復(fù)雜環(huán)境基坑支護方案的綜合設(shè)計

李光宏

(河北省地礦局第九地質(zhì)大隊，河北 邢臺 054000)

1 概述

邢臺市東部某場地基坑附近建筑物距離該基坑較近，管道縱橫交錯，沉降敏感，施工空間有限；基坑附近建筑物多為磚混結(jié)構(gòu)，條形基礎(chǔ)，地基已經(jīng)水泥攪拌樁處理，致護坡樁類型受限制；地層條件較差；地下水埋深較淺，基礎(chǔ)施工需降水；施工場地位于居民區(qū)內(nèi)，施工環(huán)境要求苛刻等。在基坑支護設(shè)計施工中必須考慮各種因素，在復(fù)雜環(huán)境下綜合設(shè)計，才可制定出經(jīng)濟上合理，安全上有保證，環(huán)境上許可，技術(shù)符合規(guī)范科學(xué)可行的方案。

該案例基坑深度6.9 m，基坑邊緣四周相距5～7 m為6～7層住宅樓(磚混結(jié)構(gòu)，條基，埋深1.5 m)，水泥土攪拌樁復(fù)合地基，樁長8 m。住宅樓與基坑之間在平行基坑邊緣方向分布有多條煤氣、輸水管道。基坑邊緣距離用地紅線3 m。地層情況見表1。地下水埋深3.0 m，含水層性質(zhì)為孔隙水，地下水基本類型為潛水，對混凝土腐蝕性微。

表1 場地地層情況

2 支護方案

根據(jù)以往經(jīng)驗，水位至少需降深5.0 m，但是這樣做肯定對基坑附近已有建筑物產(chǎn)生不利影響，即引起附近建筑物地基變形嚴重超出規(guī)范要求。同時，擬建場地在雨季施工，地下水位變化較大，邊坡穩(wěn)定性差，可能威脅到附近地上建筑物及地下構(gòu)筑物安全使用。因此，必須保證基坑邊坡及附近建筑物地基變形要足夠小，該基坑應(yīng)為一級基坑。采用一般樁錨支護方法，可能要破壞基坑附近已建建筑物地基(破壞水泥土狀)。綜合場地環(huán)境、地基地質(zhì)條件和水文條件，在基坑四周采用雙排樁支護，雙排樁之間設(shè)置水泥攪拌樁止水帷幕的方案(參見圖1)。考慮到基坑內(nèi)土層抗剪強度指標較低，導(dǎo)致雙排樁較長，因此，必須提高基坑底以下土層抗剪強度，需對基坑底地基土進行必要的加固。

圖1雙排樁支護加止水帷幕示意圖

2.1 地基加固

為了提高排樁基坑底以下土層反力，樁前10 m范圍，采用水泥土樁進行地基土加固處理。設(shè)地基土加固樁間距1.0 m，加固深度3.5 m，水泥土攪拌樁抗壓強度取2.5 MPa。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010-2010)有關(guān)規(guī)定，攪拌樁最大剪力設(shè)計值取0.352 MPa，按其置換率進行折算，0.352×0.2=0.074 MPa=74 kPa。由于③層粉質(zhì)粘土粘聚力為33.1 kPa，則加固后地基土抗剪強度保守取90 kPa，加固后土的c、φ值綜合取c=30 kPa、φ=50°。

2.2 排樁計算

周圍建筑物附加荷載取140 kPa，基礎(chǔ)埋深1.5 m，基坑邊緣至建筑物之間附加荷載取15 kPa。采用理正深基坑支護軟件進行計算。

樁間距1.2 m，樁直徑0.60 m，排間距2.1 m，樁長均為9 m,嵌固深度4.5 m，冠梁和連梁橫截面長0.70 m、高0.40 m?；炷恋燃塁25，保護層厚度50 mm。應(yīng)業(yè)主要求，為了不影響將來地下各種管道等鋪設(shè)施工，樁頂標高位于地面下2.4 m,樁頂之上坡面(坡度系數(shù)0.3)采用噴射混凝土(強度C20)護面。樁及冠梁主筋及加強筋均采用HRB400級鋼筋，箍筋采用HPB300級鋼筋。本工程此段采用的鉆孔灌注樁的樁徑為600 mm，樁心距1200 mm,砼強度C30，fc=14.3 MPa，主筋8?18鋼筋，均勻布置，fy=360 MPa，保護層厚度50 mm，?8@200螺旋筋，?14@2000加強筋。

雙排樁采用平面鋼架結(jié)構(gòu)模型進行計算，顯然前排樁受水平荷載大于后排樁，保守計算并考慮便于施工，前后排樁均采用前排樁水平荷載計算配筋。

2.2.1 樁截面配筋計算

2.2.1.1 水平荷載及排樁上最大彎矩計算

依據(jù)朗肯公式進行計算:

式中：Pak——支護結(jié)構(gòu)外側(cè)，第i層土中計算中點的主動土壓力強度標準值，kPa；Ppk——支護結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)，第i層土中計算中點的被動土壓力強度標準值，kPa；σak、σpk——分別為支護結(jié)構(gòu)外側(cè)、內(nèi)側(cè)計算點的土中豎向應(yīng)力標準值，kPa；Ka,i、Kp,i——分別為第i層土的主動土壓力系數(shù)、被動土壓力系數(shù)，Ka,i=tan2(45°-φi/2)，Kp,i=tan2(45°+φi/2)；ci——第i層土的粘聚力，kPa；φi——第i層土的內(nèi)摩擦角，(°)。

經(jīng)以上公式計算出支護結(jié)構(gòu)深度方向上，單點單位面積上主動土與被動土土壓力后，再計算單根樁所承擔主動土合力(Eak)和被動土合力(Epk)：

式中：Eak——合力梯形主動土合力，kN；Paki、Paki+1、Ppki、Paki+1——分別為計算i層土合力梯形上下邊長，m；h——合力梯形高度，m；l——合力梯形計算寬度，m；Epk——合力梯形被動土合力，kN。

經(jīng)計算：基坑外側(cè)主動土壓力Eak=659.78 kN，基坑內(nèi)側(cè)被動土壓力Epk=1562.94 kN。

根據(jù)沿樁壓力分布，再采用截面法計算每根樁所承受的最大彎矩(Mmax)：

排樁上最大彎矩Mmax=89.18 kN·m。

將排樁上最大彎矩值Mmax=89.18 kN·m乘以支護重要性系數(shù)(取1.1)及綜合分項系數(shù)(取1.25)，即得樁的彎矩設(shè)計值為M=122.62 kN·m。

2.2.1.2 配筋計算

根據(jù)有關(guān)規(guī)范，沿樁周邊均勻配置縱向鋼筋的圓形截面鋼筋混凝土樁，其正截面受彎承載力應(yīng)符合下列規(guī)定：

αt=1.25-2α

式中：M——樁的彎矩設(shè)計值，取122.62 kN·m；fc——混凝土抗壓強度設(shè)計值，取14.3 MPa(砼強度C30)；A——支護樁截面面積，取0.28 m2；r——支護樁的半徑，取0.3 m；α——對應(yīng)于受壓區(qū)混凝土截面面積的圓心角(rad)于2π的比值；fy——縱向鋼筋的抗拉強度設(shè)計值，取360 N/mm2；As——全部縱向鋼筋的截面面積，預(yù)定主筋8根，種類為HRB400，直徑18 mm，則其全部截面積值為0.002036 m2；rs——縱向鋼筋重心所在圓周的半徑，樁保護層取50 mm，則其半徑為0.241 m；αt——縱向受拉鋼筋截面面積與全部縱向鋼筋截面面積的比值。

計算得[M]=133.77 kN·m。

M=122.62 kN·m<[M]=133.77 kN·m，滿足要求。

同時據(jù)規(guī)范要求，配筋率ρ=As/A=7.3‰,大于規(guī)范規(guī)定最小配筋率ρmin=4‰，滿足設(shè)計要求。

所以本區(qū)段采用直徑600 mm的鉆孔灌注樁，主筋為8?18鋼筋，滿足有關(guān)規(guī)范要求。

2.2.2 樁連梁配筋計算

連梁高度h=0.4 m，寬度b=0.7 m，保護層厚50 mm，按照平面鋼架結(jié)構(gòu)模型進行計算。

連梁內(nèi)力計算結(jié)果見表2。

表2 連梁內(nèi)力計算結(jié)果

注：按有關(guān)規(guī)范要求，表中內(nèi)力計算值乘以支護重要性系數(shù)(取1.1)及綜合分項系數(shù)(取1.25)得內(nèi)力設(shè)計值，本設(shè)計內(nèi)力實用值取內(nèi)力設(shè)計值。

依據(jù)表2中彎矩值計算連梁配筋，結(jié)果見表3。

表3 連梁配筋計算結(jié)果

注：表中E表示HRB400鋼筋，d表示HPB300鋼筋。

2.2.3 雙排樁抗傾覆穩(wěn)定性驗算

抗傾覆安全系數(shù)KQ≮1.25。經(jīng)計算，基坑外側(cè)主動土壓力Eak=659.78 kN，其合力作用點至雙排樁底端的距離Za=2.90 m；基坑內(nèi)側(cè)被動土壓力Epk=1562.94 kN，其合力作用點至雙排樁底端的距離Zp=2.13 m；雙排樁、鋼架梁和樁間土的自重之和G=321.74 kN，其重心至前排樁邊緣的距離ZG=1.35 m。將以上參數(shù)代入下式進行計算：

經(jīng)計算抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)KQ=1.96>1.25,滿足要求。

2.2.4 整體穩(wěn)定驗算

計算方法采用瑞典條分法，即將圖2圓弧滑動面上，劃分寬度為1 m的土條，進行近似計算；應(yīng)力狀態(tài)為總應(yīng)力法。

圖2 整體穩(wěn)定性驗算簡圖

滑動穩(wěn)定性按下列公式計算，依據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120-2012)第4.2.4條：

min{Ks，1，Ks，2，Ks，i，…}≥Ks

式中：Ks——圓弧滑動穩(wěn)定安全系數(shù)，這里取1.35；Ks，i——第i個圓弧滑動體的抗滑力矩與滑動力矩的比值(抗滑力矩與滑動力矩之比的最小值通過搜索不同圓心及半徑的所有潛在滑動圓弧確定)；cj——第j土條滑弧面處土的粘聚力，kPa；φj——第j土條滑弧面處土的內(nèi)摩擦角,(°)；bj——第j土條的寬度，m；θj——第j土條滑弧面中點處的法線與垂直面的夾角，(°)；li——第j土條的滑弧長度，m，li=bj/cosθj；qj——第j土條上的附加荷載標準值，kPa；ΔGj——第j土條的自重(按天然重度計算)，kN；uj——第j土條滑弧面上的水壓力，kPa。

經(jīng)計算，整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=1.38>1.35，整體穩(wěn)定性滿足有關(guān)規(guī)范要求。

2.3 水泥土攪拌樁

單根攪拌樁止水帷幕樁徑500 mm，樁與樁有效搭接不小于150 mm，進入基坑底部以下不透水層(⑤層粉質(zhì)粘土)長度≮1 m，止水帷幕樁頂標高-2.80 m，樁底標高-15.00 m，位于雙排樁之間，采用P.S32.5水泥，水灰比0.5，水泥摻入比不小于被加固土重的15%，采用濕法施工，整樁復(fù)攪。

該工程2014年3月基坑支護施工完成，2017年8月基坑回填，對基坑邊坡及附近建筑物觀測，坡頂水平最大位移8 mm，垂直最大位移3 mm，附近建筑物地基局部傾斜最大值7×10-4，變形均滿足設(shè)計及規(guī)范要求，取得了較好的支護效果。

3 結(jié)語

(1)由于擬建基坑四周附近建筑物地基為水泥土攪拌樁復(fù)合地基，無法采用樁錨組合進行支護，采用雙排樁，可以明顯增加排樁支護剛度，避免影響鄰近建筑物地基。

(2)基坑底以下土層抗剪強度指標較小，提供不到足夠反力，可通過對基坑底土層適當加固處理，可明顯提高土層抗剪強度，縮短排樁嵌入深度，以降低排樁施工難度，提供經(jīng)濟收益率。

(3)在排樁中間設(shè)置止水帷幕，可減小地面占用空間，對城市內(nèi)有效施工空間狹小類似情況有借鑒意義。