軟土飽水地層深基坑樁錨設計實踐與要點分析

陳雷生 （保利達地產(chǎn)（無錫）有限公司，江蘇 無錫 214001）

0 前言

隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展，地下空間的開發(fā)力度越來越大，特別是我國長三角地區(qū)由于經(jīng)濟活動處于全國領先地位，地下空間開發(fā)規(guī)模更是遙遙領先，深基坑支護問題日益受到重視。

長三角地區(qū)特別是蘇南地區(qū)分布厚層第四紀軟土，該軟土層土質軟弱，含水量大，開挖后極易變形，給基坑支護工程設計與施工帶來很大難度，也導致了基坑支護設計手段受限，相當一部分深基坑工程很難采用錨索支護，只能采用內(nèi)支撐體系。

眾所周知，內(nèi)支撐體系雖然保證了支護工程安全，但是同樣導致了挖土難度的增加和拆換撐的復雜，大大影響了工程進度并提高了工程造價。而錨索則具有施工空間開闊，施工開挖方便的顯著優(yōu)點。

因此，如能在長三角軟土高水位地層采用錨索支護，則會大大有利于工程建設。本文以無錫某緊鄰運河軟土深大基坑錨索設計為研究對象，系統(tǒng)總結了錨索設計要點，可為后續(xù)同類工程的實施提供參考，具有一定的示范及借鑒價值。

1 項目概況

無錫某超高層住宅項目設滿鋪三層地下室，長約220m，寬約80m，基坑面積約17000m2，基坑開挖深度大面積為13.6m，主樓開挖深度15.6m，屬于深大基坑。

本基坑北側和西側緊鄰古運河，距離古運河不足20m，古運河河面寬度55m，最大水深3m左右，本地段是古運河風光帶游覽起點位置，人流量大，社會關注度高。項目總圖如圖1所示。

項目與古運河實景關系如圖2所示。

2 工程地質與地下水概況

2.1 工程地質概況

擬建場地基坑施工影響深度范圍內(nèi)地層為第四系全新統(tǒng)、更新統(tǒng)沉積物，自上而下各土層特征如下：

（1）層雜填土:雜色,結構松散,主要為建筑垃圾。場區(qū)普遍分布，厚度:0.10～5.00m,平均1.24m;層底標高:-2.35～1.78m,平均0.24m;層底埋深:0.10～5.00m,平均1.24m。

（2）層粉質黏土:灰黃色,硬～可塑,含鐵錳質氧化物。場區(qū)普遍分布，厚度:0.60～4.80m,平均 3.16m;層底標高:-3.17～-2.43m,平均-2.92m;層底埋深:2.00～6.40m,平均4.40m。

（3）層粉質黏土:灰黃色,可塑,含鐵錳質氧化物,局部夾粉土團塊。場區(qū)普遍分布，厚度:1.70～4.70m,平均2.81m;層底標高:-7.53～-4.47m,平均-5.73m;層底埋深:4.40～10.00m,平均7.21m。

（4-1）層粉質黏土:灰色,軟塑,含有機質,夾薄層粉土。場區(qū)普遍分布，厚度:0.80～4.00m,平均 2.33m;層底標高:-9.57～-7.04m,平均-8.06m;層底埋深:6.10～12.40m,平均9.54m。

（4-2）層粉土:灰色,濕,稍～中密,含云母碎屑。場區(qū)普遍分布，厚度:0.60～2.90m,平均 2.17m;層底標高:-11.36～-9.14m,平均-10.23m;層底埋深:8.20～13.80m,平均11.71m。

（5-1）層粉質黏土:青灰～灰黃色,可-硬塑,含鐵錳質氧化物。場區(qū)普遍分布，厚度:3.20～5.30m,平均4.11m;層底標高:-15.27～-13.09m,平均-14.34m;層底埋深:12.50～17.70m,平均15.82m。

（5-2）層粉質黏土:黃色,硬～可塑,含鐵錳質氧化物及結核。場區(qū)普遍分布，厚度:4.80～6.80m,平均5.81m;層底標高:-21.17～-19.27m,平均-20.15m;層底 埋深:18.30～23.60m,平均21.63m。

2.2 地下水概況

根據(jù)地勘報告，本場地地下水情況如下：

①地表水

擬建場地拆除老地下室內(nèi)地表有積水，場地西側和北側為古運河，測得河內(nèi)水面標高約1.50m。

②地下水

擬建場地與地基基礎設計施工有關的主要含水層分別為(1)雜填土的上層滯水～潛水和 (4-2)層粉土層中的微承壓水。

勘察時采用挖坑法8小時后測得擬建場地(1)雜填土中的地下水穩(wěn)定水位埋深及標高見表1。其地下水類型為上層滯水～潛水型，地下水主要靠大氣降水及地表徑流補給,并隨季節(jié)與氣候變化,水位有升降變化,變化幅度一般最高為0.5m,本場地3～5年最高地下水位標高為3.00m左右。

土體物理力學指標表 表1

勘察期間在鉆孔內(nèi)(干鉆法)采用套管止水,間隔不少于8小時后觀測,測得鉆孔內(nèi)淺部(4-2)層粉土中的微承壓水水頭標高-1.50～-1.60m,該層地下水主要靠大氣降水和地表水體側向補給，透水性較弱，富水性一般。

擬建場地工程地質剖面如圖3所示。

圖3 擬建場地工程地質剖面圖

3 基坑支護方案選型分析

本基坑工程主要有如下特點：

①基坑開挖深度大，面積大，屬于典型的深大基坑；

②基坑長邊達220m，具有明顯時空效應；

③基坑周邊環(huán)境復雜，緊鄰古運河、既有小區(qū)，環(huán)境保護要求高；

④基坑工期非常緊張。

常規(guī)此類深大基坑，一般多采用排樁+支撐體系，對于三層地下室基坑，一般需二道支撐。本項目由于工期緊張，因此如全部采用支撐則工期不能滿足要求，經(jīng)各方多次方案分析，最終采用兩端角撐+中間錨索的混合支護方案，支護結構平面布置圖如圖4所示。

圖4 基坑支護結構平面布置圖

典型支護剖面包括兩端的二道混凝土角撐支護及中部的多道錨索支護，如圖5、圖6所示。

圖5 多道錨索支護剖面圖

圖6 二道支撐支護剖面圖

4 錨索計算與設計

4.1 錨索設計計算

國家規(guī)程[3]中，樁錨系統(tǒng)采用彈性支點法計算，即圍護樁等效為彈性地基梁、錨索體系簡化為彈性支點進行內(nèi)力分析，對于作用于支護系統(tǒng)的土體圍壓，采用增量法模擬開挖過程進行單元計算獲取。

土壓力計算按照朗肯土壓力理論，坑外為主動土壓力，坑內(nèi)為被動土壓力，土體計算參數(shù)根據(jù)地勘報告如表1所示。

根據(jù)計算得到的支點反力進行錨索設計，得到錨索設計參數(shù)如表2所示。

錨索設計參數(shù)表 表2

4.2 錨索設計分析

本項目錨索屬于軟土高水位飽水地層錨索，有如下幾個重難點：

①錨索內(nèi)力設計值很高，最大470kN，屬于大噸位錨索；

②錨索穿越地層為4-1粉質黏土和4-2粉土層，此二層土具有靈敏度高，含水量大，壓縮性大，錨索注漿體不易成形，錨固力難以保證等通病，對基坑工程的安全影響很大；

③錨索均在古運河河下施工，需采取可靠措施封堵錨索孔口，否則極易導致運河水滲入基坑形成通道，進而導致基坑涌水失效。

基于上述分析，本次錨索設計采取如下針對性措施：

①錨索采用加筋水泥土錨樁，該工藝集鉆進、噴漿及插筋于一體，通過同步高壓噴漿形成錨固體，避免了軟土成孔困難問題；

②由于錨索間距較密，開挖后極易發(fā)生群錨效應，導致錨固力降低并在河道形成滑裂面，本次錨索盡量按隔一密一間距布置，即1.1m和2.2m交替布置，水平平均間距1.65m，豎向間距2.0-2.5m；錨桿角度調(diào)整，相鄰錨桿角度按12度/20度錯開，按最小1.1m水平間距計算，錨固體直徑為0.5m，根據(jù)經(jīng)驗，錨固段距離4D時可避免相互影響，即2m，因此端頭不會發(fā)生群錨效應；

③常規(guī)錨索圍檁采用的是雙拼型鋼結構，但是由于施工誤差，型鋼梁與圍護樁之間很難緊密貼實，進而導致大噸位的錨索在張拉后預應力損失非常嚴重，因此也無法有效控制圍護結構變形，本次采用混凝土圍檁，其剛度大，整體性好，更易發(fā)揮錨索的錨固力，混凝土圍檁施工實況如圖7所示；

圖7 混凝土圍檁實況

④錨索施工為確保其錨固力，水泥用量及錨固體直徑非常關鍵，設計中要求增大注漿壓力并進行復噴，確保錨索拉力，錨索施工完畢首先進行基本試驗驗證施工參數(shù)，內(nèi)力達到設計要求后方可正式施工。錨索施工完畢后進行了錨索檢測，結果表明錨索承載力滿足設計要求，錨索檢測成果如圖8所示。

圖8 錨索承載力檢測曲線

5 基坑開挖變形實測結果分析

所有支護結構施工完畢后，按照設計圖紙要求，錨索分層施工并養(yǎng)護，土方分層開挖，基坑開挖到底實況如圖9所示。

圖9 基坑開挖到底實況

圖10 實測圍護樁深層水平位移曲線

實測曲線表明，圍護樁最大樁身位移為26.10mm，位置在坑底以上約1m左右，對應該位置地層為4層粉土，圍護樁變形曲線形態(tài)與土體的性質具有高度相關性，即土體越差其變形越大。

同時可以看出，圍護樁樁頂也有一定的變形量，說明錨索支護結構與支撐相比，其剛度仍然較??；圍護樁由于下部嵌入硬塑粉質粘土中，故其變形量迅速衰減。

總體而言，采用錨索支護本基坑變形遠小于0.3%H即45mm的一級基坑變形允許值，說明采用樁錨支護總體是成功的，可以為后續(xù)同類工程的實施提供有益參考。

6 結語

軟土飽水高水位地層的工程特性導致了錨索施工過程風險較大并且錨固力難以達到設計要求，進而制約了錨索的大規(guī)模應用，因此也使得諸多深基坑工程被迫采用內(nèi)支撐體系，大大影響了工程進度并增加工程造價。本文以實際工程為例，針對臨河深大軟土基坑工程，采用了錨索支護，實踐證明效果良好。獲得了軟土深基坑工程錨索設計的寶貴經(jīng)驗，總結如下：

①錨索設計應考慮實際施工水平的影響，錨索預留足夠的安全度，即設計長度應保證富余量，建議按計算長度的1.1倍進行設計；

②軟土地區(qū)大直徑加勁水泥土錨樁設計由于道數(shù)較多，應重視群錨效應，可采取長度交替、角度錯開等手段保證錨固段有足夠的安全距離；

③錨索設計參數(shù)建議在軟土中應進行復噴，確保錨固體直徑，必要時可在端部范圍多次噴漿形成擴大端，提高錨索端部承載力；

④錨索對于噸位較大情況下應強調(diào)基本試驗的重要性，必須通過基本試驗獲取錨索的施工參數(shù)并確定錨索施工工藝；

⑤錨索圍檁當其噸位較大時建議采用混凝土圍檁，混凝土圍檁一方面剛度大，同時與圍護樁貼合嚴實，避免了鋼圍檁的自身變形導致的內(nèi)力損失，對于圍護樁的變形控制極為有力；

⑥應高度重視監(jiān)測工作，同時加強地面巡視，因為一旦地面發(fā)現(xiàn)開裂，對于樁錨體系來說都可能導致錨索承載力大大下降，進而引起整個體系的安全風險，必須高度重視；

⑦總體而言，精心設計，認真施工，嚴格監(jiān)測，對于軟土飽水地層錨索支護是可行的。