文云芝
(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,山西 太原 030013)
隨著城市的快速發(fā)展,社會(huì)各項(xiàng)需求日益增加,土地資源緊張問題愈發(fā)嚴(yán)重,在建筑高度屢創(chuàng)新高的同時(shí),地下空間也得到了極大的重視與應(yīng)用[1]。與此同時(shí),應(yīng)運(yùn)而生的基坑支護(hù)技術(shù)也取得了長足的發(fā)展。隨著建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展理念的提出,基坑支護(hù)也延伸出了型鋼水泥土攪拌墻技術(shù)、支護(hù)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合技術(shù)、可回收式錨桿支護(hù)技術(shù)等一系列可持續(xù)發(fā)展的基坑支護(hù)技術(shù)[2]。其中,型鋼水泥土攪拌墻技術(shù)憑借其在基坑支護(hù)的運(yùn)用有著其他工藝方法不可比擬的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益,得到了大力的推廣和使用[3]。
型鋼水泥土攪拌墻(SMW工法),即將型鋼插入連續(xù)套接的三軸水泥土攪拌樁中形成的一種復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)。這種地下工程施工技術(shù)是利用三軸攪拌樁鉆機(jī)(鉆機(jī)前端低壓注入水泥漿液)在原地層中切削土體,將破碎的土體與水泥漿液充分混合攪拌形成具有隔水性的水泥土柱列式擋墻,然后將型鋼插入未硬化的水泥土漿液中。SMW工法前身為二戰(zhàn)后美國研制出的水泥土就地?cái)嚢铇妒┕し椒ǎ碝IP(Mixing in-Place Pile)工法,后在日本得到了極大的發(fā)展,并在20世紀(jì)80年代引入國內(nèi)[4]。1994年,上海隧道股份公司對SMW工法開展了系統(tǒng)的研究,在1997年通過上海市科委技術(shù)鑒定后得到推廣與發(fā)展[5]。在推進(jìn)SMW工法的過程中,眾多學(xué)者也做出了巨大的貢獻(xiàn)。
何頤華等[6]通過對黏性土基坑工程實(shí)例及模擬實(shí)驗(yàn)把懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)的土壓力與樁體位移建立了聯(lián)系;王健等[7]通過抗拔驗(yàn)算和單元截面組合剛度的研究,探討了SMW工法的設(shè)計(jì)、計(jì)算方法,并提出了新的型鋼回收方法;鄭剛等[8]通過型鋼水泥土組合梁抗彎實(shí)驗(yàn)研究了型鋼水泥土組合梁破壞模式及組合剛度貢獻(xiàn);顧士坦等[9]采用室內(nèi)模型試驗(yàn),研究型鋼-水泥土組合結(jié)構(gòu)的相互作用機(jī)理等;張忠苗等[10]依托工程實(shí)例進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,探討了周邊環(huán)境對SMW支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。
山西海智房地產(chǎn)開發(fā)有限公司擬建太原海爾國際廣場,其擬建場地位于太原市萬柏林區(qū),西臨文興路,南為猗汾街。擬建建筑包括1棟37層的辦公樓、5棟33層的高層住宅樓、1棟16層的公寓,配套的商業(yè)及地下車庫等。該工程為大底盤地下車庫,基礎(chǔ)埋深為10.5~13.0m。
場地地形較平坦,場地地貌單元屬汾河西岸一級(jí)階地。根據(jù)勘探揭露的地層巖性和堆積物沉積旋回特征及區(qū)域地質(zhì)資料,場區(qū)在勘探深度范圍內(nèi)地層主要構(gòu)成如表1所示。
表1 地基土構(gòu)成及巖性特征
第二層粉土及第三層細(xì)砂中所含地下水屬潛水,第四層粉質(zhì)黏土以下為微承壓水??辈鞎r(shí),混合水位位于自然地面下2.5~3.8m。地下水主要靠大氣降水與側(cè)向徑流補(bǔ)給,通過大氣蒸發(fā)與側(cè)向徑流排泄,徑流方向自西向東。
該建筑場地類別為Ⅲ類,屬液化場地,液化等級(jí)為中等液化。
該工程地處城市中心區(qū)域,場地西側(cè)緊臨城市主干道文興路,南側(cè)緊臨城市主干道猗汾街,道路之下均埋設(shè)有各種管線,東側(cè)隔規(guī)劃道路毗鄰濱河體育中心,北側(cè)隔規(guī)劃道路與后北屯城中村改造項(xiàng)目相望,綜合考慮基坑安全等級(jí)為一級(jí)。
由于擬建場地四面均有道路、管線及既有建筑物影響,且基坑開挖深度為10.5~13.0m,不具備放坡條件,因此必須采取支護(hù)方式。同時(shí),鑒于該工程基底標(biāo)高均位于地下水位之下,建議采用管井進(jìn)行降水,同時(shí)設(shè)置截水帷幕。綜上所述,該工程建議采用H型鋼水泥土攪拌墻,基坑支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。
表2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)表
設(shè)鉆孔樁徑為A,樁凈距為t,鉆孔樁簡圖如圖1所示??衫斫鉃閱胃鶚稇?yīng)等同于長A+t的地下墻,若地下墻厚為h,由等剛度轉(zhuǎn)換的原則可得:
圖1 鉆孔樁簡圖
SMW工法樁如圖2所示。在連續(xù)套接的三軸水泥攪拌樁內(nèi)插入型鋼,形成復(fù)合擋土墻,按等效剛度計(jì)算,則有:
圖2 SMW工法樁示意圖
式中:Es為型鋼彈性模量;Is為型鋼抗彎強(qiáng)度;Ec為攪拌樁彈性模量;ds為型鋼間距。
作用于型鋼水泥土攪拌墻的彎矩全部由型鋼承擔(dān),則以型鋼的受彎應(yīng)力進(jìn)行抗彎驗(yàn)算,如下:
式中:γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù);Mk為工法樁樁身彎矩標(biāo)準(zhǔn)值;W為型鋼抗彎模量。
作用于型鋼水泥土攪拌墻的剪力由型鋼承擔(dān),則型鋼的受剪應(yīng)力進(jìn)行抗剪驗(yàn)算,如下:
式中:Qk為工法樁樁身剪力標(biāo)準(zhǔn)值;S為型鋼面積矩;I為型鋼抗彎剛度;tw為型鋼腹板厚度。
經(jīng)以上驗(yàn)算,型鋼受彎應(yīng)力和剪切應(yīng)力均小于Q235鋼材的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度,表明該設(shè)計(jì)在理論上滿足設(shè)計(jì)要求,型鋼水泥土墻在該工程中的設(shè)計(jì)應(yīng)用是合適可行的。
為檢驗(yàn)該型鋼水泥土擋墻的設(shè)計(jì)合理性,待基坑開挖施工完成后,設(shè)置了43個(gè)觀測點(diǎn)連續(xù)進(jìn)行了沉降量觀測,第54次監(jiān)測沉降觀測數(shù)據(jù)顯示如表3所示。從表3中可知,工程累計(jì)沉降量最大為11.8mm,最小為1.81mm,表明型鋼水泥土擋墻在該工程中取得了很好的應(yīng)用效果。
表3 監(jiān)測沉降觀測數(shù)據(jù)
SMW工法在國內(nèi)部分軟土地區(qū)應(yīng)用較廣泛,在中西部地區(qū)使用較少,缺乏相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)。此次在太原海爾國際廣場基坑支護(hù)工程中使用SMW工法,在山西地區(qū)尚屬首次,意義重大[11]。
(1)很大程度上解決了場地占用過多的問題,傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)由灌注樁(800mm)和水泥土(850mm)攪拌樁組成,分別用于支護(hù)和止水帷幕,且量樁之間需布置200mm間隙,占用場地至少1850mm。而SMW工法僅需使用直徑850mm的水泥攪拌樁,相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu),很大程度上提高了空間利用率。
(2)減小了在打樁施工時(shí)對建筑物的工程擾動(dòng),在施工過程中,支護(hù)結(jié)構(gòu)距離既有建筑物越遠(yuǎn),擾動(dòng)越小,相對就越安全。
(3)節(jié)約了施工所需時(shí)間,提高了施工效率。傳統(tǒng)的施工方式需要分別做出灌注樁支護(hù)和水泥土攪拌樁止水帷幕,而SMW工法同時(shí)解決了支護(hù)和止水問題,能節(jié)約大概一半的工期。
(4)無須布置泥漿池,解決了工程場地緊張問題和混凝土運(yùn)輸問題,施工簡便,擴(kuò)大了施工工作面面積,增加了工程美觀性。
(5)水泥攪拌樁中的工字鋼具有可回收再利用的特殊性質(zhì),極大地增加了經(jīng)濟(jì)效益,經(jīng)初步估算,可至少節(jié)約30%的工程造價(jià)費(fèi)用。