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        豎向斜撐在軟土基坑支護(hù)中的應(yīng)用

        2022-06-30 03:20:34姬忠凱JIZhongkai王輝WANGHui
        價值工程 2022年20期
        關(guān)鍵詞:盆式坑底工法

        姬忠凱 JI Zhong-kai;王輝 WANG Hui

        (中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司,天津 300074)

        0 引言

        豎向斜撐體系一般由斜撐、壓頂圈梁和斜撐基礎(chǔ)等構(gòu)件組成。當(dāng)基坑工程的面積大而且開挖深度在6m左右時,如采用常規(guī)的按整個基坑平面布置的水平支撐,支撐和立柱的工程量將十分巨大,而且施工工期長,中心島結(jié)合豎向斜撐的圍護(hù)設(shè)計方案可有效的解決此難題,其具體施工流程為:基坑工程首先在基坑中部放坡盆式開挖,形成中心島盆式工況,依靠基坑周邊的盆邊留土為圍護(hù)體提供足夠的被動土壓力,其后在完成中部基礎(chǔ)底板之后,再利用中部已澆筑形成并達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的基礎(chǔ)底板作為支撐基礎(chǔ),設(shè)置豎向斜撐,支撐基坑周邊的圍護(hù)體,最后挖除周邊盆邊留土,澆筑形成周邊的基礎(chǔ)底板,在地下結(jié)構(gòu)整體形成之后,基坑周邊密實(shí)回填,再拆除豎向斜撐[1]。對于此類基坑的相關(guān)研究文獻(xiàn)較少,鄭剛在天津?yàn)I海某基坑支護(hù)中采用豎向斜撐對水泥攪拌樁重力式擋土墻進(jìn)行加固取得了良好的效果,不僅提高了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的抗傾覆可靠性,而且降低造價[2];簡浩等根據(jù)上海地區(qū)基坑設(shè)計提出一種新的斜撐基礎(chǔ)設(shè)計方法,對斜撐基礎(chǔ)的設(shè)計具有一定的借鑒作用[3];郭學(xué)偉等在天津某工程采用鋼斜撐在兩級灌注樁間增加側(cè)向剛度,降低了施工成本,提高了施工效益[4]。結(jié)合豎向斜撐在我國東南沿海地區(qū)某軟土基坑的應(yīng)用情況,并詳細(xì)介紹基坑支護(hù)設(shè)計算,對大面積軟土基坑支護(hù)設(shè)計具有一定的借鑒作用。

        1 工程概況

        某污水處理廠生物池位于東南沿海地區(qū),地下為生物池,地上為停車場?;娱L226.1m、寬84.6m,基坑開挖深度為6.25m~6.75m,為本地區(qū)較為大型的軟土基坑。基坑周邊環(huán)境簡單。場地西側(cè)距廠區(qū)道路12m,其余各側(cè)均為現(xiàn)狀空地。

        2 工程水文地質(zhì)條件

        2.1 工程地質(zhì)條件

        基坑開挖影響深度范圍內(nèi)各層地基土土性特征及分布規(guī)律自上而下及物理性質(zhì)指標(biāo)如下:

        ①層雜填土:雜色,松散,濕。主要以粘性土、建筑垃圾、碎石為主的雜填土,局部為素填土,場地內(nèi)均有分布。

        ②層粉質(zhì)粘土:灰黃色,軟塑~可塑,飽和,含鐵錳質(zhì)斑點(diǎn),稍有光澤,無搖振反應(yīng),干強(qiáng)度中等,韌性中等,工程性質(zhì)一般,場地局部缺失。

        ③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉土:灰色,軟塑~流塑,含有機(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)等,局部夾粉土。稍有光澤,無搖振反應(yīng),干強(qiáng)度中等,韌性中等,工程性質(zhì)差,場地內(nèi)均有分布。

        ③a層粘質(zhì)粉土:灰色,松散。干強(qiáng)度低,韌性無,光澤無,搖振反應(yīng)迅速,屬中等偏高壓縮性土。該層于場地內(nèi)局部缺失。

        ⑥3a層砂質(zhì)粉土:灰色,中密,局部密實(shí),濕,含大量云母和貝殼殘片、少量有機(jī)質(zhì)等,干強(qiáng)度低,韌性無,光澤無,搖振反應(yīng)迅速,土質(zhì)不均勻,屬中等壓縮性土。該層于場地內(nèi)局部缺失。

        2.2 水文地質(zhì)條件

        場地淺部地下水類型屬孔隙潛水,孔隙潛水主要分布在①、②、③、③a層土中,富水性中等,補(bǔ)給來源主要為大氣降水和地表水入滲,水位變化主要受大氣降水、附近河流和微地貌控制,排泄以蒸發(fā)和側(cè)向徑流為主。水位呈季節(jié)性變化,水位年變幅0.50m~1.00m。

        3 基坑支護(hù)設(shè)計

        3.1 基坑支護(hù)方案對比

        針對本工程的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、深度及環(huán)境條件等綜合考慮,有以下幾種方案可以考慮:

        ①SMW工法樁+坑底加固+豎向斜撐:該方案工藝成熟,在本工程一期工程中應(yīng)用,效果較好,在擋土和止水方面均有保證,可靠度高。該方案對周圍環(huán)境影響相對較大,但造價較低。

        表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

        ②SMW工法樁+坑底加固+水平鋼管支撐:該方案施工工藝成熟,在工程實(shí)際中應(yīng)用廣泛,對本工程而言,支護(hù)結(jié)構(gòu)的樁身強(qiáng)度、穩(wěn)定及變形可以保證,圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相對獨(dú)立。在成樁時不存在擠土問題,材料運(yùn)輸及排污也比較方便,同時也可以起到止水的作用。但取土空間受限,不易于施工,且本工程基坑寬度較大,鋼管穩(wěn)定性存在一定風(fēng)險,且造價相對較高。

        ③排樁+坑底加固+鋼筋混凝土支撐:該方案施工工藝成熟,在工程實(shí)際中應(yīng)用廣泛,對本工程而言,支護(hù)結(jié)構(gòu)的樁身強(qiáng)度、穩(wěn)定及變形可以保證,圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相對獨(dú)立。在成樁時不存在擠土問題,材料運(yùn)輸及排污也比較方便,需要另采用三軸水泥攪拌樁止水帷幕。排樁及鋼筋混凝土支撐的養(yǎng)護(hù)、拆除均需要一定工期,而且造價較高。

        經(jīng)過對上述幾個方案在安全性、經(jīng)濟(jì)性、綠色節(jié)能環(huán)保等多方面的綜合考慮之后,工程采用的支護(hù)方案為:“SMW工法樁+坑底加固+豎向斜撐”。

        3.2 基坑支護(hù)方案

        根據(jù)基坑周邊環(huán)境條件、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件和基坑開挖深度,基坑安全等級為二級。本著“安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行、方便施工”的原則,確定本基坑采用SMW工法樁+坑底加固+豎向斜撐的支護(hù)方案(上部1.5m~2m采用放坡支護(hù)),如圖1所示。SMW工法樁為Φ850@600三軸水泥攪拌樁,內(nèi)插H型鋼HN700×300×13×24,插一跳一布置;豎向斜撐采用Φ609×14鋼管,間距5.5m;坑內(nèi)預(yù)留土坡及坑底加固采用三軸水泥攪拌樁格柵加固。SMW工法樁兼做止水帷幕。

        圖1 基坑支護(hù)方案

        3.3 基坑支護(hù)設(shè)計驗(yàn)算

        根據(jù)《國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)—建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程JGJ120-2012》進(jìn)行設(shè)計計算,整體穩(wěn)定驗(yàn)算應(yīng)力計算方式有效應(yīng)力法。

        3.3.1 盆式開挖工況計算

        首先在基坑中部放坡盆式開挖,形成中心島盆式工況,依靠基坑周邊的盆邊留土為圍護(hù)體提供足夠的被動土壓力,被動土壓力計算按照式(1)~(4)進(jìn)行計算:

        對地下水位以上或水土合算的土層:

        水土分算的土層:

        式中:Ppk-支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè),第i層土中計算點(diǎn)的被動土壓力強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(kPa);

        σpk-支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)計算點(diǎn)的土中豎向應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa);

        ci、φi-分別為第i層土的粘聚力(kPa)、內(nèi)摩擦角(°);

        Kpi-土的被動土壓力系數(shù)。

        考慮坑內(nèi)預(yù)留土坡對支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用,對于σpk應(yīng)采用修正后的計算深度進(jìn)行計算:圍護(hù)墻體以內(nèi)土體能夠發(fā)揮擋土作用的有效土體范圍,包括從盆式開挖底面向上45°作直線,直線與留土平臺以下的土體為有效土體。從計算點(diǎn)向上45°-φ/2作直線與有效土體輪廓相交,交點(diǎn)和計算點(diǎn)的深度差作為修正Z的取值,如圖2所示。

        圖2 坑內(nèi)預(yù)留土坡修正后的計算深度示意圖

        式中:γa-修正深度范圍內(nèi)平均土體重度;

        Z-修正后的計算深度。

        采用同濟(jì)啟明星FRWS 9.0軟件計算后。整體穩(wěn)定性(1.85)和抗傾覆穩(wěn)定性(1.3)均滿足規(guī)范要求。

        3.3.2 加豎向斜撐后基坑支護(hù)計算

        盆式開挖階段結(jié)束后,施做生物池底板及斜撐基礎(chǔ),裝鋼管斜撐,繼續(xù)開挖至坑底設(shè)計標(biāo)高,此時基坑計算包括變形內(nèi)力計算、整體穩(wěn)定計算、抗傾覆計算、圍護(hù)樁強(qiáng)度計算、及豎向斜撐計算等。經(jīng)計算后,變形內(nèi)力計算如圖3所示;整體穩(wěn)定性(1.81)和抗傾覆穩(wěn)定性(1.39)均滿足規(guī)范要求。

        圖3 加豎向斜撐后基坑變形內(nèi)力結(jié)果圖

        ①H型鋼鋼材強(qiáng)度驗(yàn)算如下:

        最大正應(yīng)力滿足。

        剪應(yīng)力滿足。

        ②豎向斜撐截面計算。

        支撐水平方向荷載沿冠梁長度方向分段簡化為均布荷載q,支撐點(diǎn)水平間距為L,則鋼管斜撐支撐點(diǎn)水平反力Nx為:

        設(shè)鋼管斜撐與水平方向夾角為α,則斜撐軸向力標(biāo)準(zhǔn)值為Nk:

        按軸心受壓構(gòu)件計算:強(qiáng)度滿足要求,穩(wěn)定滿足要求。

        3.4 基坑降排水方案

        基坑開挖前,應(yīng)做好坑內(nèi)井點(diǎn)降水疏干措施,坑內(nèi)地下水位始終保持開挖面以下0.5m。基坑內(nèi)外的明排水由設(shè)置在坡頂坡腳的排水溝、集水井收集排除??觾?nèi)設(shè)置臨時排水溝(根據(jù)實(shí)際設(shè)置臨時排水溝、距離基坑下口線2.0m以外)以及臨時集水坑(距離基坑下口線3.0m以外)進(jìn)行坑內(nèi)排水;對坑外地表水,在基坑邊坡頂部四周設(shè)置排水溝,并在基坑四角設(shè)置800*1000*1000的集水坑,集水坑內(nèi)積水采用水泵及時排出到市政管道或其他排水設(shè)施,避免回灌。

        4 基坑支護(hù)施工

        4.1 施工流程

        場地清表并平整至設(shè)計標(biāo)高→樁基施工→上部放坡開挖→工法樁和冠梁施工→坑底攪拌樁加固→基坑預(yù)降水至坑底下0.5m→待加固體達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后,盆式(預(yù)留土坡)開挖至基坑底標(biāo)高→澆筑中心底板和斜撐基礎(chǔ)→安裝豎向斜撐→開挖預(yù)留土坡→澆筑四周底板→澆筑底板傳力帶→拆除豎向斜撐→施工池壁及頂板→待池壁與頂板達(dá)到100%設(shè)計強(qiáng)度后基坑回填土→拔出H型鋼。

        4.2 SMW工法樁施工

        SMW工法樁采用三軸攪拌機(jī),將土體和鉆頭處噴出的水泥漿液、壓縮空氣原位均勻攪拌,各施工單元間采取套接一孔法施工,并及時插入H型鋼形成擋土截水結(jié)構(gòu)。具體施工工藝流程:①測量放線、開挖溝槽;②設(shè)置向?qū)?、定位型鋼;③三軸攪拌樁就位,校正復(fù)核樁機(jī)水平和垂直度;④三軸攪拌機(jī)鉆進(jìn),攪拌水泥漿液與土體,下沉至設(shè)計樁底標(biāo)高;⑤三軸攪拌機(jī)攪拌水泥土,并提升至設(shè)計樁頂標(biāo)高或重復(fù)攪拌;⑥型鋼起吊、定位校核垂直度;⑦插入、固定型鋼。

        4.3 鋼管斜撐安裝

        鋼管支撐結(jié)構(gòu)的組成為:①由若干相互連接的鋼管節(jié)段組成的鋼管支撐;②在鋼管支撐一端設(shè)置的鋼管支墩(用于調(diào)節(jié)鋼管支撐與底板之間的夾角);③在另一端設(shè)置的活絡(luò)接頭(用于調(diào)節(jié)長度)。

        鋼管斜撐具體施工工藝流程:①根據(jù)斜撐兩端中心點(diǎn)的位置測量放線;②沿支撐軸線開槽挖土(一般開挖0.3m,隨安裝隨開挖);③將斜撐吊裝到位;④一端焊接在圈梁預(yù)埋件上,另一端活絡(luò)頭安裝在底板支墩。

        4.4 鋼管斜撐拆除

        整個支撐體系安裝完成后,開挖至坑底標(biāo)高,澆筑混凝土墊層及底板。待底板與圍護(hù)樁之間的傳力帶澆筑完成后,混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計要求后進(jìn)行拆撐。一般需遵循“先裝先拆,后裝后拆”的原則。

        4.5 型鋼拔除

        待生物池地面以下部分施工完畢,土方回填完成后,采用專用夾具及千斤頂以壓頂梁為反梁,起拔回收H型鋼,起拔過程中始終用吊車提住頂出的H型鋼,千斤頂頂?shù)揭欢ǜ叨群?,用吊車將H型鋼拔出樁體,在指定場地堆放好,分批集中運(yùn)出工地。H型鋼拔除后樁體留下的空隙應(yīng)進(jìn)行回填黃砂、注漿處理。型鋼起拔過程中應(yīng)加強(qiáng)坑外位移、沉降監(jiān)測。

        5 結(jié)語

        本工程采用SMW工法樁+豎向斜撐,在大面積軟土基坑支護(hù)中應(yīng)用較少,與常規(guī)按整個基坑平面布置的水平支撐,其優(yōu)點(diǎn)在于:①減少了支撐和立柱的工程量,可大幅降低造價;②由于坑底一般為軟土,采用斜撐可提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力,防止倒塌;③斜撐可以隨挖隨撐,通過合理安排施工工序,可縮短工期。

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