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        深厚淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層基坑支護(hù)方案優(yōu)選

        2022-11-18 10:37:08凌曉梅滕新保胡峰華
        關(guān)鍵詞:抗剪淤泥安全系數(shù)

        張 麗 凌曉梅 滕新保 胡峰華

        (江蘇省工程勘測(cè)研究院有限責(zé)任公司,江蘇 揚(yáng)州 225002)

        0 引言

        對(duì)基坑支護(hù)工程來說,如何根據(jù)場(chǎng)地條件、周邊環(huán)境、開挖深度等選擇合理的支護(hù)形式是保障基坑工程安全的前提,這需要建立在大量的理論成果及工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上。

        揚(yáng)州地區(qū)的地層分布規(guī)律如下[1-2]:市區(qū)北部地區(qū)地表以下主要土層為可塑~硬塑狀粉質(zhì)黏土或黏土;市區(qū)中部偏北地區(qū)地表以下上部分布中密~密實(shí)狀粉土或粉砂,下部分布著可塑~硬塑狀粉質(zhì)黏土或黏土;市區(qū)中部偏南地區(qū)地表以下主要分布著中密~密實(shí)狀粉土或粉砂,為長(zhǎng)江沖積層;市區(qū)南部地區(qū)地表以下上部分布著淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,下部分布粗礫砂、粉細(xì)砂以及粉砂等土層。

        該文主要分析適用于揚(yáng)州南部地區(qū)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層的基坑支護(hù)形式[3],揚(yáng)州南部地區(qū)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層分布較厚,含水量豐富,壓縮性高,靈敏度高,滲透性差,此種土質(zhì)極易因降水效果不理想而出現(xiàn)滑塌現(xiàn)象,選擇合理的支護(hù)形式可降低險(xiǎn)情發(fā)生的概率。該文基于揚(yáng)州市區(qū)南部長(zhǎng)江邊某安置小區(qū)基坑工程出現(xiàn)險(xiǎn)情段,通過理正深基坑7.0PB5和FRWS9.0對(duì)其進(jìn)行分析,并提出合理的加固方案,所得結(jié)果對(duì)類似基坑如何選擇支護(hù)方案具有指導(dǎo)意義。

        1 工程概況

        揚(yáng)州南部長(zhǎng)江邊某安置小區(qū)含一座一層地下室,基坑開挖深度5.15m,地下水位一般埋深為地表以下1.5m,揚(yáng)州每年7月左右進(jìn)入梅雨季節(jié),地下水位會(huì)增至地表。經(jīng)勘察揭示,場(chǎng)地范圍內(nèi)土層分布如下:第①層雜填土,灰褐色為主,松散,主要成分為建筑垃圾;第②層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土,灰色,流塑;粉土,稍密~中密;第④層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,灰色,流塑;第⑤層粉土與淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土互層,灰色,粉土,稍密~中密,夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,流塑。經(jīng)鉆探取土進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn),得土體基坑支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

        表1 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

        在基坑工程施工過程中,局部邊坡區(qū)域發(fā)生了滑塌(圖1),并不斷有土體被水帶出,滑塌部位主要發(fā)生在該支護(hù)段的中部,且有向兩邊延伸的趨勢(shì),該支護(hù)段基坑頂?shù)孛鏄?biāo)高3.700 m,坑底標(biāo)高為-1.450 m,原設(shè)計(jì)采用的基坑支護(hù)形式為二級(jí)放坡+水泥土攪拌樁加固坡體(圖2),基坑頂距離圍墻約8.0 m,圍墻外為市政道路,存在較大的安全隱患,須及時(shí)采取加固措施。

        圖1 邊坡滑塌照片

        圖2 滑塌段基坑支護(hù)剖面

        2 滑塌原因分析

        邊坡發(fā)生滑塌時(shí),基坑已開挖至坑底,且在開挖過程中該支護(hù)段邊坡的坡頂位移變化速率及累計(jì)變化值均正常,未超過報(bào)警值。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)分析,導(dǎo)致邊坡滑塌的原因如下:基坑開挖深度范圍內(nèi)土層主要為②層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土,含水量豐富,呈流塑狀態(tài),具有結(jié)構(gòu)性及觸變性,為中等靈敏度土層,基坑坡頂4.0 m以外為施工道路,重型機(jī)械短期頻繁碾壓會(huì)導(dǎo)致孔隙水壓力增大,但該層土滲透性差,孔隙水不能及時(shí)排出,從而導(dǎo)致②層土體抗剪強(qiáng)度下降,施工道路也產(chǎn)生較多裂縫,該工程施工期間正處于梅雨季節(jié),雨量較大,雨水通過裂縫不斷匯入地表以下,坑外水土壓力增大、土體強(qiáng)度下降共同導(dǎo)致邊坡發(fā)生滑塌破壞。根據(jù)上述分析的結(jié)果,采用理正深基坑7.0PB5軟件分別計(jì)算3種工況下基坑邊坡最小整體穩(wěn)定安全系數(shù)(表2),抗剪強(qiáng)度參數(shù)采用固結(jié)快剪指標(biāo),工況一:地下水位位于地面以下1.5 m、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)未折減,工況二:地下水位位于地面以下1.5 m、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)折減95%,工況三:地下水位位于地表、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)折減95%。軟件采用的計(jì)算方法為圓弧滑動(dòng)條分法,搜索最不利滑動(dòng)面得到最小穩(wěn)定安全系數(shù)KS,KS不應(yīng)小于1.2。

        從計(jì)算結(jié)果可看出,工況一及工況二的整體穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求,這說明雖然重車碾壓會(huì)導(dǎo)致淤泥質(zhì)土體抗剪強(qiáng)度下降,但是基坑在開挖期間仍能處于穩(wěn)定狀態(tài),當(dāng)遇到暴雨后,坑外水位急劇增加,如工況三計(jì)算結(jié)果所示,邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)已不滿足規(guī)范要求,說明基坑有發(fā)生滑動(dòng)的可能,因此暴雨后基坑發(fā)生了滑塌。

        從表2計(jì)算結(jié)果可見,坑外地下水位及土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均對(duì)邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)影響較大[4-5],這里分別對(duì)3種影響因子進(jìn)行分析(圖3),一是地下水位由埋深1.5m調(diào)整至0,二是土體抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)由1.0調(diào)整至0.9,x軸為兩種影響因子調(diào)整比例,y軸為邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)。

        圖3 地下水位及抗剪強(qiáng)度對(duì)整體穩(wěn)定安全系數(shù)的影響

        表2 邊坡最小整體穩(wěn)定安全系數(shù)

        由圖3可見,隨著坑外地下水位增加以及土體抗剪強(qiáng)度下降,邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)呈線性下降,且下降速率較大,說明對(duì)類似②層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土,外界因素的干擾極易造成邊坡滑動(dòng)。若基坑施工工期長(zhǎng),周邊空曠,坑外排水設(shè)施足夠,采用放坡結(jié)合攪拌樁做抗滑樁的支護(hù)形式較為常見,能滿足基坑安全性要求。但當(dāng)基坑邊有待保護(hù)的市政道路、建筑物、管線或施工期雨量大時(shí),采用此種支護(hù)形式存在較大的安全隱患,一旦基坑發(fā)生滑坡并伴有水土流失的情況,險(xiǎn)情發(fā)展趨勢(shì)較快,如不能及時(shí)采取措施將會(huì)造成較大的影響,因此,該情況下不建議優(yōu)先選擇放坡結(jié)合攪拌樁作止水帷幕及抗滑樁的支護(hù)形式。

        3 加固方案

        加固方案的選擇須滿足以下2點(diǎn):1)能確保基坑及周邊環(huán)境的安全。2)施工方便快捷。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況,采用的加固方案為鋼板樁+坑內(nèi)留置土臺(tái)(圖4)。

        圖4 加固方案剖面

        在原放坡坡頂打入18m拉森Ⅳ鋼板樁用于擋土兼止水帷幕,鋼板樁外側(cè)每隔4.0m布設(shè)兩根15.0m型鋼H700mm×300mm做錨樁控制變形,坑內(nèi)留置一級(jí)土臺(tái),土臺(tái)既能減少支護(hù)樁的變形,又能提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性及抗傾覆能力,分別對(duì)坑內(nèi)有無土臺(tái)2種工況采用FRWS9.0軟件進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表3。

        FRWS9.0軟件考慮坑內(nèi)留置土臺(tái)作用效果的方法[6-8]為深度修正法(圖5):圍護(hù)樁內(nèi)土臺(tái)能夠發(fā)揮擋土作用的有效土體范圍為從土臺(tái)開挖底邊線向上45°作直線,直線與圍護(hù)樁之間的土臺(tái)為有效土體,從基坑深度計(jì)算點(diǎn)向上45°-Φ/2(Φ為土臺(tái)對(duì)應(yīng)土體的內(nèi)摩擦角)作直線與45°直線相交,交點(diǎn)與計(jì)算點(diǎn)的深度差作為深度修正值,采用修正后的深度計(jì)算水平基床系數(shù)。對(duì)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土來說,該方法并不完全適用,在基坑開挖卸土的過程中,坑內(nèi)留置土臺(tái)本身易受擾動(dòng)產(chǎn)生一定的位移,該計(jì)算方法過分夸大淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土土臺(tái)對(duì)支護(hù)樁的支點(diǎn)作用,導(dǎo)致計(jì)算出的樁頂位移偏小,偏不安全。

        圖5 深度修正法示意圖

        該文結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)及理論基礎(chǔ),推出一種適合淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土采用支護(hù)樁+坑內(nèi)留置土臺(tái)支護(hù)方式的深度折減公式,如公式(1)所示。

        該工程基坑開挖深度H為5.15 m,坑內(nèi)土臺(tái)高度h為3.15m,平臺(tái)寬b為3.0m,土臺(tái)坡比1∶i為1∶1.2,由公式(1)計(jì)算可得基坑折減后開挖深度H'為3.1 m,采用理正深基坑7.0PB5軟件對(duì)挖深3.1m時(shí)的懸臂鋼板樁進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見表3。由表3可見,按照公式(1)折減后計(jì)算出的樁頂位移較大,抗傾覆安全系數(shù)與FRWS9.0計(jì)算結(jié)果接近,該工程采用H型鋼作為錨樁控制鋼板樁位移。

        表3 坑內(nèi)有無土臺(tái)計(jì)算結(jié)果對(duì)比

        根據(jù)后期基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,加固范圍內(nèi)支護(hù)樁樁頂水平最大位移為38.2 mm,表明淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土按公式(1)折減深度計(jì)算較為合理,坑外道路沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也在正常范圍內(nèi),表明加固效果滿足安全性要求。對(duì)深厚的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層來說,需要留有一定的支護(hù)空間,在需要設(shè)置止水帷幕的情況下,應(yīng)優(yōu)選鋼板樁+坑內(nèi)留置土臺(tái)的支護(hù)方式,如遇坑外水位急劇增加或重型機(jī)械頻繁碾壓,會(huì)導(dǎo)致鋼板樁變形增加,但不易發(fā)生滑塌、水土流失等情況,采用坑外降水或坑內(nèi)堆載的方式即可控制變形。

        4 結(jié)論

        該文結(jié)合具體工程中,淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土邊坡滑塌實(shí)際情況,對(duì)其邊坡的破壞原因進(jìn)行分析,并提出合理的加固方案及計(jì)算方法,得到如下4個(gè)結(jié)論:1)揚(yáng)州南部臨江邊地區(qū)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層深厚,且靈敏度較高,極易受外界因素?cái)_動(dòng),在進(jìn)行基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以重視。2)當(dāng)基坑邊存在有待保護(hù)的市政道路、管線或建構(gòu)筑物等時(shí),且存在一定的支護(hù)空間,施工期雨量較大,對(duì)深厚淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層采用放坡結(jié)合攪拌樁做止水帷幕及坡體加固的支護(hù)方案存在一定的安全隱患。3)當(dāng)基坑邊存在有待保護(hù)的市政道路、管線或建構(gòu)筑物等時(shí),且存在一定的支護(hù)空間,施工期雨量較大,對(duì)深厚淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層采用鋼板樁+坑內(nèi)留置土臺(tái)的支護(hù)方案更合理,不易出現(xiàn)滑塌、水土流失等情況,對(duì)保護(hù)周邊環(huán)境有利。4)對(duì)深厚淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層,采用FRWS9.0軟件計(jì)算鋼板樁+坑內(nèi)留置土臺(tái)工況下的樁頂位移偏小,不符合工程實(shí)際情況,采用公式(1)折減基坑深度后,再按懸臂樁進(jìn)行計(jì)算的方法更合理,其計(jì)算出的樁頂位移與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較為接近。

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