劉 璐,曹 陽(yáng)
(1:吉林省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院,吉林 長(zhǎng)春 130011;2:敦化市建筑工程質(zhì)量監(jiān)督站,吉林 敦化 133700)
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目增多,城市商業(yè)區(qū)建筑越來(lái)越密集,新建建筑多設(shè)有地下室,地下室部分也越來(lái)越深。在城市中心商業(yè)區(qū),新建的許多建筑基坑都無(wú)法避免地緊鄰周邊既有建筑或城市主干路。這對(duì)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的考驗(yàn)越來(lái)越大,既要保證基坑安全,也要保證周邊既有建筑和道路的安全,還要盡量節(jié)約成本,降低預(yù)算[1]。
當(dāng)前深基坑支護(hù)形式的計(jì)算方式主要以英國(guó)學(xué)者朗肯1857 年提出的朗肯土壓力理論模型來(lái)計(jì)算基坑內(nèi)外側(cè)土壓力;利用極限平衡理論計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移;采用1915 年瑞典彼得森提出的瑞典條分法來(lái)計(jì)算整體穩(wěn)定性[2]。
該研究項(xiàng)目位于吉林省延吉市某商業(yè)中心,基坑周長(zhǎng)320 m,地勢(shì)變化小,場(chǎng)地平坦,以自然地面起算的支護(hù)深度為10 m。周?chē)徑姓鞲陕罚ň嗷舆吘壸疃叹嚯x4.23 m)和既有建筑(距基坑邊緣最短距離5.41 m),主要采用排樁加錨索支護(hù)形式,局部采用雙排樁支護(hù)形式。
據(jù)工程地質(zhì)勘探資料顯示,該段地層上部主要為中砂和圓礫,中砂厚度為2.3 m~3.5 m,承載力特征值為180 kPa;圓礫厚度為2.0 m~3.2 m;下部為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖;局部夾層中存在強(qiáng)風(fēng)化細(xì)砂巖和中風(fēng)化細(xì)砂巖。
項(xiàng)目場(chǎng)地地下潛水水位埋深2.0 m~3.8 m,高程為170.37 m~172.17 m。水位隨季節(jié)浮動(dòng),年變幅約為2.0 m,勘探時(shí)處于枯水期,水位屬于一年中較低水平。地下水滲透系數(shù): 中砂k=20.0 m/d、圓礫k=100 m/d。
各層巖土地基承載力特征值見(jiàn)表1。
表1 各層巖土地基承載力特征值 kPa
基坑支護(hù)設(shè)計(jì)從確定支護(hù)結(jié)構(gòu)的形式開(kāi)始,在分析支護(hù)結(jié)構(gòu)可行性時(shí),其主要因素有:基坑開(kāi)挖深度;地層參數(shù);地下水情況;基坑周邊環(huán)境復(fù)雜程度、破壞造成的影響程度;基坑所處位置是否允許足夠空間;項(xiàng)目所在場(chǎng)地是否允許支護(hù)結(jié)構(gòu)施工的工藝;施工工期要求;預(yù)算要求等。目前在北方地區(qū)常見(jiàn)的基坑支護(hù)形式主要有以下幾種。
由于放坡需要合理的坡比,邊坡上口線(xiàn)往往距離基坑底部有一定距離,要求基坑周邊有充足的空間。另外,放坡支護(hù)的水平位移較大,容易導(dǎo)致周邊既有建筑、道路或管網(wǎng)出現(xiàn)變形,因此對(duì)變形控制嚴(yán)格的基坑不可采用放坡支護(hù)。但是這種支護(hù)方式工程預(yù)算最低。一般來(lái)說(shuō),施工現(xiàn)場(chǎng)滿(mǎn)足放坡條件的三級(jí)基坑工程可采用放坡方式,由于放坡支護(hù)形式的施工大部分來(lái)自土石方的清運(yùn),所以操作簡(jiǎn)單,效率較高。并且放坡這種形式經(jīng)常作為其他支護(hù)形式的補(bǔ)充,多用于基坑上半部分,可卸載部分土壓力,配合其他支護(hù)形式協(xié)同支護(hù)。
水泥土墻是指利用工程機(jī)械將土和水泥漿攪拌在一起,形成一道由其混合物組成的墻體,以此作為抵擋土壓力和基坑外地下水的結(jié)構(gòu)。此方式就地取材,施工過(guò)程中全部采用機(jī)械化,效率較高,可以一次解決需要抵擋土和水兩個(gè)問(wèn)題,省去了降水井的施工步驟,有利于節(jié)約成本、縮短工期,被廣泛采用于二級(jí)、三級(jí)基坑的支護(hù)當(dāng)中[3]。
鋼板樁一般是指拉森鋼板樁,是采用固定截面、定制長(zhǎng)度、可以相互咬合的厚鋼板材料。在支護(hù)施工時(shí),采用振動(dòng)錘擊的方式錘入土體,彼此間相互咬合,形成密閉空間,既能抵擋土壓力,也能抵擋地下水,并且鋼板樁在基坑回填后可以回收再利用,具有經(jīng)濟(jì)性和高效性。
用于基坑支護(hù)的排樁一般分為人工挖孔樁、灌注樁、預(yù)制混凝土樁、鋼板樁,其可作為保證基坑開(kāi)挖后周邊土體穩(wěn)定性的一種支護(hù)形式。按照樁身埋置方式和支撐形式可分為支錨式、懸臂式兩種方式,并且通過(guò)鋼筋混凝土冠梁在樁頂連接排樁樁頭,或在樁身位置用鋼腰梁連接樁身,進(jìn)一步增加穩(wěn)定性和完整性。
土釘墻是一種在土體中加入鋼筋的支護(hù)結(jié)構(gòu),俗稱(chēng)加筋土,是指利用穿過(guò)基坑潛在滑裂面的鋼筋,來(lái)加固滑裂面抗滑強(qiáng)度,從而達(dá)到對(duì)滑動(dòng)土體增加強(qiáng)度的效果。在土釘施工完畢后,應(yīng)在基坑側(cè)壁采用噴射混凝土以保護(hù)坡面,并在其中設(shè)置泄水孔。否則在雨季到來(lái)時(shí),雨水倒灌入土,會(huì)導(dǎo)致滑裂土體的總應(yīng)力大幅增加,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致基坑失穩(wěn)。土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)施工相對(duì)簡(jiǎn)單,成本較低,在二級(jí)、三級(jí)基坑中效果非常好。這種支護(hù)結(jié)構(gòu)一般要求基坑周邊土體自穩(wěn)性較好。
地下連續(xù)墻是指埋于地下的鋼筋混凝土墻,在基坑開(kāi)挖之前應(yīng)沿著基坑邊線(xiàn)打造擋土墻,隨著基坑開(kāi)挖,整個(gè)墻面逐漸暴露出來(lái),其可以抵擋基坑外的土壓力和地下水,是一舉兩得的支護(hù)形式,但由于其采用大量的鋼筋混凝土,造價(jià)非常昂貴,因此只有在地下土層參數(shù)非常差時(shí)才會(huì)考慮。
支撐式支護(hù)一般分為鋼支撐和鋼筋混凝土支撐兩種,其整體性好,安全系數(shù)高,能夠較好地限制支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移,適用條件廣泛,一般用于較深的基坑。但是內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)中施工工作空間狹小不利于主體結(jié)構(gòu)施工和土方搬運(yùn)。且其造價(jià)相對(duì)較高。一般在主體結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中,會(huì)涉及拆撐和換撐工況,導(dǎo)致基坑施工工期較長(zhǎng)。
3.1.1 基坑尺寸
該研究項(xiàng)目地下室共計(jì)2 層,周長(zhǎng)約300 m,開(kāi)挖深度達(dá)到10 m。
3.1.2 環(huán)境條件
場(chǎng)地周邊存在既有建筑物,基坑三條邊臨近市政道路,基坑四周存在地下管線(xiàn),環(huán)境較復(fù)雜。要求基坑水平變形控制在2 cm 以?xún)?nèi)。
3.1.3 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)的確定
該研究項(xiàng)目基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)失效、土體過(guò)大變形對(duì)基坑周邊環(huán)境或主體結(jié)構(gòu)施工安全的影響嚴(yán)重。依據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》JGJ 120—2012,基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)[4]。
從基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)類(lèi)型及其優(yōu)缺點(diǎn)中可以看出,對(duì)于容易產(chǎn)生較大變形的土釘墻、水泥土墻支護(hù)形式不能滿(mǎn)足安全等級(jí)要求。放坡支護(hù)形式?jīng)]有足夠的空間,因此將此三項(xiàng)排除。
綜合考慮基坑開(kāi)挖、周邊環(huán)境、地層情況、施工工藝,該基坑支護(hù)方案可采用以下4 種支護(hù)方式:①內(nèi)支撐;②地下連續(xù)墻;③雙排樁;④樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)??筛鶕?jù)其優(yōu)缺點(diǎn)選擇最合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)。
1)內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)
優(yōu)點(diǎn):支撐式支護(hù)結(jié)構(gòu)可以適合多種形狀的基坑,整體穩(wěn)定性較好,安全系數(shù)高,成型后結(jié)構(gòu)水平位移小,適用于開(kāi)挖較大、較深基坑。
缺點(diǎn):內(nèi)支撐桿件會(huì)影響基坑出土和內(nèi)部主體結(jié)構(gòu)施工,有時(shí)還會(huì)涉及拆撐和換撐的步驟,造成工期延長(zhǎng)的后果,而且造價(jià)很高,最終拆除的混凝土支撐也很難回收利用。
2)地下連續(xù)墻
優(yōu)點(diǎn):整體性好,成型后結(jié)構(gòu)水平位移小,可以在土層參數(shù)很差的條件下起到穩(wěn)固土體的作用,可擋土、擋水,一舉兩得。施工速度較快。
缺點(diǎn):施工工藝中不可避免地產(chǎn)生大量泥漿,污染環(huán)境。造價(jià)高。
3)雙排樁支護(hù)
優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)原理和適用性等同于單排樁支護(hù),但其在土壓力方向具有更大的擋土截面,在位移控制上效果更好。
缺點(diǎn):造價(jià)高。
4)錨拉排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)
優(yōu)點(diǎn):整體剛度大,能夠有效限制變形,環(huán)境污染小,施工簡(jiǎn)單,基坑內(nèi)部空間充裕,方便施工,土石方開(kāi)挖、清運(yùn)較為方便。整體造價(jià)較低[5]。
缺點(diǎn):基坑周邊有地鐵盾構(gòu)項(xiàng)目時(shí)不可采用,錨索會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)損壞。
以上4 種方案,結(jié)合研究項(xiàng)目的具體情況,從安全性、施工工藝、成本預(yù)算、工期要求等方面綜合分析,該基坑最終確定采用雙排樁加樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)兩種支護(hù)形式。
考慮基坑周邊既有建筑及施工便道的重載車(chē)輛,荷載平均按40 kPa 計(jì)入。
場(chǎng)地地層參數(shù)取值見(jiàn)表2。
表2 場(chǎng)地地層參數(shù)
采用北京理正深基坑軟件(F-SPW7.0)進(jìn)行模型計(jì)算。由于本研究項(xiàng)目基坑支護(hù)設(shè)計(jì)根據(jù)的基坑形狀、周邊環(huán)境、土層參數(shù)、高程等不同,采用了兩種不同的支護(hù)結(jié)構(gòu),在基坑的不同位置應(yīng)用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式,其中1-1 剖面采用樁錨支護(hù),2-2 剖面采用雙排樁支護(hù)形式。具體方案如下。
1-1 剖面:此段為樁錨支護(hù),基坑深度10 m,排樁樁頂標(biāo)為地表下1 m,鉆孔灌注樁樁徑800 mm,間距1 200 mm,有效樁長(zhǎng)12 m,樁體混凝土強(qiáng)度為C30。共設(shè)置3 道錨索,錨索水平間距2.4 m,預(yù)加力150 kN。
2-2 剖面:此段為雙排樁支護(hù),基坑深度10 m,排樁樁頂標(biāo)高位于地表,鉆孔灌注樁樁徑800 mm,間距1 200 mm,有效樁長(zhǎng)16 m,樁體混凝土強(qiáng)度為C30。
此方案采用頂部稍作放坡處理,下部采用樁錨支護(hù)的形式進(jìn)行支護(hù),平衡周邊荷載,合理坡比放坡,可縮短支護(hù)排樁的樁長(zhǎng),減少混凝土和鋼筋用量,并合理設(shè)置錨索,可減少支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)的土壓力及地表荷載傳遞的壓力,縮小基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移,在保證相同安全系數(shù)下,減小錨索長(zhǎng)度。
本文選擇了樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)(1-1)和雙排樁(2-2)兩種支護(hù)形式,具體計(jì)算情況如下。
1-1 剖面:開(kāi)挖到底工況位移為14.84 mm、支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩最大值86.67 kN,剪力最大值78.44 kN。①計(jì)算方法:瑞典條分法;②應(yīng)力狀態(tài):有效應(yīng)力法;③條分法中的土條寬度:1.00 m;④整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=2.926>1.35,滿(mǎn)足規(guī)范要求;⑤抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算:最小安全系數(shù)Kt=25.316>1.250,滿(mǎn)足規(guī)范抗傾覆要求;⑥最小安全系數(shù)Kov=4.613>1.250,滿(mǎn)足規(guī)范要求;⑦開(kāi)挖到底工況最大水平位移為14.86 mm,符合要求(見(jiàn)圖1)。
圖1 1-1 剖面整體穩(wěn)定驗(yàn)算簡(jiǎn)圖(m)
2-2 剖面:開(kāi)挖到底工況位移為14.67 mm、支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩最大值243.37 kN,剪力最大值96.08 kN。①計(jì)算方法:瑞典條分法;②應(yīng)力狀態(tài):有效應(yīng)力法;③條分法中的土條寬度:1.00 m;④整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=3.082>1.350,滿(mǎn)足規(guī)范要求;⑤抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算:抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)KQ=4.488>1.250,滿(mǎn)足規(guī)范要求;⑥開(kāi)挖到底工況最大水平位移為14.67 mm,符合要求(見(jiàn)圖2)。
圖2 2-2 剖面整體穩(wěn)定驗(yàn)算簡(jiǎn)圖(m)
深基坑的支護(hù)較為復(fù)雜,涉及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問(wèn)題,也涉及周邊建筑物、道路、管線(xiàn)的安全問(wèn)題,項(xiàng)目所在場(chǎng)地的環(huán)境也要考慮在內(nèi)。本工程實(shí)踐證明,采用雙排樁加樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)加固方式的基坑支護(hù),成本較低,施工效率高,對(duì)周?chē)ㄖ?、市政道路及管線(xiàn)影響小,可應(yīng)用于城市中心位置的基坑工程。