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        內(nèi)撐式排樁支護結(jié)構(gòu)在深基坑工程中的應(yīng)用

        2020-06-16 08:16:26
        廣東土木與建筑 2020年6期
        關(guān)鍵詞:灌注樁深基坑土體

        顏 琦

        (佛山市房建集團有限公司 廣東佛山528000)

        近年來,建筑工程施工活動大大增多,一定程度上加大了深基坑支護質(zhì)量管理難度,有效應(yīng)用內(nèi)撐式排樁支護結(jié)構(gòu)能夠滿足工程質(zhì)量優(yōu)化需求。從長遠角度來看,探索內(nèi)撐式排樁支護結(jié)構(gòu)應(yīng)用策略具有迫切性和重要性,這對建筑業(yè)改革深化起到推動作用。

        1 工程基本介紹

        1.1 概況

        本工程位于佛山市同濟東路南側(cè)、朝安南路西側(cè)地塊,為由1幢32層辦公樓及1幢32層酒店組成的雙塔樓建筑綜合體[1]。建筑主體高度為165 m,為滿足功能需要設(shè)有裙樓3層、地下室2層。本工程整體基坑建設(shè)深度設(shè)定為11.3~12.5 m,基坑總面積約9 980 m2,周長達到480 m?;?xùn)|面為朝安南路,距基坑邊最近10.5 m;南面為簡易單層廠房(天然基礎(chǔ)),距基坑邊最近4.5 m;西面為村屋(錘擊灌注樁樁基礎(chǔ)),距基坑邊最近7.5 m;北面為同濟東路,距基坑邊最近13.0 m。

        1.2 地質(zhì)及水文情況

        地質(zhì)情況:深基坑工程地處沖積平原,根據(jù)地下土質(zhì)、周邊環(huán)境選擇適宜支護形式,以此起到加固作用。深基坑工程土層類型有3種,根據(jù)土層(人工填土層、沖填層、沖洪積層)分布情況合理調(diào)整內(nèi)撐式排樁支護結(jié)構(gòu)[2]。

        水文情況:經(jīng)鉆孔了解水位埋深最淺為90 cm,最深為150 cm;各鉆孔終孔后24 h 地下水位進行觀測,地下水位埋深最淺為80 cm,最深為140 cm;標(biāo)高為182~246 cm。水位埋深相對較淺,意味著結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。地下水類型多樣,且水量豐富,補給水源主要為降水和流水,所在場地第四系砂層連續(xù)分布。排泄方式以水分蒸發(fā)為主,推測雨季地下水位埋深為20~30 cm。場地內(nèi)地下水環(huán)境類型屬Ⅱ類,土層的透水性為A類[3]。

        1.3 工程特點

        本工程施工范圍較大,開挖深度為12 m,所以將其定義為大型深基坑工程項目,從上述地質(zhì)、水文情況分析可知,因工程建立在液化土層、軟弱土層之上,所以地基性質(zhì)較差,地基穩(wěn)固程度得不到可靠保證[4]。此外,擬建場地所在城市春季多雨、夏季高溫并伴有臺風(fēng),受亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候影響,施工環(huán)節(jié)流土(砂)現(xiàn)象會頻繁發(fā)生,且存在基坑底突涌情況。一定程度上加大了深基坑支護難度,對于支護團隊來說,要精心設(shè)計支護方案、合理調(diào)整支護結(jié)構(gòu)。

        2 基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計與驗算

        結(jié)合相關(guān)規(guī)定及工程實際選定排樁結(jié)合內(nèi)支撐支護結(jié)構(gòu),為真正發(fā)揮支護作用,確保深基坑施工活動安全化、高效化開展,配備止水帷幕[5]。下文通過支護結(jié)構(gòu)對比來確定實用性較強的基坑支護結(jié)構(gòu),借助理正軟件進行驗算。

        2.1 支護結(jié)構(gòu)對比

        對比樁型:深基坑工程支護樁型一般為兩種,第一種即借助三軸型鉆掘攪拌機對地基土與強化劑均勻攪拌,然后搭接施工單元,伺機插入鋼板而形成地下墻體的SMW 工法樁,具體工序即導(dǎo)溝開挖→導(dǎo)軌置入?標(biāo)志提醒?攪拌?補材?完工[6]。該樁型施工階段對周圍土體波動較小,且止水效果良好,部分鋼材能夠回收再利用,進而提高施工成本控制效率,一定程度上擴大施工企業(yè)利潤空間。其缺點為成樁阻力較大、結(jié)構(gòu)剛度偏弱。第二種即沖、鉆孔灌注樁,該樁型優(yōu)點為成樁限制條件較少,且機械設(shè)備具有較強通過力,能夠提高施工效率;缺點主要有施工時間較長、鉆孔環(huán)節(jié)易出現(xiàn)噪音污染及排漿環(huán)節(jié)控制不當(dāng)易產(chǎn)生環(huán)境污染。

        從深基坑工程實際施工情況考慮,擬建物對地基穩(wěn)固性提出較高要求,所以成樁條件約束相對要小,并支持深度挖掘。基于此,本工程選擇第二種支護樁型,確保深基坑高質(zhì)量、低風(fēng)險施工任務(wù)順利完成。

        2.2 止水帷幕選擇

        擬建物施工階段、投用階段存在滲水危險,除了優(yōu)選支護結(jié)構(gòu)外,還要做好防水、止水工作,這對地基承載力增強、涌土現(xiàn)象防控有重要意義。基于此,施工人員高度重視止水帷幔選用工作,為優(yōu)質(zhì)、高效施工助力。當(dāng)前水泥攪拌樁技術(shù)具有土質(zhì)適用性強、樁體強度大、環(huán)境污染小、止水效果良好、技術(shù)水平高等優(yōu)點,將其用于深基坑工程,能夠獲得綜合效益。由于本工程地質(zhì)、水文等條件具有獨特性,所以深基坑支護環(huán)節(jié)針對性制定支護方案,于鉆孔灌注樁間增置高壓旋噴樁,使內(nèi)撐式排樁支護結(jié)構(gòu)雙重止水作用全面發(fā)揮。高壓旋噴法應(yīng)用機理即流切割土體在高速作用下與水泥結(jié)合,最終形成止水效果絕佳的水泥加固體,真正滿足深基坑工程支護需要[7]。

        2.3 支護結(jié)構(gòu)設(shè)計

        基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計期間,設(shè)計人員保持認(rèn)真態(tài)度,結(jié)合樁體施工情況設(shè)計平面圖,以便為施工實踐提供指導(dǎo),如圖1所示。從精細(xì)化設(shè)計角度出發(fā),設(shè)計人員借助信息軟件準(zhǔn)確測繪各結(jié)構(gòu)尺寸,并直觀顯示支護結(jié)構(gòu)布局情況,如圖2所示。

        支護效果關(guān)鍵影響因素包括二重管高壓旋噴樁、鉆孔灌注樁以及三軸攪拌樁(硅酸鹽水泥P.042.5)三者的設(shè)計情況,其中,鉆孔灌注樁的樁芯混凝土強度等級為C30,配縱筋φ 12,螺旋箍筋φ 12,加強箍筋為φ 12。

        三軸攪拌樁:水灰比為(1.5~2.0)∶1;常規(guī)狀態(tài)下水泥摻入量及空孔處水泥滲入量分別為20%和5%。鉆孔灌注樁與高壓旋噴樁咬合形成厚度≥2 cm 防滲墻,基于此,基坑支護過程中,灌注樁與旋噴樁兩樁中心距=2 cm。

        圖1 樁體施工平面Fig.1 Construction Plan of Pile Body

        圖2 深基坑支護結(jié)構(gòu)尺寸及布局Fig.2 Size and Layout of Deep Foundation Pit Support Structure

        2.4 理正驗算

        為保證驗算結(jié)果的準(zhǔn)確性和全面性,本文借助理正深基坑軟件進行驗算,將驗算結(jié)果與相關(guān)規(guī)范(抗傾覆安全系數(shù)>1.800、坑底抗隆起安全系數(shù)>2.200)對比,如果驗算結(jié)果滿足規(guī)范要求,則說明上述設(shè)計具有可行性。理正驗算結(jié)果:排樁最大水平位移為0.194 8 cm,坑邊地表沉降最大值為0.2 cm<3 cm,整體穩(wěn)定安全系數(shù)為2.164,抗傾覆安全系數(shù)為7.754,坑底抗隆起安全系數(shù)為2.209。

        3 模型構(gòu)建及結(jié)果分析

        3.1 參數(shù)選擇

        工作人員認(rèn)真分析勘察報告,獲知截面基坑土體物理參數(shù),基坑影響范圍內(nèi)土層參數(shù)如表1 所示。根據(jù)等式計算選取,其中彈性模量用E表示。

        表1 截面基坑土體物理參數(shù)Tab.1 Physical Parameters of Foundation Pit Soil

        3.2 模型構(gòu)建

        從建模便捷度角度考慮,借助等效剛度法建立灌注樁排樁模型,公式如下:

        式中:D、h、t 分別為灌注樁直徑、等效后連墻寬度(0.685 m)、兩樁外間距。本工程主體結(jié)構(gòu)建模時,利用修正莫爾-庫倫模型,參照相關(guān)規(guī)范及基坑支護要求,構(gòu)建模型如圖3 所示。其中,模型中支護結(jié)構(gòu)長=214 m、寬=47 m、高=50 m。

        圖3 支護結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Model of Supporting Structure

        3.3 計算結(jié)果

        模擬計算方法選為MIDAS GTS∕NX,基于挖掘步驟來調(diào)整模型挖掘程序,為后續(xù)數(shù)值模擬奠定基礎(chǔ),最終得出相關(guān)計算結(jié)果。對于施工人員來說,能夠直觀獲取圖示信息(土體豎向位移、坑邊地表豎向位移分別如圖4、圖5 所示),進而掌握深基坑支護情況,通過參數(shù)重置來優(yōu)化內(nèi)撐式排樁支護效果,進而提高深基坑工程質(zhì)量[8]。

        圖4 土體豎向位移情況Fig.4 Vertical Displacement of Soil

        圖5 基坑坑邊地表豎向位移曲線Fig.5 Vertical Displacement Curve of Pit Side Surface

        分析圖4、圖5 可知,位移形狀呈“勺”形,開挖線路1、線路2、線路3的變化趨勢大體一致,以距坑邊距6.5 m 為界,距坑邊距為0.0~6.5 m 時,水平位移由0向-12.3 mm 變化;距坑邊距為6.5~50.0 m,水平位移變化情況即由-12.3 mm變?yōu)?7.3 mm。具體位置移動及位移曲線分別如圖6、圖7所示。

        圖6 土體水平位移情況Fig.6 Horizontal Displacement of Soil

        圖7 基坑水平位移曲線Fig.7 Horizontal Displacement Curve of Foundation Pit

        由圖6、圖7 可知,基坑土體水平位移最大值距離挖掘面較近,最大水平位移區(qū)間為14~15 mm[9]。圖中存在凸起現(xiàn)象,凸起處主要為淤泥夾沙土層。經(jīng)數(shù)值模擬可知,各位移數(shù)據(jù)較小,在要求的安全范圍內(nèi),固深基坑危險系數(shù)較低。

        4 質(zhì)量控制策略及效果

        4.1 策略

        首先,提升鉆孔灌注樁質(zhì)量。深基坑工程施工期間,施工人員要徹底清理孔徑,將樁端泥土、渣土集中處理,避免因雜質(zhì)清理不當(dāng)而降低工程質(zhì)量。清孔工作結(jié)束后,請第三方或通過內(nèi)部質(zhì)量檢測部門利用專用設(shè)備完成質(zhì)檢任務(wù),針對檢測結(jié)果和預(yù)測結(jié)果比較,據(jù)此分析測量工作效率,并將此項工作與負(fù)責(zé)人晉升、薪資相結(jié)合,以此調(diào)動責(zé)任主體積極性,避免清孔、測量等工作流于形式。接下來檢驗成槽效果,并妥善安裝鋼筋籠,根據(jù)既定工序逐項檢查,如果存在安全隱患,要盡快匯報給部門領(lǐng)導(dǎo),在原因分析的基礎(chǔ)上制定有效的應(yīng)急措施,將安全風(fēng)險縮小化,盡最大可能控制質(zhì)量問題引起的負(fù)面影響。

        其次,排樁與旋噴樁良好結(jié)合,這與地下連續(xù)墻防水功效有一定聯(lián)系,所以工作人員要掌握二者結(jié)合技巧,使止水作用全面發(fā)揮。在此期間,準(zhǔn)確定位樁位置,避免位置偏差超出安全范圍,其中,樁位允許偏差≤0.5 cm、成孔垂直度偏差<5%[10]。對于施工人員來說,要強化責(zé)任意識,參照質(zhì)量要求進行操作,并主動向經(jīng)驗豐富、專業(yè)能力較強的人員請教,全方面提升結(jié)合體質(zhì)量。

        最后,合理控制水泥漿摻入量。泥漿配置時,根據(jù)設(shè)計要求準(zhǔn)確控制材料用量,并動態(tài)觀察泥漿狀態(tài),一旦發(fā)現(xiàn)漿液離析等異常現(xiàn)象,及時記錄并向上級匯報。漿液泵送期間,做到均勻攪拌、連續(xù)攪拌,直到成樁直徑符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),以此提升泥漿性能,真正保證攪拌樁質(zhì)量。

        4.2 效果

        檢驗深基坑工程支護效果時,于基坑外圍布設(shè)觀測點,通過觀測點模擬來了解水平位移距離和沉降情況,對數(shù)值進行比較分析,根據(jù)對比結(jié)果得知實際支護情況,如圖8所示。

        圖8 實際測量值與數(shù)據(jù)模擬值對比Fig.8 Comparison of Actual Measured and Simulated Data Values

        觀察圖8 可知,深基坑挖掘期間,水平位移在2~12 mm 之間變化,這與內(nèi)撐式排樁支護結(jié)構(gòu)超穩(wěn)性及強適用性有一定聯(lián)系,所以基坑施工中、投用后無涌土現(xiàn)象。實際測量結(jié)果與模擬結(jié)果相近,意味著深基坑常態(tài)化,說明內(nèi)撐式排樁支護結(jié)構(gòu)在深基坑中具有良好的穩(wěn)固效果。隨后分階段測量,對比模擬值和實測值,如果位移變化幅度仍較小,那么意味著內(nèi)撐式排樁支護狀態(tài)良好,否則,要進行加固處理,將安全隱患及時排除,全面保證深基坑質(zhì)量。

        5 結(jié)語

        我國建筑業(yè)處于轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵階段,對于地下建筑工程來說,要想提升工程質(zhì)量,有效控制施工風(fēng)險,要高度重視基坑支護工作。結(jié)合工程所在地質(zhì)環(huán)境、施工需要合理設(shè)計支護結(jié)構(gòu)。內(nèi)撐式排樁支護結(jié)構(gòu)功用性日益增強,新支護結(jié)構(gòu)憑借低成本、操作便捷、安全可靠等優(yōu)點,應(yīng)用于深基坑施工活動中能有效控制施工風(fēng)險和提高施工效率。以后深基坑施工要求會不斷提高,所以施工人員要不斷改進施工工藝,探索內(nèi)撐式排樁支護結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制的有效路徑。

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