高層建筑深基坑支護(hù)探析

王建新

摘 要：對(duì)高層建筑深基坑支護(hù)的支護(hù)系統(tǒng)側(cè)壓力、水壓力測試和深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)等知識(shí)進(jìn)行介紹，并聯(lián)系實(shí)際提出深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的選擇，對(duì)工程實(shí)際有一定借鑒作用。

關(guān)鍵詞：高層建筑；深基坑；支護(hù)

中圖分類號(hào)：TU208.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3198（2009）03-0294-02

1 支護(hù)系統(tǒng)側(cè)壓力

1.1 支護(hù)系統(tǒng)計(jì)算理論

支護(hù)系統(tǒng)的側(cè)壓力包括主動(dòng)土壓力和水壓力，土壓力計(jì)算目前國內(nèi)普遍采用擋土墻理論庫侖公式和朗肯公式，這是由于目前尚無完整和成熟的支護(hù)系統(tǒng)側(cè)壓力計(jì)算理論，但是應(yīng)當(dāng)指出該兩套公式均按平面內(nèi)受力推導(dǎo)，而深基坑支護(hù)屬于空間問題，故兩者不一致。其次是擋土墻是先施工后填土，設(shè)計(jì)人員對(duì)填土可提出一定質(zhì)量要求，因此土的內(nèi)摩擦角ψ和土內(nèi)聚力c值均已知，其值較穩(wěn)定，因此擋土墻計(jì)算公式求得較精確，可靠性高。深基坑支護(hù)在原地基土上施工，在地表面以下3米左右之內(nèi)均為雜填土，在市鎮(zhèn)地區(qū)雜填土多為磚瓦碎片與城市垃圾，其比例有的高達(dá)70％以上，其成分與埋深也不均勻不穩(wěn)定，勘探單位提供地質(zhì)報(bào)告中凡是雜填土均不列出力學(xué)參數(shù)，故內(nèi)摩擦角ψ和土內(nèi)聚力c均無值，然而在應(yīng)用庫侖和朗肯公式計(jì)算主動(dòng)土壓力時(shí)要用該兩值，當(dāng)雜填土較厚時(shí)，這給深基坑支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)增加難度，因此其計(jì)算結(jié)果可靠性較差。作者認(rèn)為雜填土內(nèi)聚力值c應(yīng)取零，不予考慮。對(duì)國內(nèi)外高層建筑深基坑支擴(kuò)失敗實(shí)例分析來看，除支護(hù)設(shè)計(jì)有誤和施工時(shí)技術(shù)措施不妥外，其中有一條是地基土和地表潛水不穩(wěn)定，設(shè)計(jì)時(shí)選用參數(shù)和實(shí)際情況有較大出入，深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)可靠性較差有直接關(guān)系。

從以上分析可知，高層建筑深基坑支護(hù)的土壓力目前采用計(jì)算理論不能滿足設(shè)計(jì)使用的要求，其可靠性差，在一定程度上仍依靠施工技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，這有待于科技工作者通過科研和實(shí)踐相結(jié)合基礎(chǔ)上提出較為完整的計(jì)算理論。

1.2 地表潛水產(chǎn)生的水側(cè)壓力

擋土墻設(shè)計(jì)時(shí)一般不考慮水的側(cè)壓力，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)時(shí)擋土墻背后土體采用排水技術(shù)措施，設(shè)置排水盲溝(如砂石盲溝)和排水管，將墻后土體中潛水及時(shí)排出，不但大大降低地表潛水產(chǎn)生的水側(cè)壓力，而且墻后土質(zhì)含水量也比較穩(wěn)定，故土的力學(xué)參數(shù)和相應(yīng)土質(zhì)也相應(yīng)較穩(wěn)定。深基坑支護(hù)不但要求承載墻后土的主動(dòng)土壓力，而且要求達(dá)到防滲要求，以免地表潛水流入基坑內(nèi)，故基坑支護(hù)系統(tǒng)要承擔(dān)土中水產(chǎn)生的側(cè)壓力，這一點(diǎn)與常規(guī)擋土墻設(shè)計(jì)有較大差異，擋土墻施工后其工作條件較穩(wěn)定，而基坑支護(hù)條件往往多變而差，如挖土施工順序，地面施工條件等，地面堆積過多施工機(jī)具和材料，在支護(hù)系統(tǒng)上行駛汽車，施工用水直接滲入地下，挖土機(jī)械在挖土?xí)r超挖等，因此深基坑支護(hù)系統(tǒng)附近土體水分處不穩(wěn)定狀態(tài)利支擴(kuò)系統(tǒng)工作狀態(tài)多變。

沿海地區(qū)地下水較豐富，地基土多為淤泥，處于飽和狀態(tài)，深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮地下水產(chǎn)生側(cè)壓力，因此在富水地區(qū)，深基坑支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)該考慮地下水產(chǎn)生的側(cè)壓力的作用。

水壓力取值大小國內(nèi)文獻(xiàn)尚無具體規(guī)定，若取值過大，基坑支護(hù)費(fèi)用將增加；若取值過小，安全系數(shù)過小容易出各種重大事故。地下水對(duì)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)作用的側(cè)壓力大小主要取決于土結(jié)構(gòu)和土中含水量大小、土的密實(shí)度、空隙比e、液性指數(shù)Ic等土參數(shù)，也與地下水產(chǎn)生的側(cè)壓力有極大關(guān)系。e和Ic值大，說明土中自由水比例大，土中自然水能直接傳播靜止水壓力；當(dāng)e和Ic值較小時(shí)，上中空隙間水多于自由水，空隙水是由于受土中電子吸附作用，附著在土粒間的土粒表面，故空隙水產(chǎn)生的水壓力不直接傳播靜水壓力，這是由于土粒之間空隙水產(chǎn)生水壓力幾乎不隨土層深度增加而增加。目前尚無大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立空隙比s和液性指數(shù)Ic與土靜水壓力建立相對(duì)函數(shù)關(guān)系，這有待于科研工作者作深入研究。

2 水壓力測試

如何確定土中水壓力大小，尚無比較成熟的計(jì)算方法，作者認(rèn)為最好在現(xiàn)場測量土中水壓的大小，本文根據(jù)有關(guān)材料作簡略介紹如下。

2.1 測壓計(jì)工作原理

電測式測壓計(jì)在孔隙水壓力作用在該儀器的特殊金屬薄膜上，由薄膜產(chǎn)生變形引起電阻值(或電感、電磁值)的變化，這是一種力傳感器。

2.2 測壓計(jì)的率定

測壓計(jì)在正式使用前應(yīng)采用平衡電阻，對(duì)測壓計(jì)內(nèi)阻不平衡進(jìn)行調(diào)整，平衡電阻的阻值應(yīng)經(jīng)過計(jì)算確定。每個(gè)測壓計(jì)出廠時(shí)均標(biāo)有率定系數(shù)，可是由于應(yīng)變儀和示波器參數(shù)不完全一樣，所以要對(duì)新購買的測壓計(jì)進(jìn)行率定。其方法是利用加壓設(shè)備將測壓計(jì)的進(jìn)水和壓力表并聯(lián)，然后進(jìn)行分級(jí)加壓，根據(jù)精度要求（一般以lOKPa為單位）逐級(jí)加壓，繪制率定曲線，為了提高精度，應(yīng)經(jīng)過多次反復(fù)加荷后求出串定系數(shù)K，這需要采用最小二乘法等數(shù)學(xué)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。

2.3 測壓計(jì)的安裝和埋設(shè)

在土中安裝和埋設(shè)前必須在測壓計(jì)引出線附近進(jìn)行密封防水處理，為了確保儀器進(jìn)水口暢通，防止泥漿堵塞進(jìn)水口，應(yīng)在進(jìn)水口處用中砂形成一道人工過濾層，用鋼絲網(wǎng)包裹。

埋設(shè)前在埋設(shè)點(diǎn)先進(jìn)行鉆孔，鉆孔埋沒深度在測點(diǎn)標(biāo)高下100mm以下，在孔底填砂，將測頭迅速放入孔底，再在測頭周圍和上面填砂，并適當(dāng)壓實(shí)：最后用粘土將鉆孔嚴(yán)密封好。若在一個(gè)鉆孔內(nèi)不同深度埋設(shè)多個(gè)測頭，應(yīng)將每個(gè)測頭上下填砂，各測頭之間用原土填塞，其密度應(yīng)盡量與原土相同。埋設(shè)時(shí)測頭電線不應(yīng)拉得過緊，并應(yīng)注意測頭放置平整，及時(shí)調(diào)試儀器，確認(rèn)工作正常后方可填砂。由于測力計(jì)在埋設(shè)時(shí)需鉆孔和填砂填土，必然會(huì)破壞原土孔隙水的水壓力原始平衡狀態(tài)，為此應(yīng)在埋設(shè)側(cè)壓計(jì)后停歇10d左右，使其埋設(shè)側(cè)壓計(jì)部位水壓力恢復(fù)到原始狀態(tài)，此時(shí)測得水壓力才能準(zhǔn)確地反映土中水壓力實(shí)際情況。以此為依據(jù)設(shè)計(jì)深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)達(dá)到安全可靠的目的，且技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較好。

3 深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

3.1 現(xiàn)狀

目前建立一套成熟的設(shè)計(jì)計(jì)算理論，仍借用擋土墻設(shè)計(jì)方法，故設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)仍采用擋土墻設(shè)計(jì)安全系數(shù)，但也有不同意見，有的科技工作者認(rèn)為擋土墻是永久構(gòu)筑物，而基坑圍護(hù)是施工時(shí)所采用的臨時(shí)性技術(shù)措施，故應(yīng)采用較小的安全系數(shù)。從國內(nèi)深基坑圍護(hù)大量實(shí)例來看，其安全系數(shù)相差較大，有的過大，有的過小，凡是深基坑支護(hù)失敗實(shí)例來看，往往與其設(shè)計(jì)安全系數(shù)過小有直接關(guān)系。

3.2 安全系數(shù)選用

深基坑圍護(hù)安全系數(shù)的確定由設(shè)計(jì)者自定，作者認(rèn)為安全具體確定應(yīng)與現(xiàn)場具體情況而定，當(dāng)基坑附近有建筑物或煤氣等市政管網(wǎng)。工程地質(zhì)報(bào)告中提供土質(zhì)參數(shù)較差時(shí)，應(yīng)選用較大的安全系數(shù)。作者認(rèn)為不能盲目套用工程地質(zhì)報(bào)告有關(guān)參數(shù)，應(yīng)對(duì)現(xiàn)場土質(zhì)情況進(jìn)行全面了解和分析，合理地選用各種土質(zhì)參數(shù)，特別是土的內(nèi)聚力c值，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行折減，以提高計(jì)算結(jié)果可靠性，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)。

4 深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)選擇

深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)選擇，一般應(yīng)先考慮本單位現(xiàn)有施工機(jī)構(gòu)，優(yōu)先考慮本工程基礎(chǔ)樁相同類型樁作為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，如工程樁采用鋼筋混凝土灌注樁，則基坑支擴(kuò)結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量選用這種樁型，其直徑可相應(yīng)選用較小直徑，這樣可減少進(jìn)退場費(fèi)用。當(dāng)基坑較深圍護(hù)樁布置允許時(shí)，應(yīng)盡量選用兩排支護(hù)樁，這種布置方式力學(xué)性能較好，前后排樁與樁頂圈梁形成剛架結(jié)構(gòu)，樁間土參與協(xié)同工作。改善圍護(hù)樁的受力狀況，達(dá)到減少樁的配筋量。當(dāng)圍護(hù)樁要求達(dá)到防滲要求，基坑深度小于7m，地表雜填土中磚瓦碎片含量較多時(shí)，不宜單獨(dú)選用水泥攪拌樁，攪拌樁改為水泥注漿。北方粘土地區(qū)，基坑較深，可選用鋼筋混凝土樁加錨桿支護(hù)形式，但南方一般不適用，可選用大直徑鋼筋混凝土灌注樁，樁頂加鋼筋混凝土圈粱，轉(zhuǎn)角處加斜支撐。凡是地基土為淤泥，且基坑又較深時(shí)，不宜選用鋼板樁，選用鋼筋混凝土地下連續(xù)墻。工程造價(jià)較高，可選用大直徑兩排鋼筋棍凝土灌樁，中間加水泥攪拌樁(互相重疊150mm以上，以便形成防滲幕墻，且參加灌注樁協(xié)同工作，具有良好力學(xué)性能，當(dāng)條件允許時(shí)，用井點(diǎn)降水作為輔助手段)。圍護(hù)樁的選用應(yīng)經(jīng)過多方案比較，根據(jù)實(shí)際情況，包括周圍環(huán)境和地質(zhì)條件，選用經(jīng)濟(jì)效益最佳的支護(hù)方式。