天津地區(qū)固快合算在基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

□文/劉建志 樊繼良 任彥華 劉秀風(fēng)

天津地區(qū)固快合算在基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

□文/劉建志 樊繼良 任彥華 劉秀風(fēng)

基坑工程中支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)壓力的計(jì)算至關(guān)重要。闡述了支護(hù)結(jié)構(gòu)上水土壓力的計(jì)算方法以及目前的應(yīng)用情況。以天津地區(qū)實(shí)際工程案例為依托，分析比較了采用固結(jié)快剪水土合算所得支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形的分布情況。通過分析可知，采用固快合算進(jìn)行基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的工程均取得了較好的效果，進(jìn)而說明在一定條件下可以采用固快合算進(jìn)行基坑支護(hù)設(shè)計(jì)。

基坑工程；水土壓力；固快合算

天津市城市建設(shè)的發(fā)展，極大促進(jìn)地下空間資源的開發(fā)和利用。在地下軌道交通、大型商場(chǎng)及車庫等的建設(shè)過程中，基坑工程的規(guī)模、深度及難度不斷刷新，同時(shí)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中的許多問題逐步凸現(xiàn)出來。其中，支護(hù)結(jié)構(gòu)上的水土壓力計(jì)算得到越來越多的重視和討論[1～2]，它對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的計(jì)算至關(guān)重要。本文通過對(duì)天津地區(qū)基坑工程的分析和比較，提出在一定條件下可以采用固快合算的方法計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)上的側(cè)壓力。

1 支護(hù)結(jié)構(gòu)上水土壓力計(jì)算方法

在基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中，基坑開挖所影響的范圍內(nèi)存在地下水時(shí)，作用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的側(cè)壓力計(jì)算方法有水土分算和水土合算2種，水土分算一般采用固結(jié)快剪指標(biāo)，水土合算一般采用直剪快剪指標(biāo)。

國內(nèi)外專家普遍認(rèn)為，對(duì)于透水性強(qiáng)的砂土和碎石土，孔隙水是完全連通的、可流動(dòng)的，能夠有效傳遞靜水壓力。因此可以將水壓力和土壓力分開計(jì)算，即有效應(yīng)力σ＇z將在擋土結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生土壓力，而孔隙水壓力是各向等壓的，故直接作用在擋土結(jié)構(gòu)上，即所謂的水土分算原理。然而，由于很難準(zhǔn)確測(cè)定土的有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)c＇和φ＇，因此雖然水土分算的理論依據(jù)比較充分，概念比較清晰，但實(shí)際操作困難比較大，實(shí)際工程中多采用固結(jié)快剪指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。

水土合算一般適用于粘性土或粉土，關(guān)于粘性土和粉土的水土壓力計(jì)算，國內(nèi)外專家和學(xué)者尚無統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。從某種意義上講，水土合算可以分為“廣義”水土合算和“狹義”水土合算。狹義的“水土合算”通常只針對(duì)于超靜孔隙水壓力。由于在實(shí)際問題中，超靜水壓力一般難于確定，所以采用與實(shí)際應(yīng)力路徑和排水條件相近的試驗(yàn)確定強(qiáng)度指標(biāo)[3]。雖然水土合算在邏輯推理上不夠嚴(yán)密，而且與土力學(xué)基本原理有一定沖突，但計(jì)算比較簡單，加上一定的經(jīng)驗(yàn)修正，較接近實(shí)際情況。對(duì)于基坑深度范圍內(nèi)主要以粘性土為主的工程，多采用直剪快剪指標(biāo)進(jìn)行土壓力計(jì)算。

支護(hù)結(jié)構(gòu)上的水土壓力受諸多因素的影響，比如土的微觀結(jié)構(gòu)、土體的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力路徑、孔隙水壓力以及邊界條件等，各軟粘土地區(qū)根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)均對(duì)土壓力計(jì)算做出了相應(yīng)的規(guī)定[4～10]。但總體而言都強(qiáng)調(diào)在具有可靠地區(qū)經(jīng)驗(yàn)時(shí)，對(duì)粘性土甚至粉土作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的側(cè)壓力可按水土合算，地下水位以下取飽和重度并采用總應(yīng)力固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算。

目前，天津市對(duì)于粘性土為主的土層，大多數(shù)計(jì)算采用直剪快剪指標(biāo)合算計(jì)算土壓力；對(duì)于粉土或者砂土為主的土層，大多采用固結(jié)快剪指標(biāo)分算計(jì)算土壓力。

2 固快合算工程實(shí)例分析

在一些項(xiàng)目中嘗試采用固結(jié)快剪指標(biāo)、水土合算計(jì)算土壓力，經(jīng)實(shí)際開挖驗(yàn)證，支護(hù)效果良好。不同的計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果相差較大，尤其是支護(hù)體系的內(nèi)力，計(jì)算結(jié)果將直接影響到支護(hù)工程的經(jīng)濟(jì)性。據(jù)初步估算，不同的計(jì)算方法造價(jià)相差可達(dá)30%。以下將列舉濱海新區(qū)及市區(qū)具有代表性的基坑工程進(jìn)行分析比較。

2.1 工程實(shí)例1

康居園-城市之光工程位于濱海新區(qū)，該工程基坑深度6.4 m，采用鉆孔灌注樁φ600 mm@900 mm+鋼筋混凝土圓環(huán)形支撐的支護(hù)形式。

該場(chǎng)地基坑深度范圍內(nèi)土層主要以淤泥質(zhì)粘土為主，見表1，深部主要為粉質(zhì)粘土。

表1 淤泥質(zhì)土層的物理力學(xué)指標(biāo)

對(duì)變形影響較大的淤泥質(zhì)粘土為飽和軟粘土，含水量很高，粘粒含量極高，土中的水基本為結(jié)合水，不易從土中排出且土質(zhì)靈敏度較高，現(xiàn)場(chǎng)取樣時(shí)極易造成土體擾動(dòng)，導(dǎo)致室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與原狀土樣的強(qiáng)度值有一定的差別。從圖1可以看出，對(duì)于濱海新區(qū)軟粘土區(qū)域內(nèi)類似深度的基坑工程，采用固結(jié)快剪指標(biāo)合算計(jì)算所得的支護(hù)樁的變形特征與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好。

圖1 工程實(shí)例1支護(hù)樁水平位移、彎矩及剪力對(duì)比分析

2.2 工程實(shí)例2

天津一中心醫(yī)院東方器官移植中心工程位于南開區(qū)復(fù)康路和紅旗路交口，基坑平面形狀近似為矩形，為2層地下結(jié)構(gòu)，基坑深度約11.2 m。采用鉆孔灌注樁（φ800 mm@1 200 mm）+鋼筋混凝土對(duì)撐角撐的支護(hù)形式。場(chǎng)地內(nèi)土層主要為粉質(zhì)粘土，基坑底部的土層物理力學(xué)指標(biāo)見表2。

表2 基坑底部的土層物理力學(xué)指標(biāo)

該項(xiàng)目相比常規(guī)的2層地下基坑的工程，深度偏大，采用對(duì)撐及角撐的方式內(nèi)支撐具有較好的剛度，那么支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形主要是由于樁體的變形所引起的。從圖2可以看出，固結(jié)快剪指標(biāo)水土合算情況下支護(hù)樁的水平位移與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較為接近，固快分算所得的結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相差較大，若通過加大樁體的剛度來控制基坑的變形則會(huì)造成較大的浪費(fèi)。支護(hù)結(jié)構(gòu)上的最大彎矩均出現(xiàn)在坑底以上2 m左右，最大剪力均出現(xiàn)在坑底附近；但最大彎矩相差近50%，最大剪力相差近60%。若采用水土分算進(jìn)行設(shè)計(jì)，則支護(hù)樁內(nèi)的配筋須大量增加，支護(hù)造價(jià)會(huì)大幅提高。因此對(duì)于該項(xiàng)目來說采用固結(jié)快剪指標(biāo)、水土合算是比較適宜的。

圖2 工程實(shí)例2支護(hù)樁水平位移、彎矩及剪力對(duì)比分析

2.3 工程實(shí)例3

津和榮2#地下工程位于和平區(qū)南市大街與清河大街交口處，基坑形狀近似矩形，基坑的整體深度約11.2 m?；又ёo(hù)采用退臺(tái)卸荷SMW工法樁（φ850 mm@1 200 mm內(nèi)插700 mm型鋼）+鋼筋混凝土環(huán)形支撐的形式。該場(chǎng)地上部土層主要為人工填土，下部土層以粉質(zhì)粘土為主，見表3。

表3 下部粉質(zhì)粘土的物理力學(xué)指標(biāo)

支護(hù)樁采用SMW工法樁，其樁身剛度較灌注樁小。由于地表以下約10 m土層均為人工填土，原設(shè)計(jì)采用固快指標(biāo)、水土分算無可厚非，其樁身的最大計(jì)算位移約35 mm，符合規(guī)范要求。然而實(shí)測(cè)位移與固快分算的計(jì)算結(jié)果差別較大，卻與固快合算的計(jì)算結(jié)果吻合的較好，見圖3。固快合算與固快分算及直快合算比較其最大彎矩分別相差66%和25%，最大剪力分別相差90%和28%。

圖3 工程實(shí)例3支護(hù)樁水平位移、彎矩及剪力對(duì)比分析

因此，對(duì)于支護(hù)樁剛度相對(duì)較小的SMW工法樁，在不考慮人工填土參數(shù)問題的因素下，固快合算相對(duì)于固快分算不失為一種更為經(jīng)濟(jì)的計(jì)算方法，不僅能夠保證支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的安全，而且能夠在一定程度上降低臨時(shí)支護(hù)費(fèi)用。

2.4 工程實(shí)例4

衛(wèi)津南路西側(cè)地塊項(xiàng)目三期工程位于南開區(qū)衛(wèi)津南路西側(cè)，奧體中心東側(cè)，基坑形狀不規(guī)則，包括3棟主樓和整體2層地下車庫，基坑的整體深度約10.85 m。基坑支護(hù)采用鉆孔灌注樁（φ1 000 mm@1 200 mm）+鋼筋混凝土環(huán)梁支撐的支護(hù)形式。該場(chǎng)地淺部為人工填土，下部主要為粉質(zhì)粘土，坑底范圍內(nèi)粘性土的物理力學(xué)指標(biāo)見表4。

表4 基坑涉及各土層物理力學(xué)指標(biāo)

內(nèi)支撐系統(tǒng)為多圓環(huán)鋼筋混凝土支撐，內(nèi)支撐的傳力復(fù)雜，在一定程度上會(huì)影響支撐體系的整體剛度。從圖4可以看出，樁身最大水平位移僅為10 mm，遠(yuǎn)小于固快合算、固快分算以及直快合算計(jì)算所得的結(jié)果。支護(hù)結(jié)構(gòu)上的最大彎矩均出現(xiàn)在坑底以上1 m左右，最大剪力均出現(xiàn)在坑深約6 m附近；但固快合算與固快分算及直快合算比較其最大彎矩分別相差69%和14%，最大剪力分別相差68%和11%。

圖4 工程實(shí)例4支護(hù)樁水平位移、彎矩及剪力對(duì)比分析

3種計(jì)算方法最為接近實(shí)際結(jié)果的為固快合算和直快合算。在保證基坑整體穩(wěn)定及周邊環(huán)境安全的情況下，應(yīng)該說，采用固結(jié)快剪指標(biāo)、水土合算是一個(gè)非常成功的案例，即對(duì)于內(nèi)支撐體系比較復(fù)雜的基坑工程亦可嘗試用固結(jié)快剪指標(biāo)水土合算的方法計(jì)算側(cè)壓力。

3 結(jié)論

以上案例分析表明，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中水土壓力計(jì)算方法的選擇以及計(jì)算指標(biāo)的選用，對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性及經(jīng)濟(jì)性有很大影響，但是總的原則應(yīng)是盡可能與現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際受力狀況以及周邊的環(huán)境狀況相結(jié)合。通過對(duì)不同區(qū)域、不同擋土結(jié)構(gòu)及不同內(nèi)支撐體系案例的分析比較可以發(fā)現(xiàn)，某些工程在特定條件下采用固快指標(biāo)水、土合算計(jì)算支護(hù)樁（墻）側(cè)壓力是可行的。分析其原因可能包括以下幾方面。

1）對(duì)于市區(qū)正常沉積的土體絕大部分已完成自重固結(jié)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用自重固結(jié)狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。由于取土?xí)斐赏馏w的應(yīng)力釋放以及程度不同的擾動(dòng)，因此，嚴(yán)格來講，目前勘察報(bào)告提供的直剪快剪和固結(jié)快剪指標(biāo)與原狀土相比均有誤差，該兩項(xiàng)指標(biāo)均比原狀土總應(yīng)力指標(biāo)和有效應(yīng)力指標(biāo)低，導(dǎo)致無論采取水土合算還是水土分算都將使支護(hù)樁上的內(nèi)力偏大。

2）對(duì)于飽和粘性土及淤泥質(zhì)軟土，由于其粘粒含量很高，土顆粒比表面積較大，使粘性土顆粒具有較強(qiáng)的吸附能力，使土顆粒表面形成結(jié)合水膜，導(dǎo)致土顆粒間的水不是連通的或很難流動(dòng)，使靜水壓力無法傳遞。因此，可不完全考慮作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上靜水壓力。

3）采用固快指標(biāo)水土合算計(jì)算側(cè)壓力可以平衡土體的應(yīng)力釋放以及土樣擾動(dòng)造成的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)下降引起的側(cè)壓力偏大問題。但不能盲目使用，必須對(duì)指標(biāo)的合理性進(jìn)行分析、判斷。

當(dāng)然，對(duì)采用固快指標(biāo)水土合算計(jì)算側(cè)壓力應(yīng)有所選擇，可以這樣認(rèn)為，對(duì)于周邊環(huán)境比較簡單的地下2層及以淺的深基坑可以采用固快指標(biāo)、水土合算的方法進(jìn)行基坑支護(hù)設(shè)計(jì)；對(duì)于3層地下及以深的深基坑，應(yīng)根據(jù)基坑周邊的環(huán)境情況慎重采用。

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□樊繼良、任彥華、劉秀風(fēng)/天津市勘察院。

TU432

C

1008-3197（2013）04-26-04

10.3969/j.issn.1008-3197.2013.04.011

2013-03-04

劉建志/男，1984年出生，助理工程師，天津城建集團(tuán)有限公司，從事工程技術(shù)管理工作。