楊 堅(jiān)
(廣州珠江外資建筑設(shè)計(jì)院有限公司 廣州 510060)
基坑工程[1]在建筑行業(yè)內(nèi)屬于高風(fēng)險的領(lǐng)域。同時它也是一個系統(tǒng)性的工程,涉及土力學(xué)、工程力學(xué)等自然學(xué)科,混凝土結(jié)構(gòu)[2]、組合結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)[3]等工程學(xué)科,以及施工管理、工法的方方面面。
以工程實(shí)例為背景,引入了一種剛度調(diào)平的方法,優(yōu)化基坑支護(hù)設(shè)計(jì),在保護(hù)建筑周邊環(huán)境不受危害的同時,縮短了基坑施工周期,也降低了基坑的整體造價。
某項(xiàng)目位于廣州市海珠區(qū),總建設(shè)用地面積5 039 m2,可建設(shè)用地面積 2 964 m2?;用娣e為2 478 m2,短邊 44.20 m,長邊 57.60 m,周長為 200 m,±0.00 m 相對于絕對標(biāo)高8.45 m,施工期間自然地面平整至7.45 m。底板面標(biāo)高為-9.16 m,底板厚0.50 m。塔樓部分采用筏板基礎(chǔ),基坑普遍開挖深度為8.76 m,局部深度達(dá)11.06 m 及12.50 m。
場地內(nèi)周邊環(huán)境平坦開闊?;颖眰?cè)為1 棟6 層住宅樓,住宅樓距基坑邊約6~8 m;基坑?xùn)|側(cè)為規(guī)劃路;基坑南側(cè)為市政路,有市政給水管、污水管及電信光纖通過,基坑邊距最近居民樓約20 m;西側(cè)基坑為市政道路,有市政給水管、煤氣管及電力管通過,2 棟33 層住宅樓距基坑邊約16~25 m(見圖1)。
圖1 場地區(qū)位Fig.1 Site Location
場地屬珠江三角洲沖積平原地貌單元。場區(qū)地形平坦開闊,自然地面高程7.63~8.05 m。
場區(qū)內(nèi)覆蓋層自上而下依次為:雜填土、淤泥、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。
場地北側(cè)距離珠江約500 m,水力聯(lián)系密切。地下水主要為第四系孔隙水及風(fēng)化裂隙水。本場地含水層分布連續(xù),總厚度變化不大,水量較大,為弱~中等透水層。綜合判定為Ⅱ類場地環(huán)境,B 類滲透性地層。土層主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。
表1 土層主要物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of Soil Layer
場地整體而言,南區(qū)相對北區(qū)較差,西區(qū)相對東區(qū)較差,如圖2所示。
圖2 工程地質(zhì)剖面Fig.2 Engineering Geological Section
按《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》[4],本項(xiàng)目基坑安全等級為一級。適用于安全一級基坑的結(jié)構(gòu)類型主要為支擋式結(jié)構(gòu):錨拉式結(jié)構(gòu)[5]、支撐式結(jié)構(gòu)、懸臂式結(jié)構(gòu)、雙排樁。由于本工程開挖深度接近10 m,采用懸臂式結(jié)構(gòu)及雙排樁顯然不合理。因此本基坑結(jié)構(gòu)類型選擇集中在:錨拉式結(jié)構(gòu)、支撐式結(jié)構(gòu)之間比選。
由于場地存在較厚的淤泥層、軟塑粉質(zhì)黏土層,錨拉式結(jié)構(gòu)的錨桿性能發(fā)揮效率較低;且基坑北側(cè)為一棟6 層住宅樓、西側(cè)有2 棟33 層住宅樓距基坑邊約16~25 m。采用錨拉式結(jié)構(gòu)會影響到周邊建筑的基礎(chǔ),存在較大風(fēng)險。
采用支撐式結(jié)構(gòu)可以直接平衡兩端圍護(hù)結(jié)構(gòu)上所受的水土壓力,構(gòu)造簡單,受力明確,有效地控制基坑變形。不過基坑內(nèi)部存在支撐結(jié)構(gòu),不利于大規(guī)模的機(jī)械化開挖,施工工期較長。
本項(xiàng)目由于外部條件的限制不能采用錨桿支護(hù),后續(xù)工作重點(diǎn)是排樁+內(nèi)支撐[6]體系的優(yōu)化分析。
結(jié)合地質(zhì)條件和開挖深度,基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)可以考慮旋挖樁、地下連續(xù)墻[7],SMW 工法樁[8]、預(yù)制管樁[9,10]。
旋挖樁樁徑選擇較多,工藝成熟,剛度較大,施工速度較快,與主體結(jié)構(gòu)關(guān)系??;地下連續(xù)墻有良好的抗?jié)B能力,剛度大、整體性好,基坑開挖過程中安全性高,但造價偏高,前期需結(jié)合主體設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)周期較長且相對較難把握;SMW工法樁是將H 型鋼插入三軸攪拌樁中,形成可擋土止水的圍護(hù)結(jié)構(gòu),但本身剛度較小,對周邊環(huán)境影響較大;預(yù)應(yīng)力管樁工藝成熟,施工周期短,但在城區(qū)施工僅限靜壓法,擠土效應(yīng)明顯,且管樁不能穿透強(qiáng)風(fēng)化巖層,嵌固樁長受限。
結(jié)合包括工期、造價在內(nèi)的各方面因素,本項(xiàng)目選定采用旋挖樁。
本項(xiàng)目采用雙軸攪拌樁止水。攪拌樁直徑為550mm,攪拌樁中心距400 mm,采用四噴四攪的施工方法。
結(jié)合上述比選分析,擬定采用旋挖樁(排樁)+內(nèi)支撐的基坑支護(hù)方案(見圖3)。方案傳力途徑直接明確,通過滿足一定嵌固深度,樁間距、樁徑的旋挖樁,平面內(nèi)合理布置的鋼筋混凝土支撐(對撐、角撐),通過具備一定剛度的冠梁、腰梁連接一個剛度很大的結(jié)構(gòu)體系。
圖3 排樁+內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)典型剖面Fig.3 Pile Wall and Strut Structural Typical Section
在周邊環(huán)境超載情況及場地條件一定的前提下,排樁+內(nèi)支撐的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)可以近似地按經(jīng)典的結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)。
在基坑設(shè)計(jì)引入剛度調(diào)平方法:根據(jù)基坑深度、平面形狀、周邊超載、場地地質(zhì)情況的變化需求,分區(qū)域設(shè)計(jì)了不同截面的支撐、不同樁徑樁間距的排樁。通過進(jìn)行多方案比較、反復(fù)計(jì)算以及優(yōu)化構(gòu)造等方面的把控,得出安全、經(jīng)濟(jì)、合理的方案。
方案1 按常規(guī)做法布置了φ1 000@1 200 灌注樁+2 道混凝土內(nèi)支撐的支護(hù)方案(見圖4)?;邮芰鶆蜃冃渭皹?gòu)件內(nèi)力均較小,可見基坑整體的剛度較大,有一定的富余度。但沿基坑深度設(shè)置了2 道內(nèi)撐,層間凈空較小影響挖掘機(jī)械進(jìn)出,出土較慢?;拥某杀据^高、施工周期長。
圖4 方案1 基坑平面布置Fig.4 Excavation Layout of the Plan 1
在方案1 的基礎(chǔ)上,為降低基坑成本、縮短施工周期,取消了腰梁及第2 道支撐(見圖5)。
圖5 方案1、方案2 基坑剖面對比Fig.5 Section Comparison of Excavations
但場地南區(qū)地質(zhì)條件較差,基坑南部、中部變形超過限值,局部基坑的剛度不足。為滿足支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度需求,將基坑南部(PA 段-AD 段-AF 段)的支護(hù)樁加強(qiáng)為φ1 200@1 400,同時增大該部分樁的入巖深度,加強(qiáng)對撐(MN 段、FG 段加設(shè)八字撐)(見圖6)。
圖6 方案2 基坑平面布置Fig.6 Excavation Layout of the Plan 2
方案2 可以滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)的各方面要求。但按施工單位的需求:車輛出入口設(shè)置在場地的西南角,同時取消對撐,讓施工車輛通過坡道直接到達(dá)坑底。這樣可大大縮短土方運(yùn)輸?shù)臅r間。
取消中間對撐,必然導(dǎo)致基坑中部剛度下降,如何調(diào)整基坑各構(gòu)件的剛度滿足這種需求,便成為其中難點(diǎn)。設(shè)計(jì)通過調(diào)整支護(hù)結(jié)構(gòu)的尺寸剛度,在方案2的基礎(chǔ)上:將基坑中部(LP 段、MH 段)的支護(hù)樁加強(qiáng)為φ1 200@1 400,同時增大該部分樁的入巖深度。將基坑四角的角撐設(shè)置為板撐,加強(qiáng)基坑角撐剛度,為支護(hù)樁和冠梁提供有力支撐;根據(jù)剛度需求,將LP段、FH 段冠梁截面加強(qiáng)至1 800 mm×1 000 mm。通過這一系列調(diào)整剛度措施,設(shè)計(jì)滿足規(guī)范、施工等各方面需求的實(shí)施方案(見圖7、圖8)。
圖7 實(shí)施方案基坑平面布置Fig.7 Implementation Plan of the Excavation
圖8 實(shí)施方案基坑典型剖面Fig.8 Implementation Plan Profile of the Excavation
考慮到項(xiàng)目場地用地緊張,基坑四角的角撐采用水平剛度更大的板撐,加強(qiáng)支撐剛度的同時,設(shè)計(jì)亦考慮了水平堆載豎向荷載,為鋼筋等建筑材料提供了場地便利。
場地平整、施工地坪硬化后,進(jìn)行止水樁、圍護(hù)樁、立柱樁施工。
坑內(nèi)采用輕型井點(diǎn)降水;開挖土方至第1 道支撐梁底下0.3 m,施工冠梁及第1 道支撐,待第1 道腰梁強(qiáng)度達(dá)到70%后,開挖土方至基坑底,施工基礎(chǔ)、底板及負(fù)1 層樓板,待樓板達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%后,拆除第1 道支撐:施工地下室頂板。
基坑的安全等級為一級,基坑側(cè)壁的重要性系數(shù)取1.1;地面超載取20 kPa,西側(cè)出土口處取40 kPa,南側(cè)地面超載取60 kPa;地下水位基坑外側(cè)取地面以下2 m,基坑內(nèi)側(cè)取開挖面以下1.0 m;計(jì)算軟件采用理正深基坑計(jì)算軟件。
設(shè)計(jì)同時采用了單元法和整體計(jì)算進(jìn)行計(jì)算分析。單元法基坑設(shè)計(jì)的主要計(jì)算數(shù)據(jù)如表2、圖9所示。
表2 各剖面支護(hù)計(jì)算結(jié)果匯總Tab.2 Summary of Calculation Results
圖9 變形內(nèi)力包絡(luò)圖Fig.9 Deformation Internal Force Envelope Diagram
從單元法計(jì)算結(jié)果來看,基坑圍護(hù)構(gòu)件的變形,內(nèi)力,基坑整體穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定性、抗隆起等方面均符合規(guī)范要求。而基坑整體計(jì)算有限元分析各方面的結(jié)果(見圖10)均與單元法設(shè)計(jì)結(jié)果吻合,驗(yàn)證了2 個計(jì)算方法的合理性。本項(xiàng)目基坑最大計(jì)算位移20.60 mm,樁身計(jì)算彎矩分別小于樁身抵抗彎矩,冠梁、支撐體系受力亦符合規(guī)范要求。
合理的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能有效地控制基坑及周邊建筑物的沉降,保證基坑的安全,同時可很好地節(jié)約工程造價,縮短施工周期。
圖10 整體計(jì)算基坑變形Fig.10 Overall Calculation of Foundation Pit Deformation
在項(xiàng)目施工過程中,按設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范的要求,對基坑及周邊進(jìn)行觀測,為信息化施工提供基礎(chǔ)參數(shù)。在整個施工過程中,坑頂水平、垂直位移,深層水平位移(測斜),周邊建構(gòu)筑物、周邊道路沉降、傾斜,支撐軸力,地下水位值均未超過報警值(見圖11)?;又ёo(hù)效果良好,滿足設(shè)計(jì)要求,項(xiàng)目現(xiàn)已通過主體驗(yàn)收。
圖11 實(shí)測水平位移曲線圖Fig.11 Measured Horizontal Displacement Curve
一種剛度調(diào)平方法靈活運(yùn)用在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)方案選型和設(shè)計(jì)計(jì)算的過程中,改善了基坑設(shè)計(jì)中構(gòu)件剛度單一化的情況。實(shí)施項(xiàng)目基坑整體受力均勻,變形合理的同時節(jié)省了工程造價和縮短了施工周期,為今后類似工程提供了一定的借鑒和參考。