建筑項(xiàng)目軟弱地基施工技術(shù)探究

邵玄昊 （中鐵十六局集團(tuán)第四工程有限公司，北京 101400）

由于軟弱土層地基的壓縮系數(shù)、壓縮模量、承載能力等力學(xué)性能特征均較差，所以在對(duì)軟弱土層地基開(kāi)展施工時(shí)，基坑發(fā)生失穩(wěn)、滑坡甚至塌陷的風(fēng)險(xiǎn)就特別高[1]。對(duì)于軟弱土層地基的處理大多采用換填方式，但是軟弱土體在進(jìn)行機(jī)械挖掘、換填的過(guò)程中也非常容易發(fā)生滑坡塌陷等事故。因此，專(zhuān)門(mén)就建筑項(xiàng)目面臨的軟弱土層地基開(kāi)展改良加固施工技術(shù)探究，是具有一定理論創(chuàng)新意義和實(shí)踐創(chuàng)新價(jià)值的。

1 案例工程項(xiàng)目地質(zhì)條件

位于我國(guó)云南省昆明市的某新建污水泵站項(xiàng)目，其污水泵站修建區(qū)域范圍內(nèi)的土體經(jīng)地質(zhì)勘查和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)得出如表1所示的土層特征和力學(xué)特征。

表1 土層特征及土體力學(xué)特征

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)可以看出，案例項(xiàng)目地基修建區(qū)域范圍內(nèi)土體性質(zhì)較為復(fù)雜，且各類(lèi)土體的密度ρ、壓縮系數(shù)α、壓縮模量E、承載力特征值fak均較低。利用實(shí)驗(yàn)室對(duì)土體進(jìn)行天然快剪標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)、固結(jié)快剪標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)和三軸直剪標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，得出的承載力試驗(yàn)值也相對(duì)較低，由此可以判斷該項(xiàng)目修建區(qū)域范圍內(nèi)的地基為典型的軟弱土層地基，地基施工期間存在比較大的質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)隱患。

2 案例項(xiàng)目軟弱地基改良加固的技術(shù)關(guān)鍵

針對(duì)案例項(xiàng)目面對(duì)的軟弱地基，為了保證順利施工且保證質(zhì)量、安全，就需要在整個(gè)地基施工期間確?；拥撞恳约盎铀闹芡馏w的穩(wěn)定。

根據(jù)土力學(xué)的有關(guān)原理，建筑項(xiàng)目軟弱土層地基在開(kāi)展深基坑施工作業(yè)期間，基坑頂部土體受到的地面活荷載σ1、基坑側(cè)壁土體受到的外土壓力σ2以及深基坑底部土體受到的摩擦阻力σ3，其力學(xué)平衡關(guān)系式如公式（1）所示[2]。

式中σ1表示軟弱土層地基深基坑四周頂部土體受到的地面活荷載，kPa；σ2表示軟弱土層地基深基坑四周側(cè)壁土體受到的外土壓力，kPa；σ3表示軟弱土層地基深基坑底部土體受到的摩擦阻力，kN；a1表示軟弱土層地基深基坑頂部的土體力學(xué)系數(shù)；a2表示軟弱土層地基深基坑四周側(cè)壁的土體力學(xué)系數(shù)；e1表示軟弱土層地基深基坑底部土體的粘聚力系數(shù)；e2表示軟弱土層地基深基坑四周側(cè)壁土體的粘聚力系數(shù)；e3表示軟弱土層地基深基坑底部土體的粘聚力系數(shù)，a1、a2、e1、e2、e3等系數(shù)數(shù)值一般均由實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)獲??；e表述指數(shù)函數(shù)；G表示軟弱土層地基深基坑底部土體承受的建筑構(gòu)件荷載，kPa[3]。

此外，為了保障軟弱土層地基深基坑及其地基基礎(chǔ)的施工安全，深基坑頂部土體受到的地面活荷載σ1、深基坑四周側(cè)壁土體受到的外土壓力σ2以及深基坑底部土體受到的摩擦阻力σ3還需要滿足式（2）所示的力學(xué)函數(shù)關(guān)系式。

式中φ表示土體內(nèi)摩擦角，°；C表示土體粘聚力，kPa。

當(dāng)且僅當(dāng)軟弱土層地基深基坑頂部土體受到的地面活荷載σ1、深基坑四周側(cè)壁土體受到的外土壓力σ2、深基坑底部土體受到的摩擦阻力σ3滿足式（2）所示的應(yīng)力平衡關(guān)系式時(shí)，基坑才能保持安全、穩(wěn)定[4]。

3 案例項(xiàng)目工程施工技術(shù)組織方案

依據(jù)案例項(xiàng)目所面臨的不良地質(zhì)條件，原設(shè)計(jì)施工技術(shù)方案擬采用沉井法，沉井施工前需在沉井外圍采用單管高壓旋噴樁作為止水帷幕，樁徑0.6m，樁長(zhǎng)15m，共設(shè)置2排，間距0.4m，在圓周方向每隔5°設(shè)置一根。沉井和單管高壓旋噴樁止水帷幕施工布置圖如圖1所示。

圖1 高壓旋噴樁止水帷幕布置示意圖

根據(jù)圖1可以看出，沉井直徑為6000mm，井壁厚度為600mm，通過(guò)查閱原設(shè)計(jì)技術(shù)方案可知，沉井采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，井身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，井身縱向受力主筋分別采用直徑18mm 和22mm 的HRB400 鋼筋，上述兩種鋼筋隔一布一，布設(shè)間距為200mm；井身箍筋采用直徑12mm 的HRB400 鋼筋，布設(shè)間距為150mm。單管高壓旋噴樁為鋼筋混凝土實(shí)心樁，每根單管高壓旋噴樁的樁身縱向受力主筋為直徑20mm 的HRB400 鋼筋，布設(shè)間距為200mm；每根單管高壓旋噴樁的樁身箍筋為直徑8mm 的HRB300 鋼筋，布設(shè)間距為150mm。

4 案例項(xiàng)目軟弱地基施工技術(shù)方案仿真驗(yàn)證原理

為了全力確保施工安全和施工質(zhì)量，采用有限元計(jì)算分析法對(duì)工程組織施工技術(shù)組織方案進(jìn)行建模仿真驗(yàn)證。所謂有限元計(jì)算分析法，其原理如圖2所示。在對(duì)軟弱土層土體開(kāi)展土石方挖掘、單管高壓旋噴樁止水帷幕以及沉井施工時(shí)，可將基坑底部土體、基坑四周土體以及單管高壓旋噴樁止水帷幕視為一種均勻同質(zhì)的彈性體，而后有限元計(jì)算分析軟件基于單元分割的方式將此均勻同質(zhì)彈性體劃分為無(wú)數(shù)個(gè)規(guī)格一致、大小一致、且尺寸體積盡可能小的均勻矩形體單元（長(zhǎng)度2a、寬度2b、厚度t），以該矩形單元的中心點(diǎn)o作為原點(diǎn)建立平面x,y坐標(biāo)系，則矩形單元內(nèi)任一無(wú)量綱坐標(biāo)（ζ，η）=（x/a，y/b）[5]。u1、u2、u3、u4分別表示軟弱土層矩形單元體在某一位置處受到的橫向約束；v1、v2、v3、v4分別表示軟弱土層矩形單元體在某一位置處受到的縱向約束[6]。

圖2 有限單元法示意圖

采用有限元建模軟件，按照表1、公式（1）、公式（2）以及施工技術(shù)組織方案進(jìn)行三維建模，通過(guò)計(jì)算施工期間任意時(shí)刻每一個(gè)矩形單元體的受力情況，進(jìn)而匯總計(jì)算施工期間任意時(shí)刻整個(gè)地基深基坑的受力情況，并判斷在對(duì)應(yīng)的施工技術(shù)組織方案下軟弱土層地基施工是否滿足式（2）所示的力學(xué)平衡關(guān)系，若滿足則表明施工技術(shù)組織方案可行；若不滿足則表明施工技術(shù)組織方案不可行[7]。

5 案例項(xiàng)目軟弱地基施工技術(shù)方案仿真驗(yàn)證

首先，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)檢測(cè)，案例項(xiàng)目地基施工區(qū)域范圍內(nèi)各個(gè)土層的頂部土體力學(xué)系數(shù)a1、四周側(cè)壁土體力學(xué)系數(shù)a2、底部土體粘聚力系數(shù)e1、四周側(cè)壁土體粘聚力系數(shù)e2、底部土體粘聚力系數(shù)e3數(shù)值如下：

利用ANSYS 有限元建模分析計(jì)算軟件建模分析，得出以下結(jié)果：

（1）施工期間地面活荷載：基坑開(kāi)挖深度為±0.00m至-4.00m 時(shí)地面活荷載值為8.11kPa；基坑開(kāi)挖深度為-4.00m至-4.80m時(shí)地面活荷載值為7.29kPa；基坑開(kāi)挖深度為-4.80m至-8.50m時(shí)地面活荷載值為8.70kPa；基坑開(kāi)挖深度為-8.50m 及以下時(shí)地面活荷載值為8.11kPa。

（2）沉井自重=井壁自重+底板自重=3390.093kN+467.587kN=3857.68kN。

（3）施工期間外土壓力：未降水開(kāi)挖時(shí)設(shè)計(jì)基坑頂端外土壓力為0kPa；地下水降至-3.00m 時(shí)基坑頂端外土壓力為41.35kPa；地下水降至-11.20m時(shí)基坑頂端外土壓力為91.00kPa。

（4）施工期間摩擦阻力：基坑開(kāi)挖深度為±0.00m至-4.00m時(shí)地面活荷載值為678.584kN；基坑開(kāi)挖深度為-4.00m至-4.80m時(shí)地面活荷載值為859.540kN；基坑開(kāi)挖深度為-4.80m 至-8.50m 時(shí)地面活荷載值為1804.235kN；基坑開(kāi)挖深度為-8.50m 及以下時(shí)地面活荷載值為3171.471kN。

（5）施工期間土體內(nèi)摩擦角：基坑開(kāi)挖深度為±0.00m～-4.00m 時(shí)土體內(nèi)摩擦角平均值為6°；基坑開(kāi)挖深度為-4.00m～-4.80m 時(shí)土體內(nèi)摩擦角平均值為9°；基坑開(kāi)挖深度為-4.80m～-8.50m時(shí)土體內(nèi)摩擦角平均值為4°；基坑開(kāi)挖深度為-8.50m 及以下時(shí)土體內(nèi)摩擦角平均值為6°。

（6）施工期間土體粘聚力：基坑開(kāi)挖深度為±0.00m至-4.00m 時(shí)土體粘聚力平均值為36.92kPa；基坑開(kāi)挖深度為-4.00m 至-4.80m 時(shí)土體粘聚力平均值為41.75kPa；基坑開(kāi)挖深度為-4.80m 至-8.50m 時(shí)土體粘聚力平均值為45.33kPa；基坑開(kāi)挖深度為-8.50m 及以下時(shí)土體粘聚力平均值為47.81kPa。

上述計(jì)算數(shù)值代入公式（2），均滿足公式（2）所示的力學(xué)平衡關(guān)系，由此可以判斷施工技術(shù)組織方案可行，可放心用于施工實(shí)踐。

6 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)建筑項(xiàng)目面對(duì)地質(zhì)條件較差、承載力特性不足的軟弱土層地基時(shí)，在充分掌握土體受力關(guān)系和力學(xué)平衡關(guān)系的基礎(chǔ)上，基于實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的各個(gè)土層頂部土體力學(xué)系數(shù)、四周側(cè)壁土體力學(xué)系數(shù)、底部土體粘聚力系數(shù)、四周側(cè)壁土體粘聚力系數(shù)、底部土體粘聚力系數(shù)以及施工技術(shù)組織方案，進(jìn)行有限元建模仿真模擬并驗(yàn)證其力學(xué)平衡關(guān)系，可以進(jìn)一步判斷施工技術(shù)組織方案的安全可行性。若通過(guò)有限元建模仿真模擬判斷施工技術(shù)組織方案安全可行，則可直接用于指導(dǎo)施工；若通過(guò)有限元建模仿真模擬判斷施工技術(shù)組織方案不可行，則需對(duì)技術(shù)方案進(jìn)行改良并利用有限元建模仿真驗(yàn)證其安全可行后，再用于指導(dǎo)施工。