向春漢
(福州潤(rùn)禹工程咨詢有限公司,福建 福州 350001 )
福州市甘洪路拓寬改建項(xiàng)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(diǎn)位于閩侯永豐,道路全長(zhǎng)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(tái)風(fēng)頻繁,臺(tái)風(fēng)帶來(lái)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(yán)重不足(包括排澇站、水閘、涵洞)?,F(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(jī)排為輔,原是以農(nóng)田為排澇對(duì)象,經(jīng)過(guò)三、四十年的運(yùn)行,工程破損老化嚴(yán)重。通過(guò)進(jìn)行改建工程實(shí)施,可加大各澇片排水出口寬度(進(jìn)行水閘、泵站重建),解決出水不暢的問(wèn)題,同時(shí)在地形標(biāo)高低洼的澇片設(shè)置泵站,使各澇區(qū)達(dá)到設(shè)計(jì)澇水標(biāo)準(zhǔn)。在改建工程實(shí)施前,進(jìn)行場(chǎng)地勘察,查明場(chǎng)址區(qū)的工程地質(zhì)條件,評(píng)價(jià)存在的工程地質(zhì)問(wèn)題,能為改擴(kuò)建工程實(shí)施過(guò)程中的建筑物設(shè)計(jì)和地基處理方案提供地質(zhì)資料和基礎(chǔ)支撐依據(jù)。
甘洪路拓寬改建工程共涉及國(guó)光排澇站(閘)和洪山糧庫(kù)排澇站(閘)等兩個(gè)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(jìn)水前池、排澇站主泵房以及出水鋼管等。其中,國(guó)光排澇站的設(shè)計(jì)抽排流量為6.4 m3/s,裝機(jī)功率2×250 kW。根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50265-2010)規(guī)定,國(guó)光排澇站規(guī)模為小(1)型,泵站等別為Ⅳ等,主要建筑物級(jí)別為4級(jí),次要建筑物為5級(jí),臨時(shí)建筑物為5級(jí)。洪水糧庫(kù)排澇站的設(shè)計(jì)抽排流量為1.2 m3/s,裝機(jī)功率2×22 kW。根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)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(jí)別為5級(jí),次要建筑物為5級(jí)。
國(guó)光排澇閘5 a一遇的的設(shè)計(jì)排水流量為29.9 m3/s,過(guò)閘流量小于100 m3/s;洪山糧庫(kù)排澇閘5 a一遇的的設(shè)計(jì)排水流量為9.2 m3/s,過(guò)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(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)(100 a一遇),國(guó)光排澇閘及洪山糧庫(kù)排澇閘防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇設(shè)計(jì)。排澇閘工程主要建筑物級(jí)別為2級(jí),次要建筑物為3級(jí),臨時(shí)建筑物為4級(jí)。
本工程國(guó)光排澇站(閘)施工條件較為復(fù)雜,基坑深度大,本次計(jì)算針對(duì)其基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析計(jì)算。
國(guó)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(tái)水泵,平面尺寸(寬×長(zhǎng))9.20 m×10.00 m,泵房底板底高程1.50 m,各臺(tái)水泵間由隔墩隔開(kāi),主泵房地基采用D600高壓旋噴樁加固基礎(chǔ)。國(guó)光排澇閘為2孔,孔口尺寸(寬×高)3.0 m×4.7 m,閘室段長(zhǎng)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(jī)房,采用框架式結(jié)構(gòu)。出水消力池為水閘和泵站共用,長(zhǎng)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(wú)法采取放坡開(kāi)挖方式,基礎(chǔ)開(kāi)挖后基坑最大深度為7.6 m,屬于深基坑開(kāi)挖,經(jīng)過(guò)方案比對(duì)后選用懸臂式支擋結(jié)構(gòu),采用沖孔灌注樁對(duì)基坑進(jìn)行圍封,樁基直徑0.8 m,樁中心間距1.0 m,最大樁長(zhǎng)20.2 m,其中懸臂露出長(zhǎng)度為7.6 m,嵌固深度為12.6 m,在樁頂采用冠梁進(jìn)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(duì)土體進(jìn)行加固,加固寬度2.0 m,深度3.0 m,沿基坑底部一周加固。
根據(jù)工程地質(zhì)鉆孔,國(guó)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(qiáng)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(qiáng)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(jiàn)表1。
表1 巖土層分布及主要工程地質(zhì)參數(shù)表
(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。
結(jié)合工程設(shè)計(jì),國(guó)光排澇站基坑最深處須開(kāi)挖至高程1.00 m,按現(xiàn)有地面開(kāi)挖,深度約為4.5~7.6 m,開(kāi)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(kāi)挖范圍內(nèi)基坑側(cè)壁土層穩(wěn)定性極差,基礎(chǔ)開(kāi)挖過(guò)程中,在地下水滲透力的作用下會(huì)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(wèn)題,建議進(jìn)行基坑支護(hù)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(shí)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、施工方法、支護(hù)監(jiān)測(cè)控制是相互連接、密不可分的?;娱_(kāi)挖時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)基坑位移、周邊建筑物及構(gòu)筑物監(jiān)測(cè),以保證基坑的正常施工及控制對(duì)臨近建(構(gòu))筑物的影響。
根據(jù)基坑設(shè)計(jì)情況,選擇基坑深度最大處進(jìn)行計(jì)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(zhǎng)20.2 m,其中懸臂露出長(zhǎng)度為7.6 m,嵌固深度為12.6 m,在樁頂采用冠梁進(jìn)行連接。本次計(jì)算采用理正深基坑7.0計(jì)算軟件。
根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ120-2012)3.4條,支護(hù)結(jié)構(gòu)上的水平荷載計(jì)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(jì)算點(diǎn)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(jì)算,基坑內(nèi)荷載情況見(jiàn)表2。
表2 基坑荷載計(jì)算表
灌注樁單樁水平承載力設(shè)計(jì)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(jì)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(qiáng)度設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)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?yè)Q算截面慣性矩,Io=Wod/2;Wo為樁身?yè)Q算截面受拉邊緣的截面模量;do為扣除保護(hù)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?yè)Q算面積;ζn為樁頂豎向力影響系數(shù),豎向壓力,ζn=0.5。
計(jì)算得出,單樁水平承載力設(shè)計(jì)值為:Rh=547.32 KN,根據(jù)荷載計(jì)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。
本次基坑支護(hù)采用單排樁設(shè)計(jì),樁基采用冠梁連接為整體,根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ120-2012)4.2.2條,整體滑動(dòng)穩(wěn)定性采用圓弧滑動(dòng)條分法進(jìn)行驗(yàn)算,具體計(jì)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(guò)軟件計(jì)算計(jì)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(dòng)穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。
抗傾覆安全系數(shù):
(9)
式中:Mp為被動(dòng)土壓力及支點(diǎn)力對(duì)樁底的抗傾覆彎矩,對(duì)于內(nèi)支撐支點(diǎn)力由內(nèi)支撐抗壓力決定;對(duì)于錨桿或錨索,支點(diǎn)力為錨桿或錨索的錨固力和抗拉力的較小值,根據(jù)計(jì)算得出為最小值7 019.89 KN·m;Ma為主動(dòng)土壓力對(duì)樁底的傾覆彎矩,最大值為5 576.38 KN·m。
計(jì)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(hù)排樁整體抗傾覆滿足要求。
基坑抗隆起驗(yàn)算分別采用Prandtl(普朗德?tīng)?公式和Terzaghi(太沙基)公式進(jìn)行驗(yàn)算復(fù)核,須保證兩者都要滿足要求。
4.5.1 Prandtl(普朗德?tīng)?公式
(10)
(11)
(12)
通過(guò)計(jì)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(guò)計(jì)算,Nq=2.694,Nc=9.605,Ks=1.885≥1.15,滿足規(guī)范要求。
通過(guò)分析計(jì)算,采用兩種公式計(jì)算,基坑底抗隆起驗(yàn)算均滿足規(guī)范要求。
(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(zhǎng)度(m);H為基坑的開(kāi)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(jì)算得:δ= 46(mm)
根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ120-2012)附錄c,滲透穩(wěn)定性驗(yàn)算,基坑底部土體抗承壓水頭穩(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。
圖1 抗承壓水頭穩(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖
(17)
式中:Pcz為基坑開(kāi)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。
根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ120-2012)4.2.5條,根據(jù)單支點(diǎn)結(jié)構(gòu)計(jì)算支點(diǎn)力和嵌固深度設(shè)計(jì)值hd:
(1)按ea1k=ep1k確定出支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩零點(diǎn)hc1=1.037
(2)支點(diǎn)力Tc1可按下式計(jì)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(jì)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。
基坑開(kāi)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(jìn)行的第一個(gè)難點(diǎn)。本次國(guó)光排澇站(閘)基坑具有深度大、土層復(fù)雜、場(chǎng)地受限等特點(diǎn),基坑穩(wěn)定及滲流問(wèn)題較為突出。設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)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(duì)基坑排樁的嵌固深度進(jìn)行設(shè)計(jì)及復(fù)核,經(jīng)過(guò)合理分析計(jì)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(hù)排樁面層進(jìn)行加固后作為出水池墻體,將部分臨時(shí)建筑物與永久建筑物結(jié)合起來(lái),取得了不錯(cuò)的效果,同時(shí)節(jié)約了工程投資。國(guó)光排澇站(閘)已于2019年7月竣工驗(yàn)收,工程整體經(jīng)歷過(guò)兩個(gè)汛期的考驗(yàn),目前運(yùn)行情況良好,是國(guó)光片區(qū)的防洪排澇體系不可缺少的重要組成部分。