基坑支護(hù)設(shè)計中巖土參數(shù)的分析與運(yùn)用

吳銀柱WU Yin-zhu；鄧天煒DENG Tian-wei

（長春工程學(xué)院，長春130012）

0 引言

在現(xiàn)今的社會和科技高速發(fā)展的歷程中，建筑向更高的方向發(fā)展，而作為主要研究巖土工程類的工程師們，更應(yīng)該將眼光放到更高建筑物以下的基坑中去，基坑工程的設(shè)計與施工一直都是比較復(fù)雜且難度較高的事情。而設(shè)計作為基坑工程前期尤為重要的工作更是不能掉以輕心。特別是現(xiàn)在在城市中超危大基坑較多，一旦基坑變形過大甚至基坑失穩(wěn)發(fā)生破壞所造成的損失都是無法估量的，所以相關(guān)從業(yè)人員一定要把握好基坑工程前期的勘察設(shè)計等工作。而本文主要是探討基坑工程的設(shè)計工作中巖土參數(shù)的分析與運(yùn)用，并結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行分析說明。

1 基坑支護(hù)設(shè)計前期相關(guān)圖紙的收集與整理

1.1 建筑總平面圖

建筑總平面圖一個主要作用是通過圖紙了解擬支護(hù)基坑周邊環(huán)境以及支護(hù)設(shè)計所需的重要信息。①相鄰道路及建筑物對基坑開挖的影響、基坑所采取的支護(hù)方式對鄰近建筑物基礎(chǔ)的影響及基坑的沉降變形是否會影響到鄰近道路的正常使用。②建筑紅線：基坑支護(hù)中如若需要樁錨支護(hù)，其中涉及到錨桿錨索是否會超出建筑紅線對周邊相鄰建筑以及道路造成影響。③通過建筑總平面圖確定擬支護(hù)基坑形狀和基坑面積大小。當(dāng)基坑形狀不規(guī)范時，在設(shè)計過程中應(yīng)考慮存在較多的陰角和陽角，在設(shè)計過程中進(jìn)行縮減，沒法縮減時應(yīng)考慮其不利情況下的處理方案。[1]

1.2 建筑及結(jié)構(gòu)平、剖面圖

建筑及結(jié)構(gòu)平面圖所能得到的主要信息有擬支護(hù)基坑的形狀與大小，可以和建筑總平面圖所得出的信息進(jìn)行復(fù)核。建筑與結(jié)構(gòu)平面圖另一個較為重要的作用是查看電梯井、設(shè)備井、集水坑等加深結(jié)構(gòu)的位置。對于此類加深結(jié)構(gòu)，如若在坑邊位置或者靠近坑邊位置時，應(yīng)在設(shè)計上考慮此處進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)平面圖中一般都有較為詳細(xì)的結(jié)構(gòu)標(biāo)高再結(jié)合建筑及結(jié)構(gòu)的剖面圖中的標(biāo)高從而確定基坑的深度。

2 基坑支護(hù)設(shè)計前期勘察報告的分析與運(yùn)用

2.1 勘察報告的主要內(nèi)容

勘察報告對于基坑支護(hù)設(shè)計來說是比較重要的一環(huán)，我們從中可以得知許多重要信息并以此為依據(jù)來進(jìn)行基坑支護(hù)的方案選型及計算。

2.2 工程地質(zhì)條件

勘察報告中工程地質(zhì)條件最主要的內(nèi)容是地基土的構(gòu)成和分布特征。由此我們可以判斷此場地的土層性質(zhì)的好壞。

與工程地質(zhì)條件緊密相關(guān)的內(nèi)容還包括勘探點(diǎn)平面布置圖以及工程地質(zhì)剖面圖。

在分析工程地質(zhì)條件時，應(yīng)當(dāng)將勘察報告正文中的對各工程地質(zhì)層的描述與勘探點(diǎn)平面圖和工程地質(zhì)剖面圖結(jié)合在一起分析研究。

在進(jìn)行支護(hù)方案選型及計算之前，應(yīng)該先確認(rèn)好支護(hù)分區(qū)，而支護(hù)分區(qū)的依據(jù)便是周邊環(huán)境條件及地層條件。通過工程地質(zhì)剖面圖可分析得出其地層變化，如若地層變化不大，則可以選取具有代表性的土層：比如土質(zhì)較差較厚的土層來進(jìn)行計算。如若土層變化較大，則應(yīng)選取變化突出的土層單獨(dú)進(jìn)行計算。再結(jié)合周邊的環(huán)境條件，比如距基坑較近有建筑物存在的部位則可考慮劃分出一個單獨(dú)的支護(hù)區(qū)域。支護(hù)分區(qū)也與基坑深度有著較大的聯(lián)系，基坑深度相差較大的地方也需單獨(dú)劃分出一個支護(hù)區(qū)域。

支護(hù)分區(qū)是一個需要綜合考慮的事情，在進(jìn)行支護(hù)分區(qū)時，應(yīng)該綜合周邊環(huán)境特征、工程地質(zhì)條件以及基坑深度變化來考慮。

2.3 水文地質(zhì)條件

地下水對于基坑工程的安全性有很大的影響，所以對于降排水的問題應(yīng)多方面綜合考慮：

①在基坑工程中常見地下水類型為潛水，一般在潛水層可設(shè)置一定數(shù)量的無壓非完整井進(jìn)行降水。當(dāng)?shù)貙又杏谐袎核嬖跁r，應(yīng)考慮是否有流砂和管涌等現(xiàn)象的出現(xiàn)。如有此類風(fēng)險，則應(yīng)該在承壓水層布設(shè)適當(dāng)數(shù)量的承壓非完整深井進(jìn)行排水。即采用“潛水潛排，深水深排，潛深兼顧”的降排水方式。[2]②施工季節(jié)。如若施工季節(jié)正值雨季，則應(yīng)該結(jié)合場地條件考慮地表水的攔截及排泄等措施。施工過程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測基坑內(nèi)排水、地表水?dāng)r截等措施，確保深基坑施工安全。[3]③地下水的補(bǔ)給條件及水位變化規(guī)律。通過地勘報告中的內(nèi)容可得知在此基坑周圍有無河、湖存在，且其與擬支護(hù)基坑地下水存在水理聯(lián)系時，會出現(xiàn)基坑降水困難等問題。④地下水的腐蝕性。通過水樣土樣腐蝕性報告，可得知哪些物質(zhì)中的化學(xué)元素具有腐蝕性從而進(jìn)行針對性支護(hù)。

根據(jù)以上諸多因素條件進(jìn)行綜合性的分析考慮，可以選取合理的降水井深度、間距、井徑與距坑邊距，再選擇合適類型的降水井，從而得出一個合理的降排水方案。

2.4 地下障礙物及周邊管線的整理

地下障礙物一般包括：回填的工業(yè)或建筑垃圾；原有建筑物的地下室和基礎(chǔ)等；以及廢棄的人防工程、管道和風(fēng)井等。

現(xiàn)在許多基坑都位于城市當(dāng)中，埋藏了許多地下管線且這些管線對于人們的生活密切相關(guān)，一些例如煤氣管線等如若遭到破壞會造成極大的事故與損失。所以在基坑開挖之前一定要探明這些管線的位置，并在圖紙與施工方案中標(biāo)明，將其作為一個工程重點(diǎn)風(fēng)險源進(jìn)行分析。

3 基坑支護(hù)設(shè)計中方案及巖土參數(shù)的合理選取

3.1 基坑支護(hù)設(shè)計方案的選擇

結(jié)合前文對基坑支護(hù)設(shè)計前期工作的論述分析，對于長春某實(shí)際工程可以得出一個合理的基坑支護(hù)設(shè)計方案。

①工程概況及周邊環(huán)境：該基坑工程按自然地面開挖深度約為4.9~6.85m，距基坑?xùn)|南側(cè)約11m 有一擬建建筑物；基坑北側(cè)、西側(cè)和南側(cè)為施工環(huán)路，東側(cè)四周8.7m 為材料堆放場地。擬建基坑場地內(nèi)無地下管網(wǎng)及地下障礙物等。

②工程地質(zhì)概況：本場地的地貌單元為臺地，場區(qū)地勢南高北低；地層共分為7層，第1 層為雜填土，第2~6 層為粉質(zhì)黏土，第7 層為全風(fēng)化泥巖。土層的基坑支護(hù)設(shè)計中所需土層物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

③基坑支護(hù)設(shè)計方案的分析選擇。

1）基坑西側(cè)為施工場地主入口且施工道路距基坑較近。在基坑支護(hù)設(shè)計中，對于荷載取值的考慮會從交通荷載及基坑周邊的材料、土方堆載兩個方面考慮，在此項目中主要考慮到西側(cè)為施工場地的主入口，場地中所有運(yùn)輸材料的大型貨車等都從西側(cè)主入口進(jìn)入，再向南北分流運(yùn)輸；且施工道路距基坑較近，所以該施工道路荷載對基坑影響較大。綜合考慮，基坑西側(cè)采取鋼管樁+錨索進(jìn)行一個垂直支護(hù)的形式。

2）基坑?xùn)|南側(cè)有施工道路貼近基坑邊緣，且該段為道路的拐彎處。對于該段基坑支護(hù)主要難點(diǎn)在于施工道路貼近基坑邊緣，所以不能采用土釘墻等支護(hù)形式；且該段施工道路為拐彎處，那么所產(chǎn)生的交通荷載的影響用樁錨這種垂直支護(hù)形式也不能滿足基坑的穩(wěn)定性。所以最后考慮采用雙排鋼管樁+背拉這種支護(hù)形式，既能在有限的施工空間中進(jìn)行基坑支護(hù)的施工也能滿足基坑的整體穩(wěn)定性，詳見圖1。

3）最終基坑支護(hù)設(shè)計方案的確定：共分為五個支護(hù)分區(qū)。1-1 區(qū)采用鋼管樁+錨索支護(hù)形式，樁長9m，?140 壁厚4.5mm 的鋼管樁，腰梁采用20a 槽鋼，錨索采用2s15.2 的鋼絞線，樁間距0.4m；2-2 區(qū)、3-3 區(qū)及5-5 區(qū)均采用土釘墻支護(hù)形式。4-4 區(qū)采用雙排鋼管樁+背拉支護(hù)形式，前排樁采用長9m 樁徑?140*4.5mm，樁間距0.4m 的鋼管樁，后排樁采用長9m 樁徑?140*4.5mm，樁間距1.0m 的鋼管樁，排間采用15.2 鋼絞線連接，間距初步為11.0~16.0m?；又ёo(hù)平面布置圖詳見圖2。

圖2 基坑支護(hù)平面布置圖

3.2 結(jié)合設(shè)計軟件分析選取合理的巖土參數(shù)

在基坑支護(hù)設(shè)計工作中常用的計算軟件有理正深基坑支護(hù)設(shè)計軟件及同濟(jì)啟明星系列基坑支護(hù)設(shè)計軟件等。兩款軟件都各有優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合本文中的實(shí)際工程來說，土釘墻及樁錨這兩種支護(hù)形式，理正及啟明星皆可計算；對于雙排樁+背拉這種支護(hù)形式運(yùn)用啟明星進(jìn)行計算可取得更為合理的結(jié)果。

3.2.1 理正深基坑支護(hù)設(shè)計軟件對土釘墻及樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的計算及相關(guān)巖土參數(shù)的合理分析選取

①理正中的基本信息。理正的基本信息板塊中的支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級可以直接從地勘報告中得知，其支護(hù)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)是根據(jù)其支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級在規(guī)范中查找得知：一級為1.1，二級為1.0，三級為0.9。

基本信息中的超載需要綜合考慮多方面因素。一是考慮擬支護(hù)基坑周邊的市政道路上的交通荷載與基坑周圍材料與土方運(yùn)輸?shù)氖┕さ缆泛奢d。二是考慮基坑周邊的材料及土方堆載。

②理正中的土層信息。理正的土層信息主要是結(jié)合地勘報告中的土層特性和基坑設(shè)計計算參數(shù)及工程地質(zhì)剖面圖來選取其中的數(shù)據(jù)。

在相關(guān)數(shù)據(jù)選取之前首先需要選擇一個合適的地質(zhì)剖面來確定其有幾層土及每層土的類型名稱和層厚等。其中的重度、粘聚力、摩擦角等內(nèi)容則主要對照地勘報告中的基坑設(shè)計計算參數(shù)，以物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計表及土工實(shí)驗成果表為補(bǔ)充進(jìn)行選取。其中與錨固體摩擦阻力則需參考規(guī)范《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》JGJ120-2012 表4.7.4 錨桿的極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值來選取，而土釘墻支護(hù)形式中的與土釘摩擦阻力則需參考規(guī)范《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》JGJ120-2012 表5.2.5 土釘?shù)臉O限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值選取。[4]

③理正中的支錨信息。在該實(shí)際工程中主要采用了土釘墻及樁錨兩種支護(hù)形式，所以在理正計算中關(guān)于支錨信息方面，以1-1 區(qū)采用鋼管樁+錨索和2-2 區(qū)采用土釘墻支護(hù)剖面為例：1-1 區(qū)采用長9m 的?140 壁厚4.5mm 鋼管樁，鋼材牌號為Q235，樁間距為0.4m，支錨信息中錨索的水平間距、豎向間距都選取為規(guī)范規(guī)定范圍內(nèi)的1.5m，入射角為15°，長度為13m，其中錨固段長度為7m，自由段長度為6m，錨索采用2 束15.2 鋼絞線。2-2 區(qū)中土釘墻坡度比為1：0.5，共三排土釘，豎向間距為1m、1.5m、1.5m，水平間距為1.5m，土釘采用長度為6m 的φ48 鋼管，其中鋼材牌號為Q235。在支錨信息相關(guān)巖土參數(shù)選取過程中主要是依靠相關(guān)規(guī)范以及經(jīng)驗值來進(jìn)行設(shè)計驗算。

在理正計算中的各種數(shù)據(jù)的選取都是需要結(jié)合實(shí)際的施工環(huán)境與地質(zhì)條件來綜合考慮的，特別是與人生活息息相關(guān)的工程項目，更應(yīng)該為了安全在設(shè)計工作中保持嚴(yán)謹(jǐn)。所以其中的所有取值都應(yīng)該反復(fù)進(jìn)行推敲計算，在確保工程的絕對安全的情況下兼顧其經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益。

3.2.2 同濟(jì)啟明星深基坑支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計計算軟件對雙排鋼管樁+背拉支護(hù)結(jié)構(gòu)的計算及相關(guān)巖土參數(shù)的合理分析選取

①在軟件開始模塊中選取雙排樁支護(hù)類型，輸入基坑深度、安全等級、前后排樁的嵌入深度等基本參數(shù)值，以該實(shí)際工程項目為例：前排樁采用長9m 樁徑?140*5.0mm，樁間距0.4m，后排樁采用長9m 樁徑?140*5.0mm，樁間距1.0m，排間距為10.0~14.0m，排間采用2 束15.2 鋼絞線。②地質(zhì)參數(shù)模塊的相關(guān)內(nèi)容跟理正深基坑支護(hù)設(shè)計軟件一樣，通過地勘等資料進(jìn)行分析選取。不過啟明星中比理正多了一個Es 參數(shù)，也是可以通過地勘報告獲得。③在該實(shí)際工程項目中的荷載值，由于4-4 區(qū)貼近施工道路，且其施工道路為拐彎處，所以采用的雙排鋼管樁+背拉的支護(hù)形式，其中前排鋼管樁在基坑邊緣，道路一側(cè)，后排鋼管樁在道路另一側(cè)，詳見圖2。所以荷載值取軟件荷載模塊中的鄰近荷載，荷載值可取到35kPa。

取好相關(guān)參數(shù)后，對內(nèi)力變形、整體穩(wěn)定、抗傾覆、坑底隆起及地表沉降等進(jìn)行設(shè)計驗算。

同濟(jì)啟明星系列軟件，有FRWS 這種專門對深基坑支擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計算的軟件，其功能作用與理正深基坑支護(hù)設(shè)計軟件是相當(dāng)?shù)?。但是對于?nèi)支撐這種支護(hù)形式，同濟(jì)啟明星可使用FRWS 與BSC-3D 軟件的結(jié)合，對內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行更好的分析計算。

4 結(jié)語

①支護(hù)形式的選擇不僅應(yīng)考慮整個基坑的穩(wěn)定性還應(yīng)考慮對土方和降水工程的影響。所以在前期資料的分析與運(yùn)用中應(yīng)結(jié)合多方面的考慮。②對于基坑支護(hù)設(shè)計中前期資料的整理和分析都應(yīng)該盡量地全面與詳盡。對于其運(yùn)用便要嚴(yán)格遵循規(guī)范內(nèi)容，對于規(guī)范未涉及到的地方就需要反復(fù)的對比思考和計算來得出最后的結(jié)論。③當(dāng)前在基坑支護(hù)設(shè)計中常用的設(shè)計軟件是理正深基坑支護(hù)設(shè)計軟件，但是其計算結(jié)果一般偏保守，且對于內(nèi)支撐和許多新興的支護(hù)形式無法進(jìn)行較為全面的計算。所以可以結(jié)合現(xiàn)在的有限元軟件進(jìn)行建模計算與分析，更具有嚴(yán)謹(jǐn)性。