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        鄰近建筑物和城市道路的基坑支護(hù)設(shè)計分析

        2023-11-16 07:53:48璐,曹
        北方建筑 2023年5期
        關(guān)鍵詞:排樁錨索基坑

        劉 璐,曹 陽

        (1:吉林省建筑科學(xué)研究設(shè)計院,吉林 長春 130011;2:敦化市建筑工程質(zhì)量監(jiān)督站,吉林 敦化 133700)

        0 引言

        隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,基礎(chǔ)建設(shè)項目增多,城市商業(yè)區(qū)建筑越來越密集,新建建筑多設(shè)有地下室,地下室部分也越來越深。在城市中心商業(yè)區(qū),新建的許多建筑基坑都無法避免地緊鄰周邊既有建筑或城市主干路。這對基坑支護(hù)設(shè)計的考驗越來越大,既要保證基坑安全,也要保證周邊既有建筑和道路的安全,還要盡量節(jié)約成本,降低預(yù)算[1]。

        當(dāng)前深基坑支護(hù)形式的計算方式主要以英國學(xué)者朗肯1857 年提出的朗肯土壓力理論模型來計算基坑內(nèi)外側(cè)土壓力;利用極限平衡理論計算支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移;采用1915 年瑞典彼得森提出的瑞典條分法來計算整體穩(wěn)定性[2]。

        1 研究項目基本概況

        該研究項目位于吉林省延吉市某商業(yè)中心,基坑周長320 m,地勢變化小,場地平坦,以自然地面起算的支護(hù)深度為10 m。周圍鄰近市政主干路(距基坑邊緣最短距離4.23 m)和既有建筑(距基坑邊緣最短距離5.41 m),主要采用排樁加錨索支護(hù)形式,局部采用雙排樁支護(hù)形式。

        1.1 地層及參數(shù)

        據(jù)工程地質(zhì)勘探資料顯示,該段地層上部主要為中砂和圓礫,中砂厚度為2.3 m~3.5 m,承載力特征值為180 kPa;圓礫厚度為2.0 m~3.2 m;下部為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖;局部夾層中存在強(qiáng)風(fēng)化細(xì)砂巖和中風(fēng)化細(xì)砂巖。

        1.2 地下水條件

        項目場地地下潛水水位埋深2.0 m~3.8 m,高程為170.37 m~172.17 m。水位隨季節(jié)浮動,年變幅約為2.0 m,勘探時處于枯水期,水位屬于一年中較低水平。地下水滲透系數(shù): 中砂k=20.0 m/d、圓礫k=100 m/d。

        1.3 承載力參數(shù)

        各層巖土地基承載力特征值見表1。

        表1 各層巖土地基承載力特征值 kPa

        2 深基坑支護(hù)的常見形式

        基坑支護(hù)設(shè)計從確定支護(hù)結(jié)構(gòu)的形式開始,在分析支護(hù)結(jié)構(gòu)可行性時,其主要因素有:基坑開挖深度;地層參數(shù);地下水情況;基坑周邊環(huán)境復(fù)雜程度、破壞造成的影響程度;基坑所處位置是否允許足夠空間;項目所在場地是否允許支護(hù)結(jié)構(gòu)施工的工藝;施工工期要求;預(yù)算要求等。目前在北方地區(qū)常見的基坑支護(hù)形式主要有以下幾種。

        2.1 放坡

        由于放坡需要合理的坡比,邊坡上口線往往距離基坑底部有一定距離,要求基坑周邊有充足的空間。另外,放坡支護(hù)的水平位移較大,容易導(dǎo)致周邊既有建筑、道路或管網(wǎng)出現(xiàn)變形,因此對變形控制嚴(yán)格的基坑不可采用放坡支護(hù)。但是這種支護(hù)方式工程預(yù)算最低。一般來說,施工現(xiàn)場滿足放坡條件的三級基坑工程可采用放坡方式,由于放坡支護(hù)形式的施工大部分來自土石方的清運,所以操作簡單,效率較高。并且放坡這種形式經(jīng)常作為其他支護(hù)形式的補充,多用于基坑上半部分,可卸載部分土壓力,配合其他支護(hù)形式協(xié)同支護(hù)。

        2.2 水泥土墻

        水泥土墻是指利用工程機(jī)械將土和水泥漿攪拌在一起,形成一道由其混合物組成的墻體,以此作為抵擋土壓力和基坑外地下水的結(jié)構(gòu)。此方式就地取材,施工過程中全部采用機(jī)械化,效率較高,可以一次解決需要抵擋土和水兩個問題,省去了降水井的施工步驟,有利于節(jié)約成本、縮短工期,被廣泛采用于二級、三級基坑的支護(hù)當(dāng)中[3]。

        2.3 鋼板樁支護(hù)

        鋼板樁一般是指拉森鋼板樁,是采用固定截面、定制長度、可以相互咬合的厚鋼板材料。在支護(hù)施工時,采用振動錘擊的方式錘入土體,彼此間相互咬合,形成密閉空間,既能抵擋土壓力,也能抵擋地下水,并且鋼板樁在基坑回填后可以回收再利用,具有經(jīng)濟(jì)性和高效性。

        2.4 排樁支護(hù)

        用于基坑支護(hù)的排樁一般分為人工挖孔樁、灌注樁、預(yù)制混凝土樁、鋼板樁,其可作為保證基坑開挖后周邊土體穩(wěn)定性的一種支護(hù)形式。按照樁身埋置方式和支撐形式可分為支錨式、懸臂式兩種方式,并且通過鋼筋混凝土冠梁在樁頂連接排樁樁頭,或在樁身位置用鋼腰梁連接樁身,進(jìn)一步增加穩(wěn)定性和完整性。

        2.5 土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)

        土釘墻是一種在土體中加入鋼筋的支護(hù)結(jié)構(gòu),俗稱加筋土,是指利用穿過基坑潛在滑裂面的鋼筋,來加固滑裂面抗滑強(qiáng)度,從而達(dá)到對滑動土體增加強(qiáng)度的效果。在土釘施工完畢后,應(yīng)在基坑側(cè)壁采用噴射混凝土以保護(hù)坡面,并在其中設(shè)置泄水孔。否則在雨季到來時,雨水倒灌入土,會導(dǎo)致滑裂土體的總應(yīng)力大幅增加,嚴(yán)重時會導(dǎo)致基坑失穩(wěn)。土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)施工相對簡單,成本較低,在二級、三級基坑中效果非常好。這種支護(hù)結(jié)構(gòu)一般要求基坑周邊土體自穩(wěn)性較好。

        2.6 地下連續(xù)墻

        地下連續(xù)墻是指埋于地下的鋼筋混凝土墻,在基坑開挖之前應(yīng)沿著基坑邊線打造擋土墻,隨著基坑開挖,整個墻面逐漸暴露出來,其可以抵擋基坑外的土壓力和地下水,是一舉兩得的支護(hù)形式,但由于其采用大量的鋼筋混凝土,造價非常昂貴,因此只有在地下土層參數(shù)非常差時才會考慮。

        2.7 支撐式支護(hù)結(jié)構(gòu)

        支撐式支護(hù)一般分為鋼支撐和鋼筋混凝土支撐兩種,其整體性好,安全系數(shù)高,能夠較好地限制支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移,適用條件廣泛,一般用于較深的基坑。但是內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)中施工工作空間狹小不利于主體結(jié)構(gòu)施工和土方搬運。且其造價相對較高。一般在主體結(jié)構(gòu)施工過程中,會涉及拆撐和換撐工況,導(dǎo)致基坑施工工期較長。

        3 深基坑設(shè)計方案

        3.1 工程概況

        3.1.1 基坑尺寸

        該研究項目地下室共計2 層,周長約300 m,開挖深度達(dá)到10 m。

        3.1.2 環(huán)境條件

        場地周邊存在既有建筑物,基坑三條邊臨近市政道路,基坑四周存在地下管線,環(huán)境較復(fù)雜。要求基坑水平變形控制在2 cm 以內(nèi)。

        3.1.3 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級的確定

        該研究項目基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)失效、土體過大變形對基坑周邊環(huán)境或主體結(jié)構(gòu)施工安全的影響嚴(yán)重。依據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》JGJ 120—2012,基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級為一級[4]。

        3.2 支護(hù)方案擬選

        從基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)類型及其優(yōu)缺點中可以看出,對于容易產(chǎn)生較大變形的土釘墻、水泥土墻支護(hù)形式不能滿足安全等級要求。放坡支護(hù)形式?jīng)]有足夠的空間,因此將此三項排除。

        綜合考慮基坑開挖、周邊環(huán)境、地層情況、施工工藝,該基坑支護(hù)方案可采用以下4 種支護(hù)方式:①內(nèi)支撐;②地下連續(xù)墻;③雙排樁;④樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)??筛鶕?jù)其優(yōu)缺點選擇最合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

        1)內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)

        優(yōu)點:支撐式支護(hù)結(jié)構(gòu)可以適合多種形狀的基坑,整體穩(wěn)定性較好,安全系數(shù)高,成型后結(jié)構(gòu)水平位移小,適用于開挖較大、較深基坑。

        缺點:內(nèi)支撐桿件會影響基坑出土和內(nèi)部主體結(jié)構(gòu)施工,有時還會涉及拆撐和換撐的步驟,造成工期延長的后果,而且造價很高,最終拆除的混凝土支撐也很難回收利用。

        2)地下連續(xù)墻

        優(yōu)點:整體性好,成型后結(jié)構(gòu)水平位移小,可以在土層參數(shù)很差的條件下起到穩(wěn)固土體的作用,可擋土、擋水,一舉兩得。施工速度較快。

        缺點:施工工藝中不可避免地產(chǎn)生大量泥漿,污染環(huán)境。造價高。

        3)雙排樁支護(hù)

        優(yōu)點:結(jié)構(gòu)原理和適用性等同于單排樁支護(hù),但其在土壓力方向具有更大的擋土截面,在位移控制上效果更好。

        缺點:造價高。

        4)錨拉排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)

        優(yōu)點:整體剛度大,能夠有效限制變形,環(huán)境污染小,施工簡單,基坑內(nèi)部空間充裕,方便施工,土石方開挖、清運較為方便。整體造價較低[5]。

        缺點:基坑周邊有地鐵盾構(gòu)項目時不可采用,錨索會導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)刀盤損壞。

        以上4 種方案,結(jié)合研究項目的具體情況,從安全性、施工工藝、成本預(yù)算、工期要求等方面綜合分析,該基坑最終確定采用雙排樁加樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)兩種支護(hù)形式。

        3.3 設(shè)計依據(jù)

        考慮基坑周邊既有建筑及施工便道的重載車輛,荷載平均按40 kPa 計入。

        場地地層參數(shù)取值見表2。

        表2 場地地層參數(shù)

        4 具體支護(hù)方案及計算模型

        采用北京理正深基坑軟件(F-SPW7.0)進(jìn)行模型計算。由于本研究項目基坑支護(hù)設(shè)計根據(jù)的基坑形狀、周邊環(huán)境、土層參數(shù)、高程等不同,采用了兩種不同的支護(hù)結(jié)構(gòu),在基坑的不同位置應(yīng)用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式,其中1-1 剖面采用樁錨支護(hù),2-2 剖面采用雙排樁支護(hù)形式。具體方案如下。

        1-1 剖面:此段為樁錨支護(hù),基坑深度10 m,排樁樁頂標(biāo)為地表下1 m,鉆孔灌注樁樁徑800 mm,間距1 200 mm,有效樁長12 m,樁體混凝土強(qiáng)度為C30。共設(shè)置3 道錨索,錨索水平間距2.4 m,預(yù)加力150 kN。

        2-2 剖面:此段為雙排樁支護(hù),基坑深度10 m,排樁樁頂標(biāo)高位于地表,鉆孔灌注樁樁徑800 mm,間距1 200 mm,有效樁長16 m,樁體混凝土強(qiáng)度為C30。

        此方案采用頂部稍作放坡處理,下部采用樁錨支護(hù)的形式進(jìn)行支護(hù),平衡周邊荷載,合理坡比放坡,可縮短支護(hù)排樁的樁長,減少混凝土和鋼筋用量,并合理設(shè)置錨索,可減少支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)的土壓力及地表荷載傳遞的壓力,縮小基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移,在保證相同安全系數(shù)下,減小錨索長度。

        5 支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形分析

        本文選擇了樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)(1-1)和雙排樁(2-2)兩種支護(hù)形式,具體計算情況如下。

        1-1 剖面:開挖到底工況位移為14.84 mm、支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩最大值86.67 kN,剪力最大值78.44 kN。①計算方法:瑞典條分法;②應(yīng)力狀態(tài):有效應(yīng)力法;③條分法中的土條寬度:1.00 m;④整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=2.926>1.35,滿足規(guī)范要求;⑤抗傾覆穩(wěn)定性驗算:最小安全系數(shù)Kt=25.316>1.250,滿足規(guī)范抗傾覆要求;⑥最小安全系數(shù)Kov=4.613>1.250,滿足規(guī)范要求;⑦開挖到底工況最大水平位移為14.86 mm,符合要求(見圖1)。

        圖1 1-1 剖面整體穩(wěn)定驗算簡圖(m)

        2-2 剖面:開挖到底工況位移為14.67 mm、支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩最大值243.37 kN,剪力最大值96.08 kN。①計算方法:瑞典條分法;②應(yīng)力狀態(tài):有效應(yīng)力法;③條分法中的土條寬度:1.00 m;④整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=3.082>1.350,滿足規(guī)范要求;⑤抗傾覆穩(wěn)定性驗算:抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)KQ=4.488>1.250,滿足規(guī)范要求;⑥開挖到底工況最大水平位移為14.67 mm,符合要求(見圖2)。

        圖2 2-2 剖面整體穩(wěn)定驗算簡圖(m)

        6 結(jié)論

        深基坑的支護(hù)較為復(fù)雜,涉及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題,也涉及周邊建筑物、道路、管線的安全問題,項目所在場地的環(huán)境也要考慮在內(nèi)。本工程實踐證明,采用雙排樁加樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)加固方式的基坑支護(hù),成本較低,施工效率高,對周圍建筑物、市政道路及管線影響小,可應(yīng)用于城市中心位置的基坑工程。

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