福州市甘洪路改建排澇站(閘)工程基坑支護計算分析

向春漢

(福州潤禹工程咨詢有限公司，福建 福州 350001 )

0 引言

福州市甘洪路拓寬改建項目地處洪山橋至閩侯縣原甘洪路，甘洪路起于楊橋路-洪水交叉口，途徑梅峰路、梅亭路、原厝路、東北三環(huán)甘洪連接線，終點位于閩侯永豐，道路全長約4.163 km。區(qū)域地處中低緯度，東瀕太平洋，屬亞熱帶季風氣候，臺風頻繁，臺風帶來的降雨量大，極易引發(fā)大洪水造成內澇。以前的公共河浦、池塘被填方建房，地面硬化，滲水小，澇水多滯留路面上。全區(qū)的排澇設施排澇能力嚴重不足(包括排澇站、水閘、涵洞)?，F(xiàn)有排澇設施主要由五、六十年代修建的排水閘、排澇站，以自排為主，機排為輔，原是以農田為排澇對象，經過三、四十年的運行，工程破損老化嚴重。通過進行改建工程實施，可加大各澇片排水出口寬度(進行水閘、泵站重建)，解決出水不暢的問題，同時在地形標高低洼的澇片設置泵站，使各澇區(qū)達到設計澇水標準。在改建工程實施前，進行場地勘察，查明場址區(qū)的工程地質條件，評價存在的工程地質問題，能為改擴建工程實施過程中的建筑物設計和地基處理方案提供地質資料和基礎支撐依據。

1 改建排澇站(閘)工程概況

甘洪路拓寬改建工程共涉及國光排澇站(閘)和洪山糧庫排澇站(閘)等兩個部分，排澇站(閘)的建筑物主要包括排澇閘及其上下游連接段、排澇站進水前池、排澇站主泵房以及出水鋼管等。其中，國光排澇站的設計抽排流量為6.4 m3/s，裝機功率2×250 kW。根據《泵站設計規(guī)范》(GB50265-2010)規(guī)定，國光排澇站規(guī)模為小(1)型，泵站等別為Ⅳ等，主要建筑物級別為4級，次要建筑物為5級，臨時建筑物為5級。洪水糧庫排澇站的設計抽排流量為1.2 m3/s，裝機功率2×22 kW。根據《泵站設計規(guī)范》(GB50265-2010)規(guī)定，規(guī)模為小(2)型，泵站等別為Ⅴ等，主要建筑物級別為5級，次要建筑物為5級。

國光排澇閘5 a一遇的的設計排水流量為29.9 m3/s，過閘流量小于100 m3/s；洪山糧庫排澇閘5 a一遇的的設計排水流量為9.2 m3/s，過閘流量小于20 m3/s。本工程排澇閘又作為閩江下游北港北岸防洪堤的直接擋洪建筑物，參照相鄰的福州城區(qū)防洪堤的設計防洪標準(100 a一遇)，國光排澇閘及洪山糧庫排澇閘防洪標準為100 a一遇設計。排澇閘工程主要建筑物級別為2級，次要建筑物為3級，臨時建筑物為4級。

2 工程布置概況

本工程國光排澇站(閘)施工條件較為復雜，基坑深度大，本次計算針對其基坑支護的設計進行分析計算。

國光排澇站(閘)為舊站(閘)改建，原站址位于大儒世家附近，梅亭路與甘洪路交叉路口的北側，主泵房采用全封閉鋼筋混凝土結構，半埋入地下，共兩臺水泵，平面尺寸(寬×長)9.20 m×10.00 m，泵房底板底高程1.50 m，各臺水泵間由隔墩隔開，主泵房地基采用D600高壓旋噴樁加固基礎。國光排澇閘為2孔，孔口尺寸(寬×高)3.0 m×4.7 m，閘室段長10.0 m，閘底板頂高程4.50 m，為鋼筋混凝土結構，閘室上部設置啟閉機房，采用框架式結構。出水消力池為水閘和泵站共用，長15.0 m，寬10.50 m，池底高程3.20 m。

由于排澇站四周用地均非常緊張，且北面和東面有居民建筑物，無法采取放坡開挖方式，基礎開挖后基坑最大深度為7.6 m，屬于深基坑開挖，經過方案比對后選用懸臂式支擋結構，采用沖孔灌注樁對基坑進行圍封，樁基直徑0.8 m，樁中心間距1.0 m，最大樁長20.2 m，其中懸臂露出長度為7.6 m，嵌固深度為12.6 m，在樁頂采用冠梁進行連接，將排樁形成整體，增大結構的穩(wěn)定性，冠梁梁寬1.0 mm,梁1.0 m。為防止樁基之間滲水，在灌注樁外側采用高壓旋噴樁封閉，樁徑0.5 m，中心間距1.0 m。為保證懸臂結構的穩(wěn)定，在灌注樁內側，采用水泥攪拌樁，對土體進行加固，加固寬度2.0 m，深度3.0 m，沿基坑底部一周加固。

3 工程地質條件特性及評價

3.1 地基土層工程地質特性及評價

根據工程地質鉆孔，國光排澇站基礎分布的土層主要為：(1)雜填土、(2)淤泥、(3)粉質粘土，(4)強風化碎土狀花崗巖，此其中前兩種土層承載力低，結構、工程性狀不均勻，屬高壓縮性土，工程力學性能差，不能作為基礎持力層；粘性土承載力特征值為150 kPa，屬中壓縮性土，承載力一般，工程力學性能一般，分布較均勻；強風化碎土狀花崗巖工程力學性能較好，可作為基礎持力層。從上至下土層分布及特征參數見表1。

表1 巖土層分布及主要工程地質參數表

3.2 地基土層滲透特性及評價

(1)雜填土屬于中等透水性，可能產生的滲透變形形式為管涌，其允許水力比降J允許=0.17。(2)淤泥滲透系數小于1.0×10-5cm/s，屬于微透水性，可能產生的滲透變形形式為流土；(3)粉質粘土滲透系數小于1.0×10-4cm/s，屬于弱透水性，可能產生的滲透變形形式為流土。(3)淤泥允許水力比降J允許=0.47，(4)粉質粘土允許水力比降J允許=0.61。

3.3 基坑開挖地質條件初步評價

結合工程設計，國光排澇站基坑最深處須開挖至高程1.00 m，按現(xiàn)有地面開挖，深度約為4.5～7.6 m，開挖深度較深，組成基坑的土層主要為雜填土、素填土及淤泥等，結構較松散，滲透系數較大，呈中等透水性，該地段土層在水的浸泡下，開挖范圍內基坑側壁土層穩(wěn)定性極差，基礎開挖過程中，在地下水滲透力的作用下會產生流沙、流泥、涌土等現(xiàn)象。因此基坑的滲漏、抗?jié)B穩(wěn)定以及基坑邊坡穩(wěn)定是施工中遇到的主要工程地質問題，建議進行基坑支護與防滲及降水處理，以滿足抗滑和滲透穩(wěn)定性要求，為工程創(chuàng)造良好的施工條件。

同時基坑支護結構、施工方法、支護監(jiān)測控制是相互連接、密不可分的?；娱_挖時應加強對基坑位移、周邊建筑物及構筑物監(jiān)測，以保證基坑的正常施工及控制對臨近建(構)筑物的影響。

4 基坑支護計算分析

根據基坑設計情況，選擇基坑深度最大處進行計算分析，沖孔灌注樁直徑0.8 m，樁中心間距1.0 m，最大樁長20.2 m，其中懸臂露出長度為7.6 m，嵌固深度為12.6 m，在樁頂采用冠梁進行連接。本次計算采用理正深基坑7.0計算軟件。

4.1 荷載受力計算

根據《建筑基坑支護技術規(guī)程》(JGJ120-2012)3.4條，支護結構上的水平荷載計算

σcz=rz；σ=rh

(1)

(2)

(3)

Q=∑P水平

(4)

式中：σcz為側向土壓力；σ為水壓力；M為彎矩；V為位移；Q為剪力；r為土體的重度，KN/m3；Z為計算點距離地表的深度；r為水的容重，KN/m3；h為水深；M(x)為中軸線方向彎矩；EIz為桿件抗彎剛度；C、D由邊界條件確定；P水平為水平力總和。

經計算，基坑內荷載情況見表2。

表2 基坑荷載計算表

4.2 單樁水平承載力計算

灌注樁單樁水平承載力設計值按《建筑樁基技術規(guī)范》(JGJ 94-2008)(5.4.2-1)估算：

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：Rh為單樁水平承載力設計值；γm為樁截面模量塑性系數，圓形截面取值為2.0；ft為樁身混凝土抗拉強度設計值,C30混凝土ft=1.43 N/mm2=14 300 kN/m2；ρg為樁身配筋率，該樁為0.55%；Vm為樁身最大彎矩系數查《建筑樁基技術規(guī)范》表5.4.2,當樁頂餃接、自由時得Vm=0.768，Vx=2.441；α為樁的水平變形系數；m為地基土水平抗力系數的比例系數由《建筑樁基技術規(guī)范》5.7.5取m值為7.0；b0為樁身計算寬度,圓形截面,b0=0.9(d+1.0) =1.62 m；EI為樁身抗彎剛度,EI=0.85EcIo；Ec為混凝土彈性模量,C30, Ec=2.80×104N/mm2=2.80×107kN/m2；Io為樁身換算截面慣性矩,Io=Wod/2；Wo為樁身換算截面受拉邊緣的截面模量；do為扣除保護層的樁直徑,d=0.8 m,do=d·2as=0.73 m；αE為鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量比值；An為樁身換算面積；ζn為樁頂豎向力影響系數，豎向壓力,ζn=0.5。

計算得出，單樁水平承載力設計值為：Rh=547.32 KN，根據荷載計算成果，基坑最大水平力P水平=169.95 KN，Rh≥P=203.94 KN，樁基單樁水平承載力滿足要求。

4.3 整體滑動穩(wěn)定性驗算

本次基坑支護采用單排樁設計，樁基采用冠梁連接為整體，根據《建筑基坑支護技術規(guī)程》(JGJ120-2012)4.2.2條，整體滑動穩(wěn)定性采用圓弧滑動條分法進行驗算，具體計算方法采用瑞典條分法，應力狀態(tài)：總應力法，其中條分法中的土條寬度取0.40 m。

通過軟件計算計算，得出滑裂面數據圓弧半徑R=20.810 m，整體穩(wěn)定安全系數Ks=1.467，大于規(guī)范要求安全系數1.30，表示整體滑動穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

4.4 抗傾覆穩(wěn)定性驗算

抗傾覆安全系數：

(9)

式中：Mp為被動土壓力及支點力對樁底的抗傾覆彎矩，對于內支撐支點力由內支撐抗壓力決定;對于錨桿或錨索，支點力為錨桿或錨索的錨固力和抗拉力的較小值，根據計算得出為最小值7 019.89 KN·m；Ma為主動土壓力對樁底的傾覆彎矩，最大值為5 576.38 KN·m。

計算得出，最小抗傾覆安全系數為1.258，大于規(guī)范要求的最小安全系數1.2，基坑支護排樁整體抗傾覆滿足要求。

4.5 抗隆起驗算

基坑抗隆起驗算分別采用Prandtl(普朗德爾)公式和Terzaghi(太沙基)公式進行驗算復核，須保證兩者都要滿足要求。

4.5.1 Prandtl(普朗德爾)公式

(10)

(11)

(12)

通過計算，Nq=2.417，Nc=8.345，Ks=1.714≥1.1，滿足規(guī)范要求。

4.5.2 Terzaghi (太沙基)公式

(13)

(14)

(15)

通過計算，Nq=2.694，Nc=9.605，Ks=1.885≥1.15，滿足規(guī)范要求。

通過分析計算，采用兩種公式計算，基坑底抗隆起驗算均滿足規(guī)范要求。

4.6 隆起量計算

(16)

式中：δ為基坑底面向上位移(min);n為從基坑頂面到基坑底面處的土層層數；γi為第i層土的重度(kN/m3)；地下水位以上取土的天然重度(kN/m3)；地下水位以下取土的飽 和重度(kN/m3);hi為第i層土的厚度(m);q為基坑頂面的地面超載(kPa)；D為樁(墻)的嵌入長度(m);H為基坑的開挖深度(m);c為樁(墻)底面處土層的粘聚力(kPa);φ為樁(墻)底面處土層的內摩擦角(度)；r為樁(墻)頂面到底處各土層的加權平均重度(kN/m3);

計算得：δ= 46(mm)

4.7 基坑底部土體抗承壓水頭穩(wěn)定計算

根據《建筑基坑支護技術規(guī)程》(JGJ120-2012)附錄c，滲透穩(wěn)定性驗算，基坑底部土體抗承壓水頭穩(wěn)定計算簡圖見圖1。

圖1 抗承壓水頭穩(wěn)定計算簡圖

(17)

式中：Pcz為基坑開挖面以下至承壓水層頂板間覆蓋土的自重壓力(kN/m2)；Pwy為承壓水層的水頭壓力(kN/m2);Ky為抗承壓水頭的穩(wěn)定性安全系數，取1.5。

Ky=34.00/30.00=1.13≥1.05，基坑底部土體抗承壓水頭穩(wěn)定。

4.8 樁基嵌固深度計算

根據《建筑基坑支護技術規(guī)程》(JGJ120-2012)4.2.5條，根據單支點結構計算支點力和嵌固深度設計值hd：

(1)按ea1k=ep1k確定出支護結構彎矩零點hc1=1.037

(2)支點力Tc1可按下式計算：

(18)

hT1=6.600 m；Tc1=121.800 kN

(3)hd按公式：hp∑Epj+Tc1(hT1+hd)-βγ0ha∑Eai≥0確定

其中β=1.200，γ0=1.000；hp=3.825 m，∑Epj=1 587.008 kPa；ha=6.963 m，∑Eai=965.572 kPa

計算得到hd=9.937 m，考慮到土層分布及安全系數，嵌固深度hd采用值為12.60 m。

5 結語

基坑開挖作為工程施工的第一步，是保證后續(xù)工程能安全順利進行的第一個難點。本次國光排澇站(閘)基坑具有深度大、土層復雜、場地受限等特點，基坑穩(wěn)定及滲流問題較為突出。設計通過對基坑排樁的單樁承載力、整體抗滑及抗傾覆穩(wěn)定、基坑抗隆起分析，對基坑排樁的嵌固深度進行設計及復核，經過合理分析計算后，基坑的安全性滿足要求。同事為了節(jié)約工程投資，采用永臨結合的方式，后期基坑支護排樁面層進行加固后作為出水池墻體，將部分臨時建筑物與永久建筑物結合起來，取得了不錯的效果，同時節(jié)約了工程投資。國光排澇站(閘)已于2019年7月竣工驗收，工程整體經歷過兩個汛期的考驗，目前運行情況良好，是國光片區(qū)的防洪排澇體系不可缺少的重要組成部分。