深厚淤泥層基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)及變形分析

劉鳳茹

(深圳市廣匯源水利勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司 廣東深圳 518020)

1 引言

在我國(guó)沿海地區(qū)軟土分布廣泛,如濱海平原、河口三角洲、河岸、湖畔等處,往往存在大量的淤泥或淤泥質(zhì)土。淤泥類(lèi)軟土是在靜水條件或緩慢水流環(huán)境下淤積,并伴有生物化學(xué)作用的情況下形成的,往往呈軟塑 ～流塑狀,天然含水量高,一般都具有壓縮性高、強(qiáng)度低、滲透性差以及觸變性等特點(diǎn)[1]。近年來(lái),隨著濱海地區(qū)工程項(xiàng)目增多,經(jīng)常遇到深厚淤泥層中基坑開(kāi)挖問(wèn)題,由于淤泥質(zhì)土層厚度大、土質(zhì)差,對(duì)基坑圍護(hù)安全提出更高的要求,稍有不慎,容易引起基坑坍塌、場(chǎng)地周邊管線和道路損壞等不良影響。因此,深厚淤泥層中基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案成為巖土工程設(shè)計(jì)人員關(guān)心的熱點(diǎn),目前雖然已經(jīng)積累一定的成功經(jīng)驗(yàn)和分析方法[2～7],但由于問(wèn)題的復(fù)雜性,以及各個(gè)工程項(xiàng)目的特殊性,還需廣大研究人員進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)該課題的研究,增加交流,加深對(duì)這一問(wèn)題的認(rèn)識(shí)。

在此結(jié)合深圳市衙邊涌片區(qū)泵站排澇工程中泵站部分基坑開(kāi)挖項(xiàng)目,介紹深厚淤泥層中基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方法,并選取典型斷面利用有限元軟件分析基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形,對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行論證。

2 工程概況

衙邊涌泵站排澇工程位于深圳市寶安區(qū)沙井街道衙邊涌片區(qū),由于片區(qū)內(nèi)地勢(shì)低洼及受潮水位和茅洲河水位的頂托,經(jīng)常發(fā)生洪澇災(zāi)害,所以建設(shè)排澇泵站,抽排匯入低區(qū)的雨水,提高片區(qū)的防洪排澇能力。泵站設(shè)六臺(tái)機(jī)組,總設(shè)計(jì)排澇流量 38.76m3/s,屬中型泵站。場(chǎng)地標(biāo)高約為 4.0m,而泵房結(jié)構(gòu)底板標(biāo)高為-6.0m,基坑開(kāi)挖深度7.0～11.2m,基坑西側(cè)與茅洲河干流相鄰,需要進(jìn)行基坑支護(hù)。

2.1 場(chǎng)地巖土工程地質(zhì)條件

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告提供的數(shù)據(jù),擬建場(chǎng)地巖土工程地質(zhì)條件復(fù)雜,場(chǎng)地土層分布自上而下依次描述如下。

(1)雜填土層:主要成分為粉質(zhì)黏土及少量生活建筑垃圾,且不均勻夾填石,未完成自重固結(jié),結(jié)構(gòu)松散,稍濕,分布范圍較廣,厚度變化大,平均厚度為 3.56m。

(2)淤泥層:呈流塑,具高壓縮性,強(qiáng)度低,飽和,其中含大量有機(jī)質(zhì),場(chǎng)地內(nèi)全場(chǎng)分布,平均厚度為 14.49m。

(3)中細(xì)砂層:松散 ～稍密,飽和,其中不均勻含粉質(zhì)黏土、粗砂及圓礫。場(chǎng)地內(nèi)全場(chǎng)分布,平均厚度為 1.65m。

(4)黏性土層:可塑 ～硬塑,濕。場(chǎng)地內(nèi)全場(chǎng)分布,平均厚度為 12.25m。

(5)強(qiáng)風(fēng)化細(xì)?；◢弾r層:由細(xì)?；◢弾r風(fēng)化殘積而成,原巖結(jié)構(gòu)清晰,巖芯呈土狀、塊狀。場(chǎng)地內(nèi)全場(chǎng)分布,平均厚度為 8.60m。

根據(jù)勘察資料,各土層的物理力學(xué)指標(biāo)如表 1所示。根據(jù)基坑的實(shí)際開(kāi)挖深度以及土層分布狀況,基坑開(kāi)挖面基本位于雜填土層和淤泥層中。

表 1 各土層物理力學(xué)參數(shù)

2.2 場(chǎng)地水文地質(zhì)條件

擬建場(chǎng)地地下水主要類(lèi)型有松散土層的孔隙水和基巖裂隙水。地下水受大氣降雨影響。松散土層中的孔隙潛水分布于海沖積砂層中,透水性較好,屬?gòu)?qiáng)透水層,受大氣降水補(bǔ)給,水位隨降雨量大小而變化。基巖裂隙水主要分布在強(qiáng) ～中風(fēng)化巖石裂隙中,由大氣降雨和孔隙水補(bǔ)給,屬中等透水層,埋藏深度和流量亦受大氣降水影響。該場(chǎng)地地下水動(dòng)態(tài)的基本特征是隨季節(jié)變化大。場(chǎng)地內(nèi)地下水勘察期間測(cè)得地下水位埋深 0.32～4.70 m,標(biāo)高變化 -0.30～3.83m。場(chǎng)地地下水及地表水對(duì)混凝土無(wú)腐蝕性,對(duì)混凝土中的鋼筋無(wú)腐蝕性,對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性。場(chǎng)地環(huán)境類(lèi)型為Ⅱ類(lèi)。

2.3 周邊環(huán)境和地下管線概況

該場(chǎng)地基坑西側(cè)與茅洲河干流相鄰,在連接段南側(cè)有一棟二層的混凝土建筑,距基坑約 30m遠(yuǎn)。場(chǎng)地周邊管線情況大致為:①泵房、進(jìn)水池、前池處分布有南北向及東西向多條塑膠污水管,最大管徑 2200mm;②連接段處分布有多條混凝土雨水管,管徑 200～300mm。

3 基坑支護(hù)方案

3.1 基坑支護(hù)選型

泵站基坑存在以下特點(diǎn):基坑深度較深,最深處為 11.2m;地質(zhì)條件差,淤泥層特別深厚,平均厚近 15m,淤泥強(qiáng)度低,天然含水量高;泵站基坑形狀復(fù)雜,泵站結(jié)構(gòu)不像土建結(jié)構(gòu)形狀規(guī)則,泵站存在進(jìn)水池、前池、泵房、出水池等建筑物,形狀不規(guī)整且結(jié)構(gòu)不對(duì)稱,增加支護(hù)的難度。綜合分析以上特點(diǎn),擬放坡開(kāi)挖、灌注樁加錨索及灌注樁加內(nèi)支撐三個(gè)方案進(jìn)行比較。因工程地處濱海深厚軟土地區(qū),淤泥強(qiáng)度低,能滿足穩(wěn)定邊坡的坡度很小,泵站基坑開(kāi)挖需要很大的施工場(chǎng)地,而周邊又有建筑物及管線,所以放坡開(kāi)挖方案不可行。淤泥強(qiáng)度低,與錨索錨固體的黏結(jié)強(qiáng)度低,錨索拉力很有限,為保證基坑穩(wěn)定及變形的控制,需要錨索密度大、錨固段長(zhǎng),這樣導(dǎo)致錨索在淤泥中施工困難、投資大,而內(nèi)撐材料采用鋼筋混凝土,質(zhì)量穩(wěn)定程度高,且泵站基坑的對(duì)稱結(jié)構(gòu)剛好發(fā)揮內(nèi)撐結(jié)構(gòu)抗壓的優(yōu)點(diǎn),可以有效控制變形,投資省。通過(guò)多方面比較,泵站基坑支護(hù)方案確定為:灌注樁 +混凝土內(nèi)支撐支護(hù)形式。基坑平面示意如圖 1所示,圖 2為泵房部位支護(hù)剖面示意。

圖 1 基坑平面示意

圖 2 泵房部位支護(hù)剖面示意

3.2 基坑止水、排水系統(tǒng)

在基坑支護(hù)工程中,地下水及地表水的合理處理極為重要。根據(jù)該工程的水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件及周邊環(huán)境,提出如下處理方案。

(1)在鉆 (沖)孔樁間設(shè)置 φ600旋噴樁止水及隔擋樁間土。

(2)根據(jù)地下水情況,土方開(kāi)挖時(shí)在場(chǎng)地內(nèi)利用挖土機(jī)挖 1m×1m×1m集水井?dāng)?shù)個(gè),在開(kāi)挖的同時(shí)放入污水泵抽水。隨著開(kāi)挖深度的增加,逐漸增加集水井的深度。將集水井的水抽排到坑頂排水溝,通過(guò)坑頂三級(jí)沉淀池、排水明溝將之外排到市政管網(wǎng)。

(3)基坑開(kāi)挖時(shí),坑頂設(shè)一磚砌排水明溝,尺寸為 300mm×300mm(凈尺寸),在基坑內(nèi)合適位置設(shè)置四個(gè)集水池,匯集坑內(nèi)積水并抽排至坑頂排水溝。

3.3 基坑支護(hù)施工順序

基坑施工主體部分須遵循以下施工順序:

支護(hù)樁、支撐樁、旋噴樁施工→樁質(zhì)量檢測(cè)→鑿樁頭、樁頂冠梁施工→第一層土方開(kāi)挖 (至標(biāo)高 2.0m)→第一道腰梁、內(nèi)支撐施工→養(yǎng)護(hù)→第二層土方開(kāi)挖 (至標(biāo)高 -3.5m)→第二道腰梁、內(nèi)支撐施工→養(yǎng)護(hù)→土方開(kāi)挖直至基坑底 (須分段開(kāi)挖、分段換填)→澆筑結(jié)構(gòu)底板、底板與支護(hù)樁之間須密實(shí)→養(yǎng)護(hù)→拆除第二道支撐→澆筑結(jié)構(gòu)側(cè)板→養(yǎng)護(hù)→拆除第一道支撐。

3.4 土方開(kāi)挖和基坑監(jiān)測(cè)

基坑開(kāi)挖過(guò)程中需控制好開(kāi)挖順序,分段、分塊開(kāi)挖后應(yīng)及時(shí)換填,另外在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)備有砂袋、木樁等應(yīng)急物資。為保證施工安全及施工質(zhì)量,遵循動(dòng)態(tài)信息化施工原則,建設(shè)單位應(yīng)委托有資質(zhì)公司對(duì)基坑沉降和水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4 基坑變形分析

4.1 計(jì)算模型

基坑開(kāi)挖過(guò)程中,基坑周?chē)乇怼⒖拥淄馏w及支護(hù)結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生一定的變形,合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠有效控制這一變形的發(fā)展,使變形的量值限制在安全范圍內(nèi)。為驗(yàn)證上述方案的合理性,選取典型剖面,采用商業(yè)有限元軟件建立二維有限元模型,對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行模擬,分析基坑的變形性狀。

建立計(jì)算模型,模型左側(cè)邊界距開(kāi)挖面為 3倍的開(kāi)挖深度;下邊界距坑底 3倍的開(kāi)挖深度?？紤]模型的對(duì)稱性,取 1/2模型進(jìn)行分析,即模型開(kāi)挖寬度取半寬。模型地表為自由邊界;左側(cè)邊界與對(duì)稱邊界約束 x向位移,y向可自由移動(dòng);底邊界采用固定約束。基坑分三次開(kāi)挖,第一次開(kāi)挖至 3m高程,設(shè)置支撐;第二次開(kāi)挖至 -2.5m高程,設(shè)置支撐;第三次開(kāi)挖至坑底,高程 -6.0m。旋噴樁和鉆孔樁采用實(shí)體單元模擬,混凝土支撐以及鋼立柱采用梁?jiǎn)卧M。

4.2 計(jì)算結(jié)果

通過(guò)對(duì)施工階段的模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn),各個(gè)階段支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形、坑底土體隆起量以及基坑周?chē)乇沓两盗恐挡⒉淮?變形值均在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。橫向支撐有效限制支護(hù)樁的側(cè)向變形,坑底由于鉆孔樁的施工,變形模量得到提高,在一定程度上限制坑底土體的隆起。經(jīng)計(jì)算可知:開(kāi)挖至坑底,支護(hù)樁最大側(cè)向變形 5mm左右,坑底最大隆起量15mm左右。通過(guò)計(jì)算分析,可見(jiàn)上述設(shè)計(jì)方案是合理可行的。

5 結(jié)論

當(dāng)基坑場(chǎng)地存在深厚淤泥層時(shí),且基坑開(kāi)挖深度、寬度都較大的情況下,基坑開(kāi)挖支護(hù)設(shè)計(jì)方案顯得尤為重要,合理的設(shè)計(jì)方案不僅能夠保證工程順利安全施工,還能節(jié)約工程造價(jià)。文中結(jié)合工程實(shí)例,詳細(xì)闡述存在深厚淤泥層時(shí)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案,以及施工注意事項(xiàng),并通過(guò)有限元對(duì)方案進(jìn)行模擬分析,基坑的變形值均在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi),該設(shè)計(jì)方案是切實(shí)可行的,可供類(lèi)似基坑工程支護(hù)方案設(shè)計(jì)參考。

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