復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)在深厚軟土基坑中的應(yīng)用

曾家培 ZENG Jia-pei

（廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣州 510060；廣東省城市感知與監(jiān)測(cè)預(yù)警企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510060）

0 引言

珠三角地區(qū)軟土分布廣泛，隨著城市建設(shè)的高速發(fā)展，位于深厚軟土場(chǎng)地的地下開(kāi)發(fā)項(xiàng)目數(shù)見(jiàn)不鮮[1-3]，該類項(xiàng)目的基坑工程具有支護(hù)設(shè)計(jì)和施工難度大、工程造價(jià)高昂等特點(diǎn)。為均衡考慮支護(hù)設(shè)計(jì)方案的安全性和經(jīng)濟(jì)性，往往需要結(jié)合場(chǎng)地條件，充分對(duì)比分析設(shè)計(jì)方案和開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證安全的前提下盡可能地降低工程造價(jià)，確保設(shè)計(jì)方案安全合理。

本文以珠三角地區(qū)某住宅樓和商業(yè)配套工程為例，基于工程地質(zhì)和周邊環(huán)境等條件分析了深厚軟土基坑的支護(hù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化過(guò)程，分別采用理正深基坑和Midas/GTS 有限元軟件驗(yàn)算了基坑整體穩(wěn)定性，并介紹了復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)在緊鄰既有建筑物支護(hù)段的工程實(shí)踐情況，可為砂層和軟土深厚場(chǎng)地中的深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與施工提供一定參考。

1 工程概況

某住宅樓和商業(yè)配套工程位于珠三角地區(qū)，擬建9 棟超高層建筑塔樓，塔樓采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)和灌注樁基礎(chǔ)，建筑±0.00 標(biāo)高相當(dāng)于1985 國(guó)家高程6.13m。場(chǎng)地北側(cè)為住宅區(qū)，擬設(shè)2 層地下車庫(kù)，南側(cè)為商業(yè)區(qū)，下設(shè)1～2層地下室。場(chǎng)地地貌類型屬珠江三角洲平原，現(xiàn)狀地面標(biāo)高在1.54～6.55m 之間，基坑頂部整平標(biāo)高約3.5～4.3m?；娱_(kāi)挖高度為5.87～10.35m，支護(hù)周長(zhǎng)約1200m，開(kāi)挖面積約62500m2?；又苓叴蟛糠謪^(qū)域無(wú)需要保護(hù)的建（構(gòu)）筑物，東南側(cè)局部有現(xiàn)狀變電站及地鐵隧道，西南側(cè)為在建市政道路和先建配套建筑，地下室邊線距先建配套建筑邊線約9m，其余建筑物離基坑較遠(yuǎn)。

2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)條件

場(chǎng)地內(nèi)粉砂、淤泥質(zhì)土等松軟土層深厚，主要巖土層結(jié)構(gòu)特征及物理力學(xué)性質(zhì)自上而下描述如下：①人工填土：雜色，層厚1.50～7.90m，廣泛分布，主要由雜填土組成，局部為素填土。雜填土由粉質(zhì)粘土、粉土等回填，松散；素填土由粉質(zhì)粘土、中粗砂及少量碎石等組成，稍壓實(shí)。②粉砂：深灰、灰黑色，松散，級(jí)配不良，層厚2.40～19.00m，廣泛分布。土層含較多有機(jī)質(zhì)、淤泥，局部夾有貝殼碎片和淤泥質(zhì)土。③淤泥質(zhì)土：深灰、灰黑色，流塑，層厚1.80～35.80m，廣泛分布。土層含較多粉砂及有機(jī)質(zhì)、貝殼碎片等，偶夾粉砂薄層，局部夾粉質(zhì)粘土或粉細(xì)砂。④淤泥質(zhì)土：灰黑色，流塑～軟塑，層厚1.50～16.20m，局部分布。土層含較多粉細(xì)砂及有機(jī)質(zhì)，局部夾粉砂薄層。⑤強(qiáng)風(fēng)化砂巖：褐紅色等，半巖半土狀，局部為角礫狀，巖石風(fēng)化不均勻，局部夾中風(fēng)化巖，廣泛分布。（表1）

2.2 水文地質(zhì)條件

場(chǎng)地內(nèi)地下水類型主要為賦存于填土層的上層滯水、第四系松散土層孔隙潛水和基巖裂隙水。粉砂層為主要含水層，具有分布廣、層厚較大、透水性好等特點(diǎn)；基巖中的水量較貧乏，局部因構(gòu)造作用裂隙發(fā)育處水量稍豐富。相對(duì)穩(wěn)定水位埋深為0.30～4.90m，水位年變化幅度在1.00～1.50m 之間。

3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

3.1 基坑特點(diǎn)與重難點(diǎn)

①基坑支護(hù)需采取有效措施確保止水成效，做好降排水工作。場(chǎng)地內(nèi)砂層深厚且廣泛分布，存在漏水流砂風(fēng)險(xiǎn)，可能導(dǎo)致坑外砂土大量流失從而對(duì)周邊環(huán)境造成嚴(yán)重影響；砂層為透水性較好的富水層，土方開(kāi)挖過(guò)程中如抽排坑內(nèi)積水不及時(shí)，可能會(huì)泡軟土體，對(duì)基坑安全造成不利影響。

②需嚴(yán)控支護(hù)結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量，做好現(xiàn)場(chǎng)施工組織和應(yīng)急預(yù)案。場(chǎng)地內(nèi)分布有深厚軟土層，該土層具有低強(qiáng)度、高壓縮性等不良特性，施工時(shí)易出現(xiàn)水泥攪拌樁成樁質(zhì)量低、預(yù)應(yīng)力錨索成孔塌孔等問(wèn)題；施工機(jī)械可能因松軟地面沉陷倒塌；現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖土方過(guò)程中也易出現(xiàn)臨時(shí)開(kāi)挖面局部滑塌等現(xiàn)象。

③周邊建（構(gòu)）筑物的監(jiān)測(cè)和保護(hù)尤其重要?；游髂蟼?cè)緊鄰先建配套建筑，監(jiān)測(cè)是了解其變形情況的重要手段；基坑和東南側(cè)建（構(gòu)）筑物相距較遠(yuǎn)，地下室邊線距東南側(cè)現(xiàn)狀變電站和地鐵隧道最近處分別為35m 和90m，但一方面深厚軟土基坑的工程影響范圍相對(duì)較大，另一方面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常時(shí)可及時(shí)分析處理避免糾紛，因此仍需對(duì)變電站做好監(jiān)測(cè)。

3.2 原設(shè)計(jì)方案

綜合考慮基坑深度與周邊環(huán)境、場(chǎng)地地質(zhì)條件、現(xiàn)場(chǎng)施工條件等情況，基坑支護(hù)主要采用放坡支護(hù)，并結(jié)合大直徑或三軸水泥攪拌樁等加固處理，基坑外圍均設(shè)置1 排三軸水泥攪拌樁形成封閉止水帷幕，并要求套接一孔施工確保止水成效。因基坑西南側(cè)局部緊鄰先建地上3 層配套建筑（樁基礎(chǔ)），此段支護(hù)設(shè)計(jì)方案應(yīng)通過(guò)對(duì)比分析選擇安全合理的支護(hù)方案。

基坑西南側(cè)開(kāi)挖深度為5.87m，因建設(shè)方工期安排和為便于現(xiàn)場(chǎng)施工，不考慮支護(hù)樁結(jié)合水平撐或斜撐等影響坑內(nèi)施工組織的支護(hù)方案。此外，該段勘察鉆孔資料未揭露砂層，如采用支護(hù)樁結(jié)合預(yù)應(yīng)力錨索的支護(hù)方案，不能確保土層能給普通錨索提供足夠的錨固力，如采用擴(kuò)大頭錨索則易影響到鄰近建筑的樁基礎(chǔ)。且該段土質(zhì)較差、施工空間受限，放坡結(jié)合水泥攪拌樁加固的方案難以放緩放坡坡率，無(wú)法滿足基坑穩(wěn)定性要求，而采用雙排樁支護(hù)則過(guò)于昂貴。經(jīng)初步對(duì)比分析，基坑西南側(cè)緊鄰先建配套建筑段擬采用支護(hù)樁懸臂結(jié)合被動(dòng)區(qū)加固進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)樁選用直徑1m@1.2m 灌注樁，冠梁尺寸為1m×0.8m，支護(hù)樁采用兩短一長(zhǎng)的平面布置，長(zhǎng)樁和短樁分別長(zhǎng)35.2m 和45.2m；被動(dòng)區(qū)加固采用7 排6m 長(zhǎng)三軸水泥攪拌樁；冠梁頂部采用1:1.5 的坡率進(jìn)行放坡處理，放坡高度為2.87m，坡面插筋噴砼護(hù)面。支護(hù)剖面如圖1 所示。

圖1 原設(shè)計(jì)支護(hù)剖面（緊鄰先建配套建筑段）

3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

緊鄰先建配套建筑段的原支護(hù)設(shè)計(jì)方案在技術(shù)上可行，是軟土基坑中被廣泛應(yīng)用的支護(hù)方案，但存在以下缺點(diǎn)：①軟土場(chǎng)地中排樁懸臂支護(hù)的受力及變形在很大程度上受被動(dòng)區(qū)加固影響，如出現(xiàn)水泥攪拌樁施工質(zhì)量不佳等情況，支護(hù)結(jié)構(gòu)及鄰近建筑存在變形較大的風(fēng)險(xiǎn)；②樁頂放坡位于填土中且僅插筋噴砼處理，放坡坡面可能在連續(xù)降雨等因素影響下出現(xiàn)局部土體滑落、掉塊等現(xiàn)象，從而影響到先建配套建筑的正常使用；③因場(chǎng)地存在深厚軟土，為確?；影踩€(wěn)定，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)超35m 并在坑內(nèi)設(shè)有較大寬度的內(nèi)加固，支護(hù)造價(jià)十分昂貴。

為解決上述問(wèn)題優(yōu)化該段支護(hù)選型，對(duì)緊鄰先建配套建筑段采用復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)，即在放坡結(jié)合水泥攪拌樁加固支護(hù)方案的基礎(chǔ)上增設(shè)注漿鋼花管，要求施工時(shí)鋼花管避開(kāi)建筑樁基礎(chǔ)，同時(shí)根據(jù)場(chǎng)地空間限制控制放坡坡率。優(yōu)化設(shè)計(jì)支護(hù)方案，在坡頂設(shè)置三軸水泥攪拌樁止水，坡腳及坡面設(shè)置較大寬度的水泥攪拌樁加固，局部設(shè)有豎向內(nèi)插鋼管加強(qiáng)，并采用5 道注漿鋼花管加固坡面，鋼花管水平間距為1.0～1.2m，長(zhǎng)度為9～15m，成孔直徑為90mm。支護(hù)剖面如圖2 所示。

圖2 優(yōu)化設(shè)計(jì)支護(hù)剖面（緊鄰先建配套建筑段）

3.4 優(yōu)化效益分析

基坑西南側(cè)緊鄰先建配套建筑，變形控制要求嚴(yán)格，通過(guò)優(yōu)化該段支護(hù)方案，降低了基坑出現(xiàn)過(guò)大變形的風(fēng)險(xiǎn)，提高了基坑的安全可靠性。且削坡后更便于坑內(nèi)施工組織，放坡坡面采用多道注漿鋼花管加固處理，也減少了坡面局部滑塌的可能性。此外，在滿足基坑變形和穩(wěn)定性要求的前提下，支護(hù)成本顯著降低，方案經(jīng)濟(jì)性更為合理。如表2 所示，原設(shè)計(jì)方案每延米的工程造價(jià)約為優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的1.7 倍，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，工程成本降低了203.58 萬(wàn)元。

表2 支護(hù)成本分析表（緊鄰先建配套建筑段）

4 邊坡整體穩(wěn)定性計(jì)算與分析

4.1 設(shè)計(jì)驗(yàn)算

軟弱土層中邊坡易出現(xiàn)局部滑移甚至整體失穩(wěn)，確?；优R時(shí)邊坡整體安全穩(wěn)定是本工程設(shè)計(jì)計(jì)算的關(guān)鍵。

在邊坡穩(wěn)定性定量分析方法中，極限平衡法是最早出現(xiàn)的確定性分析方法，而有限元分析法為適用性極廣的數(shù)值分析方法[4]，兩者均已被較多實(shí)踐[5-6]證明能得到合理的邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)。瑞典條分法是極限平衡法中較為古老和簡(jiǎn)單的一種，該方法將邊坡滑動(dòng)面假定為圓弧并忽略土條側(cè)面作用力，根據(jù)邊坡的下滑力和下滑抗力計(jì)算邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)。強(qiáng)度折減法則一般被用于有限元分析中，此方法不斷折減土體的黏聚力及內(nèi)摩擦角直至邊坡達(dá)臨界破壞狀態(tài)，并將強(qiáng)度指標(biāo)的折減系數(shù)視為邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)。

如表3 所示，分別采用理正深基坑（瑞典條分法）和Midas/GTS 軟件（強(qiáng)度折減法）計(jì)算緊鄰先建配套建筑段的邊坡整體穩(wěn)定性，其中采用Midas/GTS 軟件建立的三維有限元模型選用修正摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，且為便于與理正計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，模型未對(duì)鄰近建筑及其樁基礎(chǔ)進(jìn)行建模。由表可知因未考慮條間力作用瑞典條分法的計(jì)算結(jié)果整體上偏于安全，但兩者的計(jì)算結(jié)果較為相近，開(kāi)挖到坑底標(biāo)高時(shí)兩種方法計(jì)算的安全系數(shù)分別為1.679 和1.951，均滿足相關(guān)規(guī)范的要求，表明邊坡整體安全穩(wěn)定。

表3 邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)（緊鄰先建配套建筑段）

4.2 工程實(shí)踐

緊鄰先建配套建筑段開(kāi)挖至坑底標(biāo)高時(shí)，基坑最大坡頂水平位移和沉降分別為12.8mm和5.1mm，配套建筑沉降在0.9～10.8mm 之間，均遠(yuǎn)小于規(guī)范允許值。土方開(kāi)挖過(guò)程中，該段放坡坡面未出現(xiàn)掉塊、脫落現(xiàn)象，坡頂無(wú)明顯裂縫，先建配套建筑正常使用不受影響，基坑整體穩(wěn)定，表明此段設(shè)計(jì)驗(yàn)算與實(shí)際相符且支護(hù)方案安全可靠，達(dá)到了方案設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。（表4）

表4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（緊鄰先建配套建筑段）

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合某住宅樓和商業(yè)配套工程分析了緊鄰配套建筑段的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化過(guò)程。工程實(shí)踐表明，深厚軟土基坑的支護(hù)方案應(yīng)結(jié)合場(chǎng)地條件開(kāi)展充分的對(duì)比分析，在保證安全的前提下避免采用造價(jià)不合理的支護(hù)方案；本工程砂層與淤泥深厚，優(yōu)化方案采用的復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)在緊鄰既有建筑物段取得了良好的應(yīng)用效果，可為類似工程提供一定參考。