某深基坑工程支護(hù)選型與設(shè)計(jì)計(jì)算的研究

張 衛(wèi)，趙善國(guó)

(1. 中國(guó)水電基礎(chǔ)局有限公司，天津301700;2. 黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱150080)

0 引 言

近年來我國(guó)建筑、市政等工程得到飛速發(fā)展。在建筑向高發(fā)展的同時(shí)，地下空間的利用也成為一個(gè)重要方向。地下建設(shè)工程越來越多，基坑的開挖深度也越來越大。高層及多層建筑的地下室、地下商場(chǎng)、地下車庫(kù)、地鐵車站等工程施工，都會(huì)面臨深基坑工程。近年我國(guó)對(duì)于深基坑支護(hù)技術(shù)也有很多的研究，并且也取得了一些成果［1－5］。隨著高層建筑物的高度不斷加大，其基礎(chǔ)愈做愈深，相應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)施工難度也愈來愈大。為此我們以一具體深基坑工程的選型、支護(hù)設(shè)計(jì)與計(jì)算過程為例，對(duì)深基坑的支護(hù)設(shè)計(jì)理論進(jìn)行了研究。

1 基坑支護(hù)的類型

深基坑支護(hù)型式常用的有: 鋼板樁支護(hù)、鋼筋混凝土板樁、鉆孔灌注樁、地下連續(xù)墻、土層錨桿、深層攪拌水泥土樁擋墻、旋噴樁帷幕墻等。

2 工程概況

擬建場(chǎng)地原始地貌為山前斜坡，狐尾山山前坡地地帶，場(chǎng)地實(shí)測(cè)孔口高程為6.04 ～9.21 m，高差3.17 m，地勢(shì)呈東北高西南低。建筑物設(shè)計(jì)室內(nèi)地坪±0.00 m標(biāo)高為7.20 m。擬建場(chǎng)地西側(cè)、南側(cè)目前為圍墻，距擬建建筑物最近為8 m，圍墻西南方向處有一公司，距基坑邊線最近為14.0 m。北側(cè)為該小區(qū)北區(qū)安置住宅部分，現(xiàn)有建筑物尚未拆遷完畢。東側(cè)為公路，道路邊線距擬建建筑物輪廓線最近約為15 m。擬建場(chǎng)地原為小區(qū)，目前尚未拆遷完畢，場(chǎng)地內(nèi)埋藏有舊基礎(chǔ)，堆填大量的建筑垃圾，未發(fā)現(xiàn)通信電纜，管道，人防工程建筑、地下鐵道及其它地下埋設(shè)物。

根據(jù)本次勘察的地質(zhì)資料，場(chǎng)地地基巖土自上而下主要由人工填土( 雜填土①1、塊石①2) ，粉質(zhì)黏土②、淤泥③、殘積土( 殘積黏性土④、凝灰?guī)r殘積黏性土④1) 和基巖( 全風(fēng)化花崗巖⑤、全風(fēng)化凝灰?guī)r⑤1、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖⑥、強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r⑥1、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖⑦、強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r⑦1、中微風(fēng)化花崗巖⑧、中微風(fēng)化凝灰?guī)r⑧1) 組成。場(chǎng)地內(nèi)地下水類型主要為上層滯水及承壓水兩類。場(chǎng)地內(nèi)地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)無腐蝕性。各巖土層地基設(shè)計(jì)參數(shù)見下表1。

3 基坑支護(hù)選型

本場(chǎng)地基坑范圍詳見基坑總平面示意圖，按地下室底板標(biāo)高－3.10 m考慮，基坑開挖深度9.14 ～12.31 m，沿西、南側(cè)基坑開挖邊線目前有磚砌圍墻，距西南角14.0 m處為一公司;北側(cè)為擬建的北區(qū)安置住宅部分地下室，與本工程地下室相連為一整體; 東側(cè)為公路。根據(jù)場(chǎng)地周邊環(huán)境條件，基坑側(cè)壁破壞后果，基坑開挖深度和場(chǎng)地工程、水文地質(zhì)條件，本工程基坑工程安全等級(jí)，A—A 斷面為一級(jí)，其余斷面均為二級(jí)。

基坑分為A—A、B—B、B—H、J—J、I—I、H—H6個(gè)支護(hù)區(qū)段，如圖1 所示。由于場(chǎng)地穩(wěn)定地下水位處于地下室基坑底以上，本工程進(jìn)行建設(shè)時(shí)應(yīng)進(jìn)行降水，根據(jù)地下水埋藏條件，并結(jié)合該地區(qū)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，基坑采用集水明排的方法降水，由于基坑周圍環(huán)境簡(jiǎn)單，建筑稀少，加之該地區(qū)地基土因降水固結(jié)而產(chǎn)生的沉降量較小，不必設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)止水結(jié)構(gòu)，基坑開挖時(shí)，如基坑涌水量較大，可根據(jù)實(shí)際情況考慮在基坑周邊加一排輕型井點(diǎn)管輔助降水。根據(jù)國(guó)家有關(guān)規(guī)程、規(guī)范結(jié)合地區(qū)深基坑支護(hù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，目前用于10.00 m左右基坑支護(hù)的主要支護(hù)結(jié)構(gòu)形式有: 地下連續(xù)墻、樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)和土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)。對(duì)基坑支護(hù)等級(jí)為一級(jí)、變形要求比較嚴(yán)格的基坑，常采用地下連續(xù)墻、樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu); 對(duì)于基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)等級(jí)為二級(jí)、變形要求不甚嚴(yán)格的基坑，常采用土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)。從施工難以程度和工程造價(jià)考慮，本工程不宜采用地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)。本基坑工程的支護(hù)等級(jí)除A—A 斷面外均為二級(jí)，26 層辦公樓A—A 斷面附近有建筑物，對(duì)變形要求較高，為一級(jí)基坑，所以采用樁錨支護(hù)，根據(jù)已知地質(zhì)情況，通過對(duì)基坑支護(hù)方案的選型和經(jīng)濟(jì)比較，確定了以土釘墻和樁錨護(hù)壁為主的基坑。

表1 巖土層地基設(shè)計(jì)參數(shù)建議值表

樁錨支護(hù)在重要基坑支護(hù)工程中的應(yīng)用非常廣泛，基坑側(cè)壁變形較小，穩(wěn)定性好，且成功的實(shí)例很多，同時(shí)也積累了豐富的施工經(jīng)驗(yàn)。綜合考慮西南側(cè)可采用樁錨支護(hù)。其它各側(cè)對(duì)基坑變形要求不高，可采用土釘墻支護(hù)。土釘墻支護(hù)技術(shù)在該地區(qū)已比較成熟，其施工工藝簡(jiǎn)便，采用人工洛陽(yáng)鏟成孔技術(shù)工藝簡(jiǎn)單，無噪音、無施工污水污染等環(huán)境危害，環(huán)衛(wèi)條件良好; 可邊開挖邊施工，節(jié)約工期; 其造價(jià)也較低。綜合考察現(xiàn)場(chǎng)的周邊環(huán)境、道路及巖土組合等條件，為盡可能避免基坑開挖對(duì)周圍建筑物、道路的影響，經(jīng)過細(xì)致分析、計(jì)算和方案比較，本工程支護(hù)方案選用下列形式: 整個(gè)基坑除了A—A 斷面采用土釘墻放坡+樁錨支護(hù)外，其余斷面均采用土釘墻支護(hù)。基坑內(nèi)采用集水坑排除地下水。

本文以基坑西南側(cè)A—A 斷面支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算為例進(jìn)行研究。

4 基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)

基坑西南側(cè)A－A 斷面支護(hù)等級(jí)為二級(jí)，采用上部放坡+樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)，基坑深10.03 m，根據(jù)該地段的地層狀況，并結(jié)合《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)范》( JGJ120—99) 中的相關(guān)規(guī)定，可推出該斷面允許放坡開挖，其放坡高度可設(shè)計(jì)為4.5 m，坡度系數(shù)為0.8，為了安全起見，放坡段可加三道土釘。其中的鉆孔灌注樁直徑為1 000 mm，樁心距為2.0 m，樁頂標(biāo)高為－4.5 m，樁底標(biāo)高為－19.93 m，樁長(zhǎng)為15.43 m，采用C 25混凝土，沿基坑A—A 斷面共布置59 根。設(shè)置二層錨桿，桿采用用Ⅱ級(jí)直徑25 mm，第一層錨桿設(shè)計(jì)標(biāo)高為－4.6 m，水平間距2.0 m，長(zhǎng)度為15.0 m，錨桿傾角為35 度;第二層錨桿與第一層錨桿的豎直距離為2.5 m，水平間距為2.0 m，長(zhǎng)度15.0 m，傾角35°。灌入水泥凈漿，水灰比設(shè)計(jì)為0.5∶1。

4.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

灌注樁樁徑1 000 mm，樁心距2 000 mm，首層錨桿豎向間距為100 mm，第二層錨桿與首層豎向間距為2.5 m，兩層錨桿 的 水 平 間 距 為2 m，傾 角 α = 35°，圈 梁 低 于 地面4.5 m。［6－8］

4.2.1 土壓力系數(shù)計(jì)算

開挖深度范圍內(nèi)土體力學(xué)指標(biāo)加權(quán)平均值:

為了保守起見，土壓力系數(shù)均用郎肯法計(jì)算，所以:

4.2.2 內(nèi)力計(jì)算

用逐層開挖錨桿支撐力不變計(jì)算法計(jì)算。計(jì)算時(shí)，不考慮支護(hù)樁體與土體的摩擦作用，且不對(duì)主、被動(dòng)土壓力系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，僅作為安全儲(chǔ)備處理。

首先求A 點(diǎn)所受的水平力RA( 如圖2) 。假設(shè)第一道錨桿已做完，第二道錨桿未做，必須挖深第二道錨桿以下0.5 m，即基坑開挖至3.0 m處。

對(duì)O1點(diǎn)彎矩總和為零:(3 +2.67) RA= M01

求B 點(diǎn)所受的水平力RB，在B 點(diǎn)處錨桿可以施工，但需求出水平力RB，如圖3 待B 點(diǎn)錨桿施工完以后將土開挖到基坑底面即9.93 m處。

求最大彎矩為了安全起見，采用簡(jiǎn)支梁法計(jì)算

插入深度計(jì)算公式為:

4.3 土層錨桿設(shè)計(jì)

4.3.1 自由段長(zhǎng)度的確定

土錨自由段長(zhǎng)度Lf的確定，錨桿自由段長(zhǎng)度≥5 m，且應(yīng)超過潛在滑裂面1.5 m。

4.3.2 錨固段程度確定

鉆孔直徑d0為150 mm，因?yàn)椴捎枚巫{，所以錨固段直徑D 為1.5 d0= 0.15 ×1.5 = 0.225 m。

設(shè)第一道錨固段長(zhǎng)度為8.0 m，地面超載的高度折算h1(105/20) m=5.3 m。

則錨固段中點(diǎn)埋深

剪切強(qiáng)度:

取Lm1=12m，則錨桿總長(zhǎng)度為:

同樣地，設(shè)第二道錨固段為10 m:

取Lm2=14 m，可計(jì)算出錨桿總長(zhǎng)度:

采用理正深基坑軟件電算得出的錨桿長(zhǎng)為: L1=21 m，L2=19.5 m。由于力學(xué)參數(shù)和安全系數(shù)取值的差別，再加上滑裂面的假設(shè)不同，造成了計(jì)算結(jié)果的不同，為了安全起見，建議錨桿取兩者之間較長(zhǎng)的。

4.4 樁錨支護(hù)的驗(yàn)算

4.4.1 整體穩(wěn)定性驗(yàn)算采用瑞典條分法，運(yùn)用理正深基坑軟件電算結(jié)果為:

Ks=1.261≥1.200，滿足規(guī)范要求。

4.4.2 基坑底部抗隆起驗(yàn)算按地基承載力公式驗(yàn)算方法，驗(yàn)算公式如下:

式中: γ 為土的重度; q 為地面超載; Nc、Nq為地基承載力系數(shù)。

滿足規(guī)范要求( 見下圖4) 。

圖4 基坑底部抗隆起驗(yàn)算圖

5 結(jié) 論

本文結(jié)合一具體深基坑工程。通過詳細(xì)了解和分析現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境及地質(zhì)情況，根據(jù)以往成熟的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并考慮支護(hù)、止水、降水、監(jiān)控、應(yīng)急等工程狀況，從經(jīng)濟(jì)合理結(jié)構(gòu)安全的角度，提出了適合本工程特點(diǎn)的支護(hù)結(jié)構(gòu)方案。并對(duì)該基坑的選型和設(shè)計(jì)計(jì)算過程進(jìn)行了詳細(xì)分析研究。取得了良好的的效果，在類似的深基坑工程中具有較好的參考價(jià)值。

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