軟土深基坑不對等開挖深度的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鄭金伙

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350001)

軟土深基坑不對等開挖深度的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鄭金伙

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350001)

對于深基坑支護(hù)工程，當(dāng)基坑周邊不同位置開挖深度不同時(shí)，基坑四周的土壓力是不均衡的，圍護(hù)樁的變形趨勢也是不同的。當(dāng)圍護(hù)樁出現(xiàn)往坑外位移趨勢時(shí)，作用在圍護(hù)樁上的土壓力應(yīng)按被動(dòng)土壓力考慮，而不是主動(dòng)土壓力。當(dāng)圍護(hù)樁外側(cè)的被動(dòng)土壓力不足以抵抗支撐力時(shí)，會(huì)出現(xiàn)坑外土體破壞，特別是軟土深基坑。此時(shí)應(yīng)對坑外土體進(jìn)行加固處理，或者調(diào)整支撐體系改變支撐力的傳遞路線。

軟土；深基坑；不對等開挖深度；支護(hù)結(jié)構(gòu)

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引 言

在軟土地區(qū)，當(dāng)基坑深度超過7m時(shí)，一般采用圍護(hù)樁加內(nèi)支撐的支護(hù)形式，以確?；拥陌踩?，減小對周邊環(huán)境的影響。當(dāng)同一地下室不同位置的開挖深度不同，比如局部為兩層地下室、局部為三層地下室時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮兩側(cè)土壓力不對等的影響。

1 不對等開挖深度的圍護(hù)樁變形

(圖1)為不對等開挖深度的支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖。根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程JGJ120-2012》，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)上的土壓力為主動(dòng)土壓力，如(圖2)。當(dāng)支撐體系兩端開挖深度和地面堆載相同時(shí)，圍護(hù)樁一般是向坑內(nèi)變形，如(圖3a)。當(dāng)支撐體系兩端開挖深度不同時(shí)，支撐體系會(huì)向開挖較淺的一側(cè)位移，這樣開挖較淺位置的圍護(hù)樁就有可能向坑外移動(dòng)，這時(shí)作用在圍護(hù)樁外側(cè)上的土壓力就不能按主動(dòng)土壓力計(jì)算，而應(yīng)按被動(dòng)土壓力考慮，如(圖3b)。

圖1 不對等開挖深度的支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力

值得注意的是，開挖較淺一側(cè)的圍護(hù)樁((圖1)中的Z2、Z3)不一定都會(huì)向坑外變形。圍護(hù)樁Z2、Z3的變形跟開挖深度比h2/h1和水平距離S有關(guān)。

我們可以采用PLAXIS軟件進(jìn)行數(shù)值分析，地質(zhì)條件如表2所示，h1=15m，S=30m。不同開挖深度比h2/h1下圍護(hù)樁Z1、Z2、Z3的變形情況如(圖4、圖5、圖6)。分析結(jié)果表明，圍護(hù)樁Z1都是往坑內(nèi)變形，屬于正常情況。圍護(hù)樁Z2在h2開挖較淺時(shí)樁頂往坑外移動(dòng)，當(dāng)h2越挖越深，則改為向坑內(nèi)變形。圍護(hù)樁Z3都是向坑外位移，且隨著h3的減小往坑外位移的幅度越大。因此圍護(hù)樁Z3的外側(cè)土壓力不應(yīng)按主動(dòng)土壓力考慮，應(yīng)按被動(dòng)土壓力考慮。在用軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對土壓力進(jìn)行調(diào)整。

圖3 不同工況下的圍護(hù)樁變形

(a)h2=1/3*h1 (b)h2=1/2*h1 (c)h2=2/3*h1

(a)h2=1/3*h1 (b)h2=1/2*h1 (c)h2=2/3*h1

(a)h2=1/3*h1 (b)h2=1/2*h1 (c)h2=2/3*h1

2 不對等開挖深度時(shí)的土體破壞

當(dāng)圍護(hù)樁外側(cè)為軟土?xí)r，土體提供的土壓力可能不足以抵抗支撐力，這時(shí)圍護(hù)樁外側(cè)會(huì)出現(xiàn)土體破壞，如(圖1)中的圍護(hù)樁Z3。這是非常危險(xiǎn)的情況。(表1)為不同開挖深度下的支撐軸力。

表1 不同開挖深度下的支撐軸力

這時(shí)需要通過對圍護(hù)樁外側(cè)土體加固，提高土體的抗剪強(qiáng)度，從而提高土體所提供的被動(dòng)土壓力。一般采用攪拌樁或高壓旋噴樁進(jìn)行處理。如(圖7)所示。

加固前淤泥的C=8kPa，Ф=6°，主動(dòng)土壓力系數(shù)ka=tg2(45°-0.5*φ)=0.81；被動(dòng)土壓力系數(shù)kp=tg2(45°+0.5*φ)=1.23，

當(dāng)h3=7.5m，主動(dòng)土壓力Ea=256.5kN/m，被動(dòng)土壓力EP1=686.7kN/m。第二道支撐軸力為349kN/m，大于主動(dòng)土壓力Ea，但小于被動(dòng)土壓力EP1，不會(huì)出現(xiàn)土體破壞。

當(dāng)h3=5m，主動(dòng)土壓力Ea=90kN/m，被動(dòng)土壓力EP1=334.8kN/m。第二道支撐軸力為377.5kN/m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主動(dòng)土壓力Ea，也大于被動(dòng)土壓力Ep1。這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)土體破壞。加固后C=15kPa，Ф=15°,被動(dòng)土壓力系數(shù)kp=tg2(45°+0.5*φ)=1.7，被動(dòng)土壓力EP2=444kN/m；可見加固后被動(dòng)土壓力提高了33%，已大于支撐軸力，滿足要求。

圍護(hù)樁外側(cè)土體的加固范圍不能太小，否則無法達(dá)到處理效果。加固范圍可通過被動(dòng)土壓力破壞線確定，如(圖7)所示。加固深度超過軟土即可。

圖7 土體加固剖面圖

圖8 基坑總平面圖

3 工程實(shí)例

某工程總平面如(圖8)所示，地下室分為南北兩區(qū)，北側(cè)A區(qū)為三層地下室，面積4018m2，基坑開挖深度為12.2m；南側(cè)B區(qū)為兩層地下室，面積12114m2，基坑開挖深度為8.1m。場地地質(zhì)條件如(表2)。

南側(cè)B區(qū)開挖較淺，但基坑面積較大，如果采用內(nèi)支撐體系經(jīng)濟(jì)性不佳?？紤]到周邊場地較為開闊，采用SMW工法樁(Φ850@600攪拌樁內(nèi)插H型鋼300*700)加擴(kuò)孔錨桿支護(hù)。北側(cè)A區(qū)開挖較深，采用Φ900@1200灌注樁加兩道混凝土內(nèi)支撐支護(hù)。兩區(qū)地下室交界位置采用Φ700@1000灌注樁支護(hù)。

北側(cè)A區(qū)的第一道支撐平面如(圖9)所示，在本區(qū)范圍內(nèi)采取對撐體系，與南側(cè)B區(qū)的支護(hù)結(jié)構(gòu)只是冠梁相連。第二道支撐由于考慮到施工棧橋的布置，擬將對撐改為角撐，角撐的另一端為兩區(qū)地下室交界位置的圍護(hù)樁，如(圖10)所示。這是典型的不對稱開挖深度，剖面圖如(圖11)所示。計(jì)算表明，第二道支撐的軸力為365kN/m。而兩區(qū)地下室交界位置的圍護(hù)樁外側(cè)是淤泥，被動(dòng)土壓力為238.2kN/m?？梢姷诙乐屋S力大于圍護(hù)樁外側(cè)的被動(dòng)土壓力，會(huì)出現(xiàn)土體破壞。由于南側(cè)B區(qū)兩層地下室已先行開挖，且考慮到工期因素，來不及進(jìn)行土體加固，因此第二道支撐還是按照第一道支撐的平面布置，采用對撐體系。

圖9 A區(qū)第一道支撐平面布置圖

圖10 A區(qū)第二道支撐平面布置圖

圖11 A區(qū)支護(hù)剖面圖(C-C剖面)

表2 各土層的分布及物理力學(xué)指標(biāo)

4 結(jié)論

隨著城市建設(shè)的不斷擴(kuò)大，特別是大型城市綜合體的快速發(fā)展，不對稱開挖深度在深基坑中越來越普遍。這種基坑由于四周土壓力不均衡，支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加以重視，尤其是在軟土地區(qū)。

本文通過軟件進(jìn)行數(shù)值分析，并通過工程實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

(1)不同開挖深度位置的圍護(hù)樁位移趨勢是不同的，有些是往坑內(nèi)變形，有些是往坑外變形；

(2)當(dāng)圍護(hù)樁往坑外位移時(shí)，作用在圍護(hù)樁上的土壓力應(yīng)按被動(dòng)土壓力考慮，而不能按主動(dòng)土壓力考慮；

(3)當(dāng)圍護(hù)樁往坑外位移時(shí)，特別是圍護(hù)樁外側(cè)為軟土?xí)r，支撐軸力會(huì)大于被動(dòng)土壓力，可能出現(xiàn)外側(cè)土體破壞；

(4)當(dāng)圍護(hù)樁外側(cè)土體可能出現(xiàn)破壞時(shí)，可以采用攪拌樁或高壓旋噴樁進(jìn)行地基加固。也可以通過調(diào)整支撐體系平面布置來改變支撐力的傳遞路線。

[1]JGJ120-2012，建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].

[2]劉建航，侯學(xué)淵.基坑工程手冊[M].1997.

[3]GB50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Supporting Structure for Asymmetric Depth of Foundation Pit in Soft Clay

ZHENGJinhuo

(Fujian Architectural Design & Research Institute, Fuzhou, 350001)

With regard to retaining and protecting of deep foundation, the surrounding soil pressure is unbalanced due to the asymmetric depth. Meanwhile, the deformation tendency of retaining pile is different as a consequence. Passive earth pressure, not active earth pressure is taken into account when the pile has displacement toward outside of foundation pit. If passive earth pressure can not resist the braced force, soil mass outside would be destroyed, especially for soft clay pit. At this moment, soil mass outside should be strengthened. As an alternative, adjustment of bracing system can be used to change the route of force.

Asymmetric depth; Supporting structure; Deep pit; Soft clay

鄭金伙(1973.5- )，男，高級工程師。

2015-04-01

TU

A

1004-6135(2015)04-0070-04