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        福州市甘洪路改建排澇站(閘)工程基坑支護計算分析

        2022-11-29 10:41:20向春漢
        地下水 2022年6期
        關(guān)鍵詞:國光樁基土層

        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。

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