二元土質(zhì)深基坑支護(hù)體系設(shè)計(jì)研究

■ 廣東華南建筑設(shè)計(jì)施工圖審查中心有限公司 曾金祥

隨著城市的快速發(fā)展，土地供應(yīng)日趨緊張。為了充分利用有限的土地資源，城市建筑物不斷向上下發(fā)展，地面上的建筑物越建越高，地面以下也是越挖越深。地下工程建設(shè)需要進(jìn)行基坑支護(hù)，由于地質(zhì)條件復(fù)雜、多變，地基、土質(zhì)往往變化較大。以往基坑深度不大，深度范圍基本處于土層中，個(gè)別進(jìn)入巖層，也不太深，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)均按一元土層考慮，存在以下三種可能破壞的形態(tài)。

1.半月弧滑移破壞

如圖1所示。

圖1

其驗(yàn)算公式為：

Mp—被動(dòng)土壓力及支點(diǎn)力對(duì)樁底的傾覆彎矩

Ma—主動(dòng)土壓力對(duì)樁底的傾覆力矩

Kov—安全系數(shù) 1.25

2.抗傾覆（踢腳破壞）穩(wěn)定驗(yàn)算

如圖2所示。

圖2

其驗(yàn)算公式為：

Mep—被動(dòng)區(qū)抗傾覆作用力矩總和

Mea—主動(dòng)區(qū)傾覆作用力矩總和

Kt—抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)1.25

3.抗隆起破壞驗(yàn)算

如圖3所示。

圖3

其驗(yàn)算公式為：

抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)Ks＞Kb=1.80。

以上是對(duì)支護(hù)三種可能存在的主要失穩(wěn)狀態(tài)進(jìn)行的復(fù)核驗(yàn)算，作為一元土質(zhì)，其失穩(wěn)狀態(tài)主要包括以上幾種。一元土層基坑支護(hù)設(shè)計(jì)有多種方法，都比較成熟。

隨著地下深度的增加，在較深的基坑中，出現(xiàn)“上層為黏土層、下層為巖層”的現(xiàn)象，其壓縮性、穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)性均完全不同，稱為二元土層結(jié)構(gòu)，如圖4所示。在二元土質(zhì)結(jié)構(gòu)中，基坑支護(hù)采用樁錨支護(hù)，其支護(hù)方案如圖5所示，樁底嵌入下層基巖內(nèi)一定深度。基坑以基巖為穩(wěn)定支擋繼續(xù)深挖幾米甚至十幾米，從坑底往上看，支護(hù)樁與吊腳相似，所以稱為吊腳樁。

圖4

圖5

圖6

圖7

圖8

通常情況下，吊腳樁可能出現(xiàn)以下四種失穩(wěn)狀態(tài)：第一種是樁入巖深度不足，如圖5所示，因此，設(shè)計(jì)要求入完整巖深度不少于500mm；第二種狀態(tài)是樁身強(qiáng)度不足或剛度不足、頂點(diǎn)位移過大，如圖6所示，在設(shè)計(jì)時(shí)往往增加錨桿；第三種狀態(tài)是基巖局部風(fēng)化嚴(yán)重、強(qiáng)度不足或空隙發(fā)育、迎土面發(fā)生隆起，如圖7所示，頂點(diǎn)位移過大，需要增加錨桿；第四種狀態(tài)是保留肩寬太小或肩寬巖受到破壞，如圖8所示、肩寬坍塌、吊腳樁失穩(wěn)，需要增加錨桿。

在二元土質(zhì)結(jié)構(gòu)吊腳樁支護(hù)體系中，有兩個(gè)因素起關(guān)鍵作用：第一個(gè)因素是吊腳樁如巖深度，統(tǒng)計(jì)表明，總體趨向是樁入巖越深，支護(hù)頂部位移越小。但當(dāng)樁入巖深度達(dá)到一定程度后，位移會(huì)趨于一個(gè)定值，理論上，支護(hù)樁入巖越深，基坑支護(hù)越安全。但由于設(shè)備能力所限，加上造價(jià)和施工工期的制約，并不是越深越好。根據(jù)多項(xiàng)工程統(tǒng)計(jì)，入巖深度0.5～1.5倍樁徑最能反映支護(hù)頂點(diǎn)的位移變化。由于嵌固要求，樁進(jìn)入巖層不少于0.5倍樁徑，此時(shí)頂點(diǎn)位移最大，隨著入巖越深，位移逐漸減少，當(dāng)?shù)竭_(dá)1.5倍樁徑的深度時(shí)，位移開始趨于穩(wěn)定，由于巖質(zhì)自然離散性，個(gè)別巖可能達(dá)到2倍樁徑后才會(huì)趨于穩(wěn)定；另一個(gè)因素是支護(hù)樁與基坑邊之間的巖厚，或稱巖肩，一般吊腳樁的樁底嵌固力是由預(yù)留的樁肩來承受。理論上，肩寬越大越有利（圖9），但由于在實(shí)際工程中地下室邊線到用地紅線間空間不會(huì)太多，因此，肩寬都不會(huì)太寬。統(tǒng)計(jì)表明，支護(hù)頂點(diǎn)位移與肩寬有關(guān)，肩寬越厚、位移越少。對(duì)于硬質(zhì)微風(fēng)化巖，當(dāng)肩寬大于2倍樁徑時(shí)，頂點(diǎn)位移影響甚微。在實(shí)際工程中，除了施工面需要外，往往留給肩寬剩下500mm ～1000mm左右，為了保證支護(hù)體系的穩(wěn)定，往往需要在樁底部巖肩頂部加設(shè)一道錨桿，以抵抗樁腳力。

圖9

由于在二元土層吊腳樁基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，常用方法主要是傳統(tǒng)的“m”法和邊坡設(shè)計(jì)法，但兩種方法都較為粗糙，“m”法中巖層的m值在不同的工況下會(huì)發(fā)生變化，目前條件下，要準(zhǔn)確得出各工況下的m值是不現(xiàn)實(shí)。邊坡設(shè)計(jì)法是把上部土層和支護(hù)樁作為外加荷載，計(jì)算巖層邊坡的穩(wěn)定和位移，忽略了支護(hù)樁在不同工況下對(duì)下部巖層的影響。在目前設(shè)備條件和經(jīng)濟(jì)、工期要求下，吊腳樁基坑支護(hù)設(shè)計(jì)確實(shí)是較為理想的解決方案。

研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)二元土質(zhì)采用吊腳樁基坑支護(hù)設(shè)計(jì)，可以得出如下幾個(gè)結(jié)論：

（1）支護(hù)樁不必深入基坑底部，利用基巖高強(qiáng)、致密和穩(wěn)定性，減少支護(hù)樁長度和入巖深度，降低造價(jià)。

（2）可以大大縮短施工周期。

（3）受力相對(duì)較明確，施工過程基坑安全可控。

（4）計(jì)算分析，上下層合算和上下分開的計(jì)算方法，均可滿足目前的工程需要。

（5）巖層的強(qiáng)度和完整性對(duì)支護(hù)穩(wěn)定至關(guān)重要。

（6）吊腳樁入巖深度與位移成反比關(guān)系，但進(jìn)入一定深度后趨于穩(wěn)定。

（7）開挖過程中預(yù)留肩寬及肩寬的完整性很重要。

4.結(jié)語

隨著城市的發(fā)展及土地資源的緊缺，再加上對(duì)停車位的需求越來越大，多層地下室的需求變得越來越大。因此，建筑物的地下基坑也會(huì)變得越來越深。如何保障施工期間基坑的安全、縮短工期、節(jié)省投資，是擺在設(shè)計(jì)者面前的重要問題。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件和地質(zhì)條件，選擇合適、合理的支護(hù)方案，無論是對(duì)工期、還是對(duì)投資，都變得越來越關(guān)鍵。