:深度施工

        吳燕泉

        (福建省建筑科學(xué)研究院,福建 福州 350025)

        沿海地區(qū)以分布深厚軟土為主,深厚軟土具含水量高、孔隙比大、壓縮性高、滲透性差、抗剪強(qiáng)度低,觸變性及流變性強(qiáng)的特征,工程性能差,總體屬欠固結(jié)土,基坑施工過程中易產(chǎn)生排水固結(jié),導(dǎo)致周邊道路、建筑、管線等的破壞,對(duì)基坑開挖的穩(wěn)定存在不利影響。傳統(tǒng)的樁錨柔性支護(hù)形式和懸臂樁結(jié)合被動(dòng)區(qū)加固支護(hù)形式[1-2]在深厚軟土基坑中因變形過大,已不能滿足周邊環(huán)境對(duì)安全性的要求,樁撐支護(hù)形式[3]因支撐梁不利土方開挖,嚴(yán)重影響到施工工期。龍海某深厚軟土深基坑支護(hù)工程,場地軟土厚度約為基坑開挖深度的3倍,是為數(shù)不多的超深厚軟土深基坑。為此,為滿足工程安全需要,保障工程的順利完工,本研究采用SMW工法樁[4]+預(yù)應(yīng)力擴(kuò)孔錨索結(jié)合被動(dòng)區(qū)加固的支護(hù)形式,將預(yù)應(yīng)力擴(kuò)孔錨索柔性支護(hù)和被動(dòng)區(qū)加固綜合運(yùn)用在此工程中。

        1 工程概況

        龍海某深厚軟土基坑工程位于漳州龍海市榜山鎮(zhèn),設(shè)一層地下室,基坑開挖深度約6.8 m,基坑開挖邊線周長約526 m,面積約17 078 m2。場地東側(cè)距用地紅線約9.0 m,為民生小區(qū),臨近場地的是3棟18層框剪結(jié)構(gòu)的住宅樓,無地下室,基礎(chǔ)型式為樁基礎(chǔ);場地南側(cè)距用地紅線約10.0 m為1~2層磚混結(jié)構(gòu)的廠房及民宅,為淺基礎(chǔ),中間為渣土道路,寬約9.0 m;場地西側(cè)距用地紅線約60.0 m為龍海明發(fā)城市廣場(一期),主要為2~3層框架結(jié)構(gòu)的商業(yè)裙樓;靠近場地南側(cè)為1棟20層框剪結(jié)構(gòu)的寫字樓,為樁基礎(chǔ),中間為城市次干道,道路寬約30 m,雙向4車道,道路預(yù)埋地下管線基本涵蓋了市政的各種管線,埋深約0.5~4.0 m;場地北側(cè)距用地紅線約30.0 m為安置小區(qū),臨近場地的是2棟16層框剪結(jié)構(gòu)的居民住宅樓,基礎(chǔ)型式采用樁基礎(chǔ),中間為城市支路,寬約15.0 m,道路預(yù)埋地下管線主要為燃?xì)夤艿馈⒂晁?、污水管等,埋深約0.5~3.0 m。

        基坑開挖影響范圍內(nèi)土層從上到下依次為:(1)層雜填土,平均厚度為2.07 m;(2)層粉質(zhì)粘土,平均厚度為0.73 m;(3)層淤泥,平均厚度為17.89 m;(4)層粉質(zhì)粘土,平均厚度為2.80 m;(5)層中砂,平均厚度為2.97 m;(6)層卵石,平均厚度為15.16 m。各土層設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

        表1 基坑支護(hù)范圍內(nèi)巖土體物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil within foundation pit support

        2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)分析

        本基坑工程周邊環(huán)境復(fù)雜,基坑開挖影響范圍土層存在深厚軟土層,淤泥層平均厚度為17.89 m,局部達(dá)到了25 m。呈流塑狀態(tài),力學(xué)強(qiáng)度低,工程性能差。

        勘察期間測得各鉆孔初見地下水位埋深為2.40~5.30 m。各鉆孔終孔24 h后同一時(shí)間實(shí)測地下水混合穩(wěn)定水位埋深為3.00~5.90 m。依據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料,本場地地下水位年變化幅度約1~3 m,本場地歷史最高水位為4.50 m,近3~5年的最高水位為4.00 m。

        淤泥含水率平均值為61.1%,液限WL平均值為49.3%,塑限WP平均值為30.3%。淤泥具有較高的靈敏性和觸變性,當(dāng)受到外來因素的擾動(dòng)時(shí),土粒間的膠結(jié)物以及土粒、離子、水分子所組成的平衡體系受到破壞,土的強(qiáng)度降低,壓縮性增大,因此對(duì)淤泥的勘察取土試樣的要求非常高。淤泥長期固結(jié),隨著埋深的增加,淤泥的有效應(yīng)力逐漸加大,亦即土的抗剪強(qiáng)度逐漸增加。因此,很有必要在深厚軟土層進(jìn)行原位測試,對(duì)軟土層進(jìn)行分層分析。為此,本工程采用十字板剪切試驗(yàn)對(duì)淤泥進(jìn)一步以分層,以為基坑支護(hù)設(shè)計(jì)提供更切合實(shí)際的指標(biāo)。

        本工程采用50 mm×100 mm×2 mm 十字板探頭,選取場區(qū)3個(gè)孔進(jìn)行十字板剪切[5]試驗(yàn),試驗(yàn)成果如圖1。

        圖1 十字板剪切試驗(yàn)成果Fig.1 Results of vane shear test

        分別對(duì)試驗(yàn)區(qū)域上部淤泥層和中下部淤泥層原狀土及重塑土十字板剪切試驗(yàn)參數(shù)Cu進(jìn)行統(tǒng)計(jì),試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)見表2。

        表2 十字板剪切試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical results of vane shear test

        從表2可見,試驗(yàn)區(qū)域上部淤泥層原狀土不排水抗剪強(qiáng)度值為14.7 kPa,重塑土不排水抗剪強(qiáng)度值為2.6 kPa,靈敏度為5.7,為靈敏土;中下部淤泥層原狀土不排水抗剪強(qiáng)度值為23.0 kPa,重塑土不排水抗剪強(qiáng)度值為5.4 kPa,靈敏度為4.3,為靈敏土。一般認(rèn)為十字板測得的不排水抗剪強(qiáng)度是峰值強(qiáng)度,其值偏高。長期強(qiáng)度只有峰值強(qiáng)度的60%~70%。

        本工程因基坑面積較大,施工過程較長,故淤泥抗剪強(qiáng)度取十字板測得的不排水抗剪強(qiáng)度的70%為設(shè)計(jì)指標(biāo),并根據(jù)測得的淤泥抗剪強(qiáng)度曲線,將淤泥層劃分為上部和中下部兩部分,上部為從地面到埋深為10 m的淤泥,粘聚力c=8.7,內(nèi)摩擦角φ=2.9°;中下部為埋深10 m以下淤泥,c=10.7,φ=2.9°(φ根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得)。

        3 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)選型

        場地軟土深厚,場地面2 m以下至基坑坑底以下兩倍基坑深度均為軟土?;娱_挖深度范圍的土壓力大,坑底以下出現(xiàn)深層滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。故與JGJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》表3.3.2各類支護(hù)結(jié)構(gòu)的適用條件[6]進(jìn)行比較分析。

        1)放坡和土釘墻。放坡適用于三級(jí)基坑,土釘墻適用于二、三級(jí)基坑。坡頂需要非常大的放坡空間,土釘需要非常長的長度,支護(hù)作用僅體現(xiàn)在基坑開挖面范圍內(nèi),易出現(xiàn)坑底以下深層滑動(dòng)。

        2)重力式水泥土墻。此支護(hù)結(jié)構(gòu)適用于二級(jí)和三級(jí)基坑。滿足滑移穩(wěn)定性,需具備2個(gè)條件:一是水泥土墻底面下土層應(yīng)有較高的粘聚力和內(nèi)摩擦角;二是水泥土墻需要有足夠的自質(zhì)量。這就意味著需要較長的樁長,樁底應(yīng)進(jìn)入軟土下穩(wěn)定土層,并需要較厚的墻體,提供較大的自質(zhì)量。在側(cè)向土壓力作用下,背基坑一側(cè)受拉,臨基坑一側(cè)受壓,水泥土墻抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度不高,也需要較厚的墻體,需要非常高的成本和施工空間。

        3)逆作法和盆挖法。此支護(hù)法需要較精確的施工要求,土方開挖時(shí)相當(dāng)受限,需要增加較多的施工措施費(fèi),對(duì)施工提出了巨大挑戰(zhàn)。

        4)懸臂式結(jié)構(gòu)。此支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向土壓力較大,即使樁前被動(dòng)區(qū)加固后,坑頂?shù)淖冃我酂o法控制。

        5)雙排樁。雙排樁側(cè)向土壓力較大,樁前被動(dòng)區(qū)應(yīng)加固,樁端應(yīng)進(jìn)入軟土下穩(wěn)定土層,需要較大的施工空間。

        6)支撐式結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)側(cè)向土壓力較大,樁前被動(dòng)區(qū)應(yīng)加固,樁端應(yīng)進(jìn)入軟土下穩(wěn)定土層。樁頂約束采用內(nèi)支撐,安全風(fēng)險(xiǎn)低。但支撐體系應(yīng)具有統(tǒng)一性,基坑范圍內(nèi)應(yīng)有支撐梁,需在滿足拆撐條件時(shí)方可拆除,這會(huì)影響主體施工,給施工造成較大難度,從而影響施工工期。

        7)錨拉式結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)側(cè)向土壓力較大,樁前被動(dòng)區(qū)應(yīng)加固,樁端應(yīng)進(jìn)入軟土下穩(wěn)定土層。樁頂約束采用錨索,基坑內(nèi)施工靈活。軟土的錨桿極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值較小,需要采取一定的措施保證足夠的錨索拉力值。

        本基坑工程具有面積大、周長長和工期緊的特點(diǎn),故排除了支撐式結(jié)構(gòu)、逆作法和盆挖法;具有坑頂施工空間小和成本要求低的特點(diǎn),故排除了重力式水泥土墻和雙排樁。因此,本工程采用了錨拉式結(jié)構(gòu)[6],排樁采用工字型鋼,錨索采用預(yù)應(yīng)力擴(kuò)孔錨索,被動(dòng)區(qū)采用單軸水泥土攪拌樁,基坑開挖面止泥帷幕采用三軸水泥土攪拌樁,即采用SMW工法樁+預(yù)應(yīng)力擴(kuò)孔錨索結(jié)合被動(dòng)區(qū)加固的支護(hù)方案。

        4 設(shè)計(jì)計(jì)算

        4.1 支護(hù)剖面

        SMW工法樁+預(yù)應(yīng)力擴(kuò)孔錨索結(jié)合被動(dòng)區(qū)加固的支護(hù)剖面如圖2所示。

        圖 2支護(hù)形式剖面圖(單位:mm)Fig. 2 Section of foundation(unit:mm)

        SMW工法樁采用型鋼作為水平受力結(jié)構(gòu),水泥土攪拌樁為止泥帷幕。擴(kuò)孔錨索采用普通鉆機(jī)引孔,通過高壓旋噴在擴(kuò)孔段進(jìn)行高壓注漿形成較大直徑錨固體,高壓泵泵壓不少于15 MPa,擴(kuò)孔后其錨固體直徑不少于400 mm。支護(hù)結(jié)構(gòu)采用理正深基坑F-SPW 7.0進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,被動(dòng)區(qū)土體加固深度和寬度在迭代計(jì)算中確定,加固體深度以到計(jì)算零點(diǎn)為準(zhǔn),加固寬度以坑頂要求的變形控制為準(zhǔn)。

        4.2 被動(dòng)區(qū)土體

        被動(dòng)區(qū)土體參數(shù)指標(biāo)是設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果正確的關(guān)鍵。被動(dòng)區(qū)水泥土攪拌樁的搭接寬度不宜小于150 mm,28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不宜小于0.8 MPa。為節(jié)約投資,一般可采用格柵形式布置,格柵的面積置換率在軟土中不宜小于0.7~0.8,格柵內(nèi)側(cè)的長寬比不宜大于2,每個(gè)格柵內(nèi)的土體面積應(yīng)符合JGJ 120-2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》公式6.2.3的要求[6]。

        被動(dòng)區(qū)土體的計(jì)算參數(shù)可采用復(fù)合參數(shù)法[7],取φsp≈φs,Csp=(1-αs)ηCs+αsCp。其中,φsp、Csp為土與加固體復(fù)合抗剪強(qiáng)度指標(biāo);φs、Cs為土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo);Cp為加固體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo);η為土的強(qiáng)度折減系數(shù),一般取η=0.3~0.6;αs為坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)(局部)加固體置換率。則Cp=(0.2~0.3)qu,其中qu為28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

        加固深度一般小于圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入深度,由以往經(jīng)驗(yàn)可知,加固深度達(dá)到圍護(hù)樁計(jì)算零點(diǎn)則可滿足設(shè)計(jì)要求。故有

        其中:a、b、h0分別為加固寬度、范圍和深度;L為相鄰兩加固體的中心距;hp為支護(hù)樁插入深度;φs為土的內(nèi)摩擦角。

        本工程被動(dòng)區(qū)主要設(shè)置于中下部淤泥層中,通過迭代計(jì)算,被動(dòng)區(qū)土體的深度為6 m,寬度為4.6 m,采用格柵式布置,3 m為一單元。計(jì)算參數(shù)采用復(fù)合參數(shù)法,取:

        φsp≈2.9°,

        5 計(jì)算結(jié)果與實(shí)測對(duì)比分析

        圖3 深層水平位移對(duì)比Fig.3 Comparison of deep horizontal displacement

        目前,基坑已經(jīng)順利開挖至坑底。開挖至坑底時(shí)的深層水平位移的計(jì)算值(理論值)和現(xiàn)場實(shí)測值的對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

        由圖3可見,計(jì)算結(jié)果的樁頂位移為16.81 mm,深層水平最大位移出現(xiàn)在深度約6.5 m位置,最大位移值為46.27 mm;實(shí)測數(shù)據(jù)的樁頂位移為24.3 mm,深層水平最大位移出現(xiàn)在深度約6 .5 m位置(同理論計(jì)算結(jié)果),最大位移值為41.8 mm。理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)測值的深層水平位移曲線均為“大肚子”形狀,最大值位置大致相同,深度約6.5 m位置,即基坑開挖坑底處。出現(xiàn)該情況的原因是支護(hù)為柔性結(jié)構(gòu),樁頂有錨索約束,樁頂位移得到了約束。

        基坑開挖深度范圍無約束,坑底以下軟弱土層側(cè)向約束小,在主動(dòng)土壓力作用下會(huì)發(fā)生坑內(nèi)變形。兩倍基坑深度以下,計(jì)算結(jié)果和實(shí)測值有所偏差?;谠O(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),之所以出現(xiàn)該情況,一是因?yàn)閷?shí)測時(shí)測斜管底端是相對(duì)固定不動(dòng)的;二是因?yàn)樵诶碚撚?jì)算時(shí),土體抗剪強(qiáng)度較小,樁端仍然有向基坑內(nèi)移動(dòng)的趨勢(shì)。為保證基坑的安全,再加上施工條件的限制,本研究未進(jìn)行剖面比較,這有待于條件具備時(shí)采用多種實(shí)際深度加以驗(yàn)證。

        可見,實(shí)測值和計(jì)算結(jié)果兩倍基坑深度范圍內(nèi)的深層土體水平位移是基本吻合的,滿足了工程對(duì)變形控制的要求,驗(yàn)證了加固區(qū)土體參數(shù)選取的合理性。

        6 結(jié)論

        通過SMW工法樁+預(yù)應(yīng)力擴(kuò)孔錨索結(jié)合被動(dòng)區(qū)加固的支護(hù)方案在深厚軟土深基坑工程中順利實(shí)施的案例,并結(jié)合計(jì)算結(jié)果和實(shí)測分析可得:(1)對(duì)于深厚軟土深基坑,樁錨支護(hù)方案是可行的。在保證基坑安全的同時(shí),施工靈活,縮短工期?;娱_挖工程中,因坑內(nèi)無支撐梁等障礙,施工工期得到了保證;因施加預(yù)應(yīng)力擴(kuò)孔錨索和被動(dòng)區(qū)加固,基坑變形得到了有效的控制,保證了基坑的安全。同時(shí),采用此方案靈活了施工,并縮短了工期。(2)在深厚軟土層中,有效應(yīng)力隨深度加深而加大,抗剪強(qiáng)度隨深度加深而加大,可通過現(xiàn)場原位試驗(yàn)將土層進(jìn)行分層,獲取更符合實(shí)際的設(shè)計(jì)指標(biāo)。(3)被動(dòng)區(qū)土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)通過參數(shù)復(fù)合法計(jì)算是合理的。(4)深層水平位移曲線呈“大肚子”形狀,位移最大位置約處于坑底標(biāo)高處。

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