市政工程軟土深基坑分區(qū)組合支護(hù)設(shè)計(jì)*

孫 勝

(宣城職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑藝術(shù)系，安徽 宣城 242000)

引言

市政工程是地方政府依據(jù)自身義務(wù)與責(zé)任在城市規(guī)劃范圍中建設(shè)的建筑物或者設(shè)備，這些建筑過(guò)程一般為有償或者無(wú)償形式，一般是為城市居民服務(wù)而建設(shè)，該類工程都是政府規(guī)劃城市建設(shè)時(shí)所需要完成的工程，因此建設(shè)要求較高.無(wú)論哪個(gè)城市，地下都蘊(yùn)含豐富的地下水，水層附近會(huì)形成淤泥型軟土[1].市政工程多涉及城市建設(shè)規(guī)劃項(xiàng)目，其中排水管道修建和隧道建設(shè)的工作，不可避免需要對(duì)軟土實(shí)行挖掘和施工，為解決軟土對(duì)于工程進(jìn)度造成的影響，需要在施工過(guò)程中采取相應(yīng)措施[2].

施工過(guò)程中對(duì)地面開挖以后會(huì)形成一個(gè)基礎(chǔ)空間，這個(gè)空間就是基坑，針對(duì)基坑開展的工程是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程，一旦工程開始，形成基坑以后不但需要考慮到周邊環(huán)境以及基坑四壁之間的安全性，還需要綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本與建設(shè)施工的整體可靠性.施工中最需要優(yōu)先考慮整體結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中的便利性.部分市政工程體量較大，地下挖掘部分屬于軟土基坑超大型支護(hù)工程，這類工程需要關(guān)聯(lián)各種因素，在實(shí)際施工過(guò)程中需要對(duì)各類矛盾多方考慮[3-5].目前相關(guān)研究多集中在計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)、施工環(huán)境優(yōu)化、維護(hù)基坑穩(wěn)定性等方面，但是不同地區(qū)，地層條件存在差異，氣候、溫度等眾多影響因素都會(huì)對(duì)大面積的軟土深基坑造成影響，若想同時(shí)滿足基坑安全維護(hù)與環(huán)境保護(hù)的要求，需要綜合使用圍護(hù)結(jié)構(gòu)技術(shù)[6]，運(yùn)用更加合理的空間組合降低組合支護(hù)之間存在的結(jié)構(gòu)矛盾，使得市政工程或者其他工程更加具有經(jīng)濟(jì)性與安全性[7].本文研究市政工程軟土深基坑分區(qū)組合支護(hù)設(shè)計(jì)方法，并綜合兩種設(shè)計(jì)方法，尋找最優(yōu)最安全的組合形式，實(shí)現(xiàn)軟土深基坑的支護(hù)設(shè)計(jì).

1 軟土深基坑分區(qū)組合支護(hù)設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

本文所研究的市政工程為某地政府大樓修建工程，開挖日期為2019年8月27日.該工程項(xiàng)目包含一個(gè)龐大的雙層地下室，基坑的開挖深度為9～11 m，最深開挖深度接近14 m，施工周長(zhǎng)與開挖面積分別達(dá)到1 800 m與5.8萬(wàn)m2，以工程體量計(jì)算屬于超大型深基坑挖掘工程，由于該工程靠近河流水脈，挖掘后的基坑周圍淤泥質(zhì)軟土厚度接近18 m，這些軟土嚴(yán)重影響基坑施工安全與施工穩(wěn)定性，需要采取有效的支護(hù)措施解決這種情況.由于該市政建筑處于城市中心交通要道，地下線路管網(wǎng)密集，地上及地下環(huán)境都極為復(fù)雜，實(shí)際施工時(shí)，難度巨大.工程地層分布情況見表1.

表1 工程區(qū)域土層分布情況

除表1中工程區(qū)域地層概況以外，導(dǎo)致工程區(qū)域出現(xiàn)軟土的主要影響水系是第四系土層中空隙承載的壓力水與地面表層滯留的積水，第四系土層中的水是周圍河流滲入土層的地下水，該水與河流水之間形成互補(bǔ)關(guān)系，所以水量充沛，最高水位能達(dá)到18 m，年平均水位在2.5～4.5 m之間.本文所研究的市政工程根據(jù)工程整體需求情況，需要整體開挖工程主體土地，后期再挖掘地下室與聯(lián)絡(luò)通道[8].

1.2 分區(qū)組合支護(hù)設(shè)計(jì)方案

開展支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)考慮到水泥擋土墻只能解決淺基坑支護(hù)問(wèn)題，所以本文研究中使用復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)合拉錨式排樁的分區(qū)組合支護(hù)設(shè)計(jì)方案，提升市政工程軟土深基坑支護(hù)的穩(wěn)定性與安全性.

本文市政工程軟土深基坑上道位置屬于淺坑，深度約為5.4 m，實(shí)行支護(hù)時(shí)使用三軸水泥攪拌樁擋土墻，所用水泥攪拌樁長(zhǎng)度約為10.2 m，利用三軸型鉆掘攪拌機(jī)作為施工機(jī)，該軟土深基坑上道位置支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)還需要在基坑豎直方向布置四排土釘，該土釘是直徑4.9 mm×3.1 mm的鋼管，各個(gè)土釘之間的水平間距設(shè)置為1.3 m，豎直間距則為1.2 m，以梅花的形狀排列土釘，在10 cm的面層厚度處使用噴射的方式布置強(qiáng)度為C20的細(xì)石砼作為高壓噴射注漿，該土釘?shù)膬?nèi)部還需要配置雙向鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)片直徑為0.66 cm，間距為20 cm[9].

下道位置屬于深坑部分，支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)使用拉錨式排樁支護(hù)形式.支護(hù)樁是沿基坑下道邊緣每1.5 m布置一根鋼筋混凝土(強(qiáng)度為C25)，所使用的支護(hù)樁數(shù)為85根，每根支護(hù)樁的直徑均為1 m，在支護(hù)樁的頂部設(shè)置標(biāo)高為-7.2 m的帽梁頂，樁尖深入到第4層土層中，確保入土深度大于1.3 m.錨桿布置在1～3層的土層中(布置依據(jù)是軟土基坑開挖深度)，在巖層和土層中分別鉆出錨桿孔，直徑分別為16 cm和13 cm，錨桿的拉繩是直徑為0.6 cm的鋼絞絲.設(shè)定1.6 m作為錨桿水平間距[10].

對(duì)于支護(hù)樁使用的配筋數(shù)量需要實(shí)行計(jì)算，計(jì)算配筋量時(shí)，需要先計(jì)算得出圓形截面的配筋量，受拉區(qū)域100°～120°范圍中需要使用一半支護(hù)樁配筋量實(shí)現(xiàn)分布，針對(duì)受壓區(qū)域，只需要按照支護(hù)樁結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)配筋即可.這種配筋方式不但能夠降低鋼筋整體用量，同時(shí)能夠符合支護(hù)樁整體結(jié)構(gòu)的抗彎要求.通過(guò)計(jì)算結(jié)構(gòu)，獲得支護(hù)樁水平位移和拉力等力學(xué)性能.

本文采用數(shù)字化方法解決鋼筋混凝土柱的配筋問(wèn)題.對(duì)于基坑工程施工中的各個(gè)截面來(lái)說(shuō), 將其所受到的內(nèi)力Pi、Mxi、Myi由基坑工程的鋼筋面積及中和軸位置確定.為此 ,本文構(gòu)建以下三個(gè)方程式:

P=f(y1,y2,As)

(1)

Mx=G(y1,y2,As)

(2)

My=G(y1,y2,As)

(3)

式(1)～(3)中，P表示截面所受內(nèi)力，Mx與My表示中和軸y1與平行軸y2二直線交點(diǎn)的縱坐標(biāo).As表示為鋼筋的面積 .解此方程組, 就能夠可求得鋼筋面積及相應(yīng)的中和軸位置. 假定中和軸位置和鋼筋面積為已知量, 我們可得到相應(yīng)的截面內(nèi)力Pi、Mxi、Myi, 它們也為y1i、y2i、Asi的函數(shù),即

Pi=F(y1i,y2i,Asi)

(4)

Mxi=G(y1i,y2i,Asi)

(5)

Myi=G(y1i,y2i,Asi)

(6)

令dPi=P-Pi, dMxi=Mx-Mxi,dMyi=My-Myi, 則當(dāng)dPi、dMxi、dMyi小于某一值時(shí), 這時(shí)的y1i、y2i、Asi即為設(shè)計(jì)所需值.

當(dāng)截面抗力都由鋼筋承擔(dān)時(shí)，通過(guò)平衡條件獲得軸力和配筋的計(jì)算式，用無(wú)量綱形式表示為：

(7)

(8)

式(8)中，ns、ns1表示深基坑支撐軸力的水平與豎直方向受力，ω、ω1表示此時(shí)應(yīng)變，as、as1表示深基坑支護(hù)垂直載荷以及側(cè)壁承擔(dān)水平載荷.據(jù)此得到配筋結(jié)果.

2 設(shè)計(jì)方法分析

為驗(yàn)證本文方法設(shè)計(jì)的合理性以及支護(hù)效果，實(shí)現(xiàn)市政工程軟土深基坑分區(qū)組合支護(hù)設(shè)計(jì)，對(duì)該市政工程實(shí)施基坑監(jiān)測(cè).從工程深基坑開挖之始一直到2019年11月15日(監(jiān)測(cè)日期)始終保持工程支護(hù)監(jiān)測(cè)，支護(hù)墻體位移情況、土體位移以及水位觀測(cè)等都是主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置與支護(hù)位置相對(duì)應(yīng).

2.1 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能與深基坑的開挖深度呈正比例關(guān)系，邊坡土壤出現(xiàn)的位移隨深度增加而逐漸呈上升趨勢(shì)，分析出現(xiàn)這種情況的原因，主要是由于深基坑內(nèi)的土壤不斷被開挖出來(lái)，在坑內(nèi)的支護(hù)樁發(fā)生位移變化，導(dǎo)致出現(xiàn)了提升側(cè)壓力的情況.

監(jiān)測(cè)基坑內(nèi)深層位置的土體出現(xiàn)位移情況，發(fā)現(xiàn)在布置的測(cè)斜孔頂部區(qū)域出現(xiàn)比較大的位移，但是符合安全范圍要求.對(duì)于支護(hù)墻體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果顯示，拆除深基坑水平支撐以后，支護(hù)墻的位移遠(yuǎn)大于46 mm(該值為預(yù)警值)，隨著時(shí)間的增加，位移最高接近52.75 mm.分析這種超出預(yù)警值的原因，主要由于在深基坑及靠近南部的位置搭建了一個(gè)上下坡道平臺(tái)，在這個(gè)平臺(tái)上出現(xiàn)一個(gè)與基坑平行的裂縫，裂縫寬度接近6 mm，經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，可能導(dǎo)致這種裂縫出現(xiàn)的原因是：

1)在深基坑南部設(shè)置的幾個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(A、B、C)處于深度較大的基坑附近，最深處的深度達(dá)到16 m，該處支護(hù)樁及墻體承受了更大的土體壓力.

2)該市政工程軟土深基坑的南部堆積較多鋼筋，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)C附近還設(shè)置了用于運(yùn)輸土體的棧橋，較大質(zhì)量的運(yùn)輸車輛從這個(gè)位置運(yùn)輸土體，造成在這個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)和邊坡土體中存在較大荷載.

3)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)B附近存在一個(gè)塔吊，在工程進(jìn)入下一個(gè)進(jìn)度之后，部分混凝土殘?jiān)凰踹\(yùn)出，導(dǎo)致裝吊荷載升高，造成塔吊周圍的邊坡出現(xiàn)比較嚴(yán)重的水平變形，這種變形在最嚴(yán)重的情況下造成監(jiān)測(cè)點(diǎn)B的頂部累積位移大大超出預(yù)警值.為解決這種情況，施工方采取措施降低塔吊的裝載荷載，這種措施在一定程度上降低了監(jiān)測(cè)點(diǎn)B頂部位置的位移，使位移狀態(tài)實(shí)現(xiàn)收斂，在該措施使用一段時(shí)間以后，位移逐漸回落到預(yù)警值以下.

2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)分析

監(jiān)測(cè)支護(hù)軸力的預(yù)警值為11 800 kN，檢測(cè)點(diǎn)為深基坑南部，監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)分別為X、Y、Z，統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，在挖掘施工過(guò)程中，接近標(biāo)高位置時(shí)，三個(gè)軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)均出現(xiàn)較高的同時(shí)段預(yù)警信息，對(duì)這種預(yù)警情況展開深入分析發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)Y與監(jiān)測(cè)點(diǎn)Z設(shè)置于深基坑的東面環(huán)梁上，在深基坑西南角位置的環(huán)梁上則布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)X，建設(shè)所需要的鋼筋都堆積在深基坑的南面，土體運(yùn)輸車輛從深基坑的西南角駛出施工區(qū)域，施工便道接近基坑?xùn)|面的土體邊坡.綜合以上多種情況，承載較大壓力的土體運(yùn)輸車輛以及質(zhì)量較大的鋼筋配件與鋼筋本體大量積壓在東南方向的環(huán)梁上，對(duì)東南環(huán)梁產(chǎn)生極大荷載，造成該區(qū)域的環(huán)梁軸力出現(xiàn)明顯升高.在實(shí)際的建筑施工中，可以通過(guò)混凝土澆筑支護(hù)樁與建筑底板等措施降低環(huán)梁軸力，使得環(huán)梁軸力逐漸降低.本文以監(jiān)測(cè)點(diǎn)X為例，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)X環(huán)梁軸力變化情況進(jìn)行分析，結(jié)果如圖1所示.

圖1 2019年監(jiān)測(cè)點(diǎn)X環(huán)梁軸力變化情況

從圖1中可以看出，2019年9～11月這3個(gè)月之中，從初始階段監(jiān)測(cè)，由于各因素影響，環(huán)梁軸力升高并超過(guò)預(yù)警值，但是在施工過(guò)程中不斷采取措施，改進(jìn)施工現(xiàn)場(chǎng)情況，環(huán)梁軸力逐漸下降，10月9日開始軸力逐漸回落，說(shuō)明除去外部因素干擾，本文設(shè)計(jì)的組合支護(hù)方案能夠獲得良好的軟土深基坑支護(hù)效果.

Y監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置環(huán)梁軸力變化情況見圖2.從圖2中能夠看出，在2019年9月6日后,Y環(huán)梁軸力明顯上升，后期經(jīng)過(guò)調(diào)整，10月8日之后，環(huán)梁軸力逐漸下降，說(shuō)明除去外部因素干擾，本文設(shè)計(jì)的組合支護(hù)方案能夠獲得良好的軟土深基坑支護(hù)效果.

圖2 2019年監(jiān)測(cè)點(diǎn)Y環(huán)梁軸力變化情況

Z監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置環(huán)梁軸力變化情況見圖3.分析圖3可知，對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)Z來(lái)說(shuō)，2019年9月6日到10月8日，Z環(huán)梁軸力明顯處于較高水平，在10月8日之后，Z環(huán)梁軸力逐漸下降，這表明在3個(gè)月的施工期內(nèi)本文設(shè)計(jì)的組合支護(hù)方案能夠獲得良好的軟土深基坑支護(hù)效果.

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)Z環(huán)梁軸力變化情況

統(tǒng)計(jì)研究對(duì)于軟土深基坑的施工情況，在3個(gè)月的施工期內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)反饋的結(jié)果均在規(guī)定范圍之內(nèi)，說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的組合支護(hù)方法能夠?qū)崿F(xiàn)良好的支護(hù)效果.

3 結(jié)論

本文研究設(shè)計(jì)市政工程軟土深基坑分區(qū)組合支護(hù)方法，使用組合支護(hù)的方式實(shí)現(xiàn)市政工程的穩(wěn)定安全生產(chǎn)建設(shè).綜合來(lái)看，對(duì)于靠近水系附近的建筑工程，地下水資源豐富，建筑施工向土層深處挖掘時(shí)更容易遇到軟土，這類軟土不利于工程開展，因此需要采取支護(hù)手段實(shí)現(xiàn)軟土深基坑建設(shè).相比于單獨(dú)支護(hù)手段，本文這類組合支護(hù)方法能夠有效解決隨著挖掘深度增加導(dǎo)致的軟土危險(xiǎn)系數(shù)升高問(wèn)題，提升了市政工程軟土深基坑分區(qū)組合支護(hù)設(shè)計(jì)，通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)果也驗(yàn)證了本文方法的支護(hù)結(jié)果能夠有效實(shí)現(xiàn)安全施工.