向春漢

(福州潤禹工程咨詢有限公司，福建 福州 350001 )

0 引言

福州市甘洪路拓寬改建項目地處洪山橋至閩侯縣原甘洪路，甘洪路起于楊橋路-洪水交叉口，途徑梅峰路、梅亭路、原厝路、東北三環(huán)甘洪連接線，終點位于閩侯永豐，道路全長約4.163 km。區(qū)域地處中低緯度，東瀕太平洋，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，臺風(fēng)頻繁，臺風(fēng)帶來的降雨量大，極易引發(fā)大洪水造成內(nèi)澇。以前的公共河浦、池塘被填方建房，地面硬化，滲水小，澇水多滯留路面上。全區(qū)的排澇設(shè)施排澇能力嚴重不足(包括排澇站、水閘、涵洞)。現(xiàn)有排澇設(shè)施主要由五、六十年代修建的排水閘、排澇站，以自排為主，機排為輔，原是以農(nóng)田為排澇對象，經(jīng)過三、四十年的運行，工程破損老化嚴重。通過進行改建工程實施，可加大各澇片排水出口寬度(進行水閘、泵站重建)，解決出水不暢的問題，同時在地形標高低洼的澇片設(shè)置泵站，使各澇區(qū)達到設(shè)計澇水標準。在改建工程實施前，進行場地勘察，查明場址區(qū)的工程地質(zhì)條件，評價存在的工程地質(zhì)問題，能為改擴建工程實施過程中的建筑物設(shè)計和地基處理方案提供地質(zhì)資料和基礎(chǔ)支撐依據(jù)。

1 改建排澇站(閘)工程概況

甘洪路拓寬改建工程共涉及國光排澇站(閘)和洪山糧庫排澇站(閘)等兩個部分，排澇站(閘)的建筑物主要包括排澇閘及其上下游連接段、排澇站進水前池、排澇站主泵房以及出水鋼管等。其中，國光排澇站的設(shè)計抽排流量為6.4 m3/s，裝機功率2×250 kW。根據(jù)《泵站設(shè)計規(guī)范》(GB50265-2010)規(guī)定，國光排澇站規(guī)模為小(1)型，泵站等別為Ⅳ等，主要建筑物級別為4級，次要建筑物為5級，臨時建筑物為5級。洪水糧庫排澇站的設(shè)計抽排流量為1.2 m3/s，裝機功率2×22 kW。根據(jù)《泵站設(shè)計規(guī)范》(GB50265-2010)規(guī)定，規(guī)模為小(2)型，泵站等別為Ⅴ等，主要建筑物級別為5級，次要建筑物為5級。

國光排澇閘5 a一遇的的設(shè)計排水流量為29.9 m3/s，過閘流量小于100 m3/s；洪山糧庫排澇閘5 a一遇的的設(shè)計排水流量為9.2 m3/s，過閘流量小于20 m3/s。本工程排澇閘又作為閩江下游北港北岸防洪堤的直接擋洪建筑物，參照相鄰的福州城區(qū)防洪堤的設(shè)計防洪標準(100 a一遇)，國光排澇閘及洪山糧庫排澇閘防洪標準為100 a一遇設(shè)計。排澇閘工程主要建筑物級別為2級，次要建筑物為3級，臨時建筑物為4級。

2 工程布置概況

本工程國光排澇站(閘)施工條件較為復(fù)雜，基坑深度大，本次計算針對其基坑支護的設(shè)計進行分析計算。

國光排澇站(閘)為舊站(閘)改建，原站址位于大儒世家附近，梅亭路與甘洪路交叉路口的北側(cè)，主泵房采用全封閉鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，半埋入地下，共兩臺水泵，平面尺寸(寬×長)9.20 m×10.00 m，泵房底板底高程1.50 m，各臺水泵間由隔墩隔開，主泵房地基采用D600高壓旋噴樁加固基礎(chǔ)。國光排澇閘為2孔，孔口尺寸(寬×高)3.0 m×4.7 m，閘室段長10.0 m，閘底板頂高程4.50 m，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，閘室上部設(shè)置啟閉機房，采用框架式結(jié)構(gòu)。出水消力池為水閘和泵站共用，長15.0 m，寬10.50 m，池底高程3.20 m。

由于排澇站四周用地均非常緊張，且北面和東面有居民建筑物，無法采取放坡開挖方式，基礎(chǔ)開挖后基坑最大深度為7.6 m，屬于深基坑開挖，經(jīng)過方案比對后選用懸臂式支擋結(jié)構(gòu)，采用沖孔灌注樁對基坑進行圍封，樁基直徑0.8 m，樁中心間距1.0 m，最大樁長20.2 m，其中懸臂露出長度為7.6 m，嵌固深度為12.6 m，在樁頂采用冠梁進行連接，將排樁形成整體，增大結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，冠梁梁寬1.0 mm,梁1.0 m。為防止樁基之間滲水，在灌注樁外側(cè)采用高壓旋噴樁封閉，樁徑0.5 m，中心間距1.0 m。為保證懸臂結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，在灌注樁內(nèi)側(cè)，采用水泥攪拌樁，對土體進行加固，加固寬度2.0 m，深度3.0 m，沿基坑底部一周加固。

3 工程地質(zhì)條件特性及評價

3.1 地基土層工程地質(zhì)特性及評價

根據(jù)工程地質(zhì)鉆孔，國光排澇站基礎(chǔ)分布的土層主要為：(1)雜填土、(2)淤泥、(3)粉質(zhì)粘土，(4)強風(fēng)化碎土狀花崗巖，此其中前兩種土層承載力低，結(jié)構(gòu)、工程性狀不均勻，屬高壓縮性土，工程力學(xué)性能差，不能作為基礎(chǔ)持力層；粘性土承載力特征值為150 kPa，屬中壓縮性土，承載力一般，工程力學(xué)性能一般，分布較均勻；強風(fēng)化碎土狀花崗巖工程力學(xué)性能較好，可作為基礎(chǔ)持力層。從上至下土層分布及特征參數(shù)見表1。

表1 巖土層分布及主要工程地質(zhì)參數(shù)表

3.2 地基土層滲透特性及評價

(1)雜填土屬于中等透水性，可能產(chǎn)生的滲透變形形式為管涌，其允許水力比降J允許=0.17。(2)淤泥滲透系數(shù)小于1.0×10-5cm/s，屬于微透水性，可能產(chǎn)生的滲透變形形式為流土；(3)粉質(zhì)粘土滲透系數(shù)小于1.0×10-4cm/s，屬于弱透水性，可能產(chǎn)生的滲透變形形式為流土。(3)淤泥允許水力比降J允許=0.47，(4)粉質(zhì)粘土允許水力比降J允許=0.61。

3.3 基坑開挖地質(zhì)條件初步評價

結(jié)合工程設(shè)計，國光排澇站基坑最深處須開挖至高程1.00 m，按現(xiàn)有地面開挖，深度約為4.5～7.6 m，開挖深度較深，組成基坑的土層主要為雜填土、素填土及淤泥等，結(jié)構(gòu)較松散，滲透系數(shù)較大，呈中等透水性，該地段土層在水的浸泡下，開挖范圍內(nèi)基坑側(cè)壁土層穩(wěn)定性極差，基礎(chǔ)開挖過程中，在地下水滲透力的作用下會產(chǎn)生流沙、流泥、涌土等現(xiàn)象。因此基坑的滲漏、抗?jié)B穩(wěn)定以及基坑邊坡穩(wěn)定是施工中遇到的主要工程地質(zhì)問題，建議進行基坑支護與防滲及降水處理，以滿足抗滑和滲透穩(wěn)定性要求，為工程創(chuàng)造良好的施工條件。

同時基坑支護結(jié)構(gòu)、施工方法、支護監(jiān)測控制是相互連接、密不可分的?；娱_挖時應(yīng)加強對基坑位移、周邊建筑物及構(gòu)筑物監(jiān)測，以保證基坑的正常施工及控制對臨近建(構(gòu))筑物的影響。

4 基坑支護計算分析

根據(jù)基坑設(shè)計情況，選擇基坑深度最大處進行計算分析，沖孔灌注樁直徑0.8 m，樁中心間距1.0 m，最大樁長20.2 m，其中懸臂露出長度為7.6 m，嵌固深度為12.6 m，在樁頂采用冠梁進行連接。本次計算采用理正深基坑7.0計算軟件。

4.1 荷載受力計算

根據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》(JGJ120-2012)3.4條，支護結(jié)構(gòu)上的水平荷載計算

σcz=rz；σ=rh

(1)

(2)

(3)

Q=∑P水平

(4)

式中：σcz為側(cè)向土壓力；σ為水壓力；M為彎矩；V為位移；Q為剪力；r為土體的重度，KN/m3；Z為計算點距離地表的深度；r為水的容重，KN/m3；h為水深；M(x)為中軸線方向彎矩；EIz為桿件抗彎剛度；C、D由邊界條件確定；P水平為水平力總和。

經(jīng)計算，基坑內(nèi)荷載情況見表2。

表2 基坑荷載計算表

4.2 單樁水平承載力計算

灌注樁單樁水平承載力設(shè)計值按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94-2008)(5.4.2-1)估算：

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：Rh為單樁水平承載力設(shè)計值；γm為樁截面模量塑性系數(shù)，圓形截面取值為2.0；ft為樁身混凝土抗拉強度設(shè)計值,C30混凝土ft=1.43 N/mm2=14 300 kN/m2；ρg為樁身配筋率，該樁為0.55%；Vm為樁身最大彎矩系數(shù)查《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》表5.4.2,當(dāng)樁頂餃接、自由時得Vm=0.768，Vx=2.441；α為樁的水平變形系數(shù)；m為地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)由《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》5.7.5取m值為7.0；b0為樁身計算寬度,圓形截面,b0=0.9(d+1.0) =1.62 m；EI為樁身抗彎剛度,EI=0.85EcIo；Ec為混凝土彈性模量,C30, Ec=2.80×104N/mm2=2.80×107kN/m2；Io為樁身換算截面慣性矩,Io=Wod/2；Wo為樁身換算截面受拉邊緣的截面模量；do為扣除保護層的樁直徑,d=0.8 m,do=d·2as=0.73 m；αE為鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量比值；An為樁身換算面積；ζn為樁頂豎向力影響系數(shù)，豎向壓力,ζn=0.5。

計算得出，單樁水平承載力設(shè)計值為：Rh=547.32 KN，根據(jù)荷載計算成果，基坑最大水平力P水平=169.95 KN，Rh≥P=203.94 KN，樁基單樁水平承載力滿足要求。

4.3 整體滑動穩(wěn)定性驗算

本次基坑支護采用單排樁設(shè)計，樁基采用冠梁連接為整體，根據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》(JGJ120-2012)4.2.2條，整體滑動穩(wěn)定性采用圓弧滑動條分法進行驗算，具體計算方法采用瑞典條分法，應(yīng)力狀態(tài)：總應(yīng)力法，其中條分法中的土條寬度取0.40 m。

通過軟件計算計算，得出滑裂面數(shù)據(jù)圓弧半徑R=20.810 m，整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=1.467，大于規(guī)范要求安全系數(shù)1.30，表示整體滑動穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

4.4 抗傾覆穩(wěn)定性驗算

抗傾覆安全系數(shù)：

(9)

式中：Mp為被動土壓力及支點力對樁底的抗傾覆彎矩，對于內(nèi)支撐支點力由內(nèi)支撐抗壓力決定;對于錨桿或錨索，支點力為錨桿或錨索的錨固力和抗拉力的較小值，根據(jù)計算得出為最小值7 019.89 KN·m；Ma為主動土壓力對樁底的傾覆彎矩，最大值為5 576.38 KN·m。

計算得出，最小抗傾覆安全系數(shù)為1.258，大于規(guī)范要求的最小安全系數(shù)1.2，基坑支護排樁整體抗傾覆滿足要求。

4.5 抗隆起驗算

基坑抗隆起驗算分別采用Prandtl(普朗德爾)公式和Terzaghi(太沙基)公式進行驗算復(fù)核，須保證兩者都要滿足要求。

4.5.1 Prandtl(普朗德爾)公式

(10)

(11)

(12)

通過計算，Nq=2.417，Nc=8.345，Ks=1.714≥1.1，滿足規(guī)范要求。

4.5.2 Terzaghi (太沙基)公式

(13)

(14)

(15)

通過計算，Nq=2.694，Nc=9.605，Ks=1.885≥1.15，滿足規(guī)范要求。

通過分析計算，采用兩種公式計算，基坑底抗隆起驗算均滿足規(guī)范要求。

4.6 隆起量計算

(16)

式中：δ為基坑底面向上位移(min);n為從基坑頂面到基坑底面處的土層層數(shù)；γi為第i層土的重度(kN/m3)；地下水位以上取土的天然重度(kN/m3)；地下水位以下取土的飽 和重度(kN/m3);hi為第i層土的厚度(m);q為基坑頂面的地面超載(kPa)；D為樁(墻)的嵌入長度(m);H為基坑的開挖深度(m);c為樁(墻)底面處土層的粘聚力(kPa);φ為樁(墻)底面處土層的內(nèi)摩擦角(度)；r為樁(墻)頂面到底處各土層的加權(quán)平均重度(kN/m3);

計算得：δ= 46(mm)

4.7 基坑底部土體抗承壓水頭穩(wěn)定計算

根據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》(JGJ120-2012)附錄c，滲透穩(wěn)定性驗算，基坑底部土體抗承壓水頭穩(wěn)定計算簡圖見圖1。

圖1 抗承壓水頭穩(wěn)定計算簡圖

(17)

式中：Pcz為基坑開挖面以下至承壓水層頂板間覆蓋土的自重壓力(kN/m2)；Pwy為承壓水層的水頭壓力(kN/m2);Ky為抗承壓水頭的穩(wěn)定性安全系數(shù)，取1.5。

Ky=34.00/30.00=1.13≥1.05，基坑底部土體抗承壓水頭穩(wěn)定。

4.8 樁基嵌固深度計算

根據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》(JGJ120-2012)4.2.5條，根據(jù)單支點結(jié)構(gòu)計算支點力和嵌固深度設(shè)計值hd：

(1)按ea1k=ep1k確定出支護結(jié)構(gòu)彎矩零點hc1=1.037

(2)支點力Tc1可按下式計算：

(18)

hT1=6.600 m；Tc1=121.800 kN

(3)hd按公式：hp∑Epj+Tc1(hT1+hd)-βγ0ha∑Eai≥0確定

其中β=1.200，γ0=1.000；hp=3.825 m，∑Epj=1 587.008 kPa；ha=6.963 m，∑Eai=965.572 kPa

計算得到hd=9.937 m，考慮到土層分布及安全系數(shù)，嵌固深度hd采用值為12.60 m。

5 結(jié)語

基坑開挖作為工程施工的第一步，是保證后續(xù)工程能安全順利進行的第一個難點。本次國光排澇站(閘)基坑具有深度大、土層復(fù)雜、場地受限等特點，基坑穩(wěn)定及滲流問題較為突出。設(shè)計通過對基坑排樁的單樁承載力、整體抗滑及抗傾覆穩(wěn)定、基坑抗隆起分析，對基坑排樁的嵌固深度進行設(shè)計及復(fù)核，經(jīng)過合理分析計算后，基坑的安全性滿足要求。同事為了節(jié)約工程投資，采用永臨結(jié)合的方式，后期基坑支護排樁面層進行加固后作為出水池墻體，將部分臨時建筑物與永久建筑物結(jié)合起來，取得了不錯的效果，同時節(jié)約了工程投資。國光排澇站(閘)已于2019年7月竣工驗收，工程整體經(jīng)歷過兩個汛期的考驗，目前運行情況良好，是國光片區(qū)的防洪排澇體系不可缺少的重要組成部分。