基于巖土勘察的地質(zhì)工程基坑支護(hù)設(shè)計(jì)研究

李 娜

(中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心黑龍江總隊(duì),黑龍江 哈爾濱 150040)

1 巖土勘察分析

在地質(zhì)工程巖土勘察工作中，主要包含巖土勘察和環(huán)境勘察兩部分內(nèi)容。開展巖土勘察工作，需要對土質(zhì)特性、軟化度等展開分析，獲得精確數(shù)據(jù)。在掌握地層狀況、水文分布等信息的情況下，能夠深入研究施工條件，根據(jù)分析結(jié)果制定科學(xué)支護(hù)方案?？辈飙h(huán)境，需要對工程所在區(qū)域環(huán)境展開調(diào)研，確認(rèn)現(xiàn)場建筑物分布狀況，做到精準(zhǔn)測量各種建筑物與施工場地的距離[1]。與此同時(shí)，需要對周圍土質(zhì)進(jìn)行測量，掌握地下管道、線纜埋設(shè)情況。將勘察獲得的數(shù)據(jù)匯總，然后對工程地質(zhì)展開評價(jià)，才能統(tǒng)籌安排施工。作為復(fù)雜工程，巖土勘察可以采用多種技術(shù)手段對復(fù)雜巖土結(jié)構(gòu)展開分析，并通過嚴(yán)格檢驗(yàn)確認(rèn)能否滿足施工要求，直接關(guān)系到基坑施工質(zhì)量和安全。使用先進(jìn)技術(shù)開展勘察工作，并完成數(shù)據(jù)合理分析，才能出具科學(xué)的勘察報(bào)告，確保施工人員全面認(rèn)識工程的地質(zhì)條件、土層結(jié)構(gòu)、土壤狀況等，做到合理進(jìn)行基坑支護(hù)設(shè)計(jì)，做好支護(hù)結(jié)構(gòu)施工安排，保證工程建設(shè)取得理想效果。

2 巖土勘察與地質(zhì)工程基坑支護(hù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 把握基坑勘察要求

地質(zhì)工程基坑支護(hù)設(shè)計(jì)需要做到因地制宜，因?yàn)椴煌瑘龅氐刭|(zhì)條件和不同土層巖土性質(zhì)等都存在差異，而基坑施工將同時(shí)受到土壤性質(zhì)、地下水位和周圍環(huán)境等多種復(fù)雜因素影響。想要為支護(hù)設(shè)計(jì)提供科學(xué)數(shù)據(jù)依據(jù)，需要做好前期勘察工作，避免施工期間出現(xiàn)安全或質(zhì)量問題。根據(jù)基坑開挖復(fù)雜度，可以確定勘察工作布點(diǎn)要求，因?yàn)殡S著開挖程度從簡單變化為復(fù)雜，各勘察點(diǎn)距離需要從50 m減小至10 m，以便獲得更全的地質(zhì)數(shù)據(jù)[2]。在調(diào)查土壤性質(zhì)時(shí)，需要確定土層下是否存在軟土層或含水層等特殊土層。通常情況下，特殊土層位置較深，在深基坑施工期間可能與這些土層產(chǎn)生接觸，因此應(yīng)做好土層勘察。在雨季施工，基坑支護(hù)容易受地下水影響，需要對地下水位置及其變化情況等相關(guān)情況展開勘察。根據(jù)基坑開挖具體情況，才能明確巖土勘察目標(biāo)，合理進(jìn)行勘察內(nèi)容安排，并做好勘察技術(shù)選擇，保證勘察工作高效開展。在勘察過程中，需要進(jìn)行鉆探作業(yè)，應(yīng)提前查找有關(guān)資料確認(rèn)勘察區(qū)域內(nèi)地下構(gòu)筑物及管線分布情況，并根據(jù)以往水文地質(zhì)資料加強(qiáng)土層分布情況把控，編制詳細(xì)勘察綱要。確保綱要內(nèi)容與工程建設(shè)方案相符，要求勘察深度達(dá)到開挖深度2～3倍，遇到堅(jiān)硬黏土、碎石土等可以適當(dāng)減少勘察深度，遇到軟弱土層應(yīng)增加勘察深度和范圍，才能保證勘察結(jié)果全面、準(zhǔn)確。

2.2 選擇合理結(jié)構(gòu)參數(shù)

伴隨著地質(zhì)工程基坑支護(hù)技術(shù)發(fā)展，出現(xiàn)了擋土墻、連續(xù)墻、噴錨等各種支護(hù)形式，擁有各自結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，要求做好結(jié)構(gòu)受力分析，確保結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定，能夠?yàn)榛娱_挖提供安全保障。在結(jié)構(gòu)分析階段，受土體粘聚力、摩擦角等因素影響，不同位置結(jié)構(gòu)受力存在差異，未能做好力學(xué)參數(shù)選擇將造成結(jié)構(gòu)安全性能下降。為保證支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，需要引進(jìn)先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，通過建立反饋系統(tǒng)提出完善支護(hù)設(shè)計(jì)方案。但實(shí)際巖土工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要根據(jù)場地地形地貌、周圍環(huán)境條件等展開分析，因此要求根據(jù)精準(zhǔn)的勘察數(shù)據(jù)進(jìn)行土層參數(shù)選擇，對垂直支護(hù)體系進(jìn)行建模分析[3]。在基坑設(shè)置內(nèi)支撐的情況下，可以采用有限元分析軟件簡化分析過程，在各剖面輸入不同土層參數(shù)，完成基坑深度設(shè)定，分析得到基坑周圍荷載，選擇適合支護(hù)形式。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，由于支護(hù)結(jié)構(gòu)多架設(shè)在側(cè)壁巖土層中，對勘察數(shù)據(jù)精確性提出了較高要求。在地質(zhì)勘察存在偶然性的情況下，需要適當(dāng)增加支護(hù)結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度，確保結(jié)構(gòu)擁有足夠承載力，有效避免安全事故發(fā)生。在深基坑支護(hù)過程中，為保證支護(hù)方案科學(xué)性，需要對土壤性質(zhì)開展動態(tài)觀察，通過與以往性質(zhì)報(bào)告比對掌握土壤性質(zhì)變化情況，做到合理選擇結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)，從而有效提高基坑支護(hù)技術(shù)水平。

2.3 科學(xué)處理開挖問題

在基坑開挖階段，可能遭遇邊坡失穩(wěn)問題，與開挖作業(yè)引發(fā)的空間效應(yīng)有關(guān)。在基坑長度較大的情況下，這一問題較為突出，應(yīng)通過改進(jìn)支護(hù)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)平面應(yīng)變，確保長度方向產(chǎn)生一致開挖效應(yīng)，有效避免邊坡失穩(wěn)問題發(fā)生。在基坑支護(hù)設(shè)計(jì)實(shí)踐中，應(yīng)根據(jù)場地情況做好變形設(shè)計(jì)，合理預(yù)測變形范圍，并根據(jù)氣候環(huán)境做出適當(dāng)改進(jìn)。根據(jù)基坑安全等級，可以確定變形控制參數(shù)，如表1所示，H為基坑深，可知基坑安全等級越高，需要控制的變形量越大。根據(jù)基坑安全系數(shù)，可以對支護(hù)構(gòu)件承載力展開分析，在構(gòu)件抗力和外力比值超出安全系數(shù)時(shí)，說明結(jié)構(gòu)相對安全，能夠達(dá)到基坑開挖施工要求[4]。作為臨時(shí)工程，基坑支護(hù)應(yīng)加強(qiáng)安全設(shè)計(jì)，在周圍環(huán)境或巖土性質(zhì)復(fù)雜的情況下，應(yīng)適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)承載力。在深基坑支護(hù)中，為保證結(jié)構(gòu)安全，可以采用有限元分析軟件對結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行驗(yàn)算，確定支撐體系強(qiáng)度，在不同工況條件進(jìn)行模擬施工，確定結(jié)構(gòu)深層位移和側(cè)向位移變化情況，提出有效支護(hù)方案。在保證結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)上，選擇經(jīng)濟(jì)性較佳的支護(hù)方式，能夠達(dá)到較高基坑支護(hù)設(shè)計(jì)水平。

表1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制參數(shù)

3 基于巖土勘察的地質(zhì)工程基坑支護(hù)設(shè)計(jì)實(shí)踐

3.1 工程概況

某工程計(jì)劃建設(shè)60棟住宅建設(shè)，層高在7～10層，并完成地下車庫、商場、幼兒園等配套設(shè)施建設(shè)。通過前期調(diào)查，了解相關(guān)資料，確定工程勘察等級為乙級，安全、場地和地基均為二級。工程基坑深達(dá)6 m，位于城市公路交匯區(qū)域，為保證施工安全，需要進(jìn)行基坑支護(hù)施工。為保證基坑支護(hù)設(shè)計(jì)科學(xué)性，需要做好前期巖土勘察工作，加強(qiáng)基礎(chǔ)施工安全和質(zhì)量管控。

3.2 勘察技術(shù)

3.2.1 測點(diǎn)布置

在巖土勘察階段，考慮到工期緊張，同時(shí)采用鉆探、貫入試驗(yàn)等手段高效開展勘察工作，做到全面采集工程地質(zhì)信息，合理判斷場地是否存在造成工程基礎(chǔ)不穩(wěn)的因素。根據(jù)工程相關(guān)資料，在現(xiàn)場布置25個觀測點(diǎn)，各點(diǎn)之間保持15～30 m距離。開展實(shí)地考察工作，完成施工場地及周圍巖土的土質(zhì)取樣。結(jié)合實(shí)際條件，選用XY-150鉆機(jī)進(jìn)行鉆探取樣，使用130 mm鉆具開口，孔徑達(dá)到110 mm。鉆進(jìn)作業(yè)期間，直至達(dá)到黏土層可以停止鉆孔，從提升上來的鉆具下方取樣。針對粉土層下方區(qū)域，采用旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式，并配合使用泥漿護(hù)壁防止塌孔問題發(fā)生。在巖石取樣操作中，按規(guī)定從芯柱位置獲得樣品。

3.2.2 勘察試驗(yàn)

開展觸探試驗(yàn)，能夠檢測卵石層壓實(shí)度。在試驗(yàn)期間，采用重錘動力觸探方式，探頭直徑達(dá)到74 mm，錐角為60°。通過自由落錘，將重62.4 kg重錘從73 cm高度位置落下。將貫入10 cm當(dāng)成是一個記錄點(diǎn)，可以確認(rèn)錘擊數(shù)。在粉土層壓實(shí)度測試階段，開展標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，確定土層穩(wěn)定性。一般的情況下，粉土密實(shí)度在砂土和黏性土之間，塑性指數(shù)最大為10，按照規(guī)定要求粒徑超0.075 mm的顆粒占粉土總量50%。根據(jù)密度，對照巖土勘察規(guī)范可以確定實(shí)測擊數(shù)。試驗(yàn)時(shí)采用自動脫鉤方式，圓錘重量不變，從73 cm高度落下，按照貫入30 cm記錄錘擊數(shù)。在場地類型劃分方面，需要確認(rèn)場地中與土層等效的剪力波速等數(shù)據(jù)，合理進(jìn)行工程抗震系數(shù)設(shè)計(jì)。在不同測點(diǎn)開展波束試驗(yàn)，采取單口速度檢測方法，確認(rèn)測點(diǎn)距離為1 m，深度達(dá)20 m，通過人工激振方式開展測試。利用動測儀采集數(shù)據(jù)，然后利用計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)，能夠獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。為對工程地下水位、含水量等進(jìn)行深度勘察，開展了抽水試驗(yàn)，對基坑開挖范圍和周圍范圍水層展開勘察，判斷是否可能發(fā)生突然涌水問題。判斷存在問題，需要制定降水方案，避免支護(hù)結(jié)構(gòu)受到威脅。此外，需要在室內(nèi)對土樣進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)、快剪試驗(yàn)等各種試驗(yàn)，科學(xué)開展基坑土質(zhì)評價(jià)工作。

3.3 支護(hù)設(shè)計(jì)

3.3.1 安全評價(jià)

根據(jù)巖土勘察結(jié)果和工程水文地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，能夠?qū)雍铜h(huán)境的安全性展開評價(jià)。從場地情況來看，擬建區(qū)域較為平坦，周圍存在較多空地，高程差最大為6.4 m。場地?fù)碛腥壣郊古c河流，標(biāo)高可以控制在829.6～836.1 m?；邮┕^(qū)域地層主要為平原充填土和粉質(zhì)黏土，也包含風(fēng)化巖石、砂礫等。地下水在素填土層中，在地表0.2～0.5 m位置，水量隨季節(jié)變化。而水質(zhì)為輕微腐蝕狀態(tài)，不存在污染問題，要求施工采用耐腐蝕鋼筋。在基坑底部位置，主要為粉質(zhì)黏土，屬于黏土夾層。根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范可知，可以評定為二級。為避免影響周圍道路正常通行，不能進(jìn)行放坡施工。此外，側(cè)壁位置為土質(zhì)松散的填土層，開挖時(shí)容易給邊坡穩(wěn)定性帶來影響。從總體上來看，工程地質(zhì)條件相對簡單，可以利用等值梁法進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗(yàn)算和抗?jié)B流分析，制定科學(xué)的支護(hù)方案。

3.3.2 支護(hù)方案

在基坑支護(hù)設(shè)計(jì)上，在保證結(jié)構(gòu)安全性的基礎(chǔ)上，為避免支護(hù)結(jié)構(gòu)給周圍道路通行帶來影響，決定采用錨桿支護(hù)方式。采用C30混凝土進(jìn)行鉆孔灌注樁澆筑，將擋土結(jié)構(gòu)布置在基坑距離坑頂1/3位置。采用雙層錨桿，在地下3 m位置布置首層錨桿，并在深6 m位置布置第二層，錨桿傾角達(dá)到15°。將錨固位置看成是不動支座，將形成的擋土結(jié)構(gòu)看成是梁，能夠?qū)⒅鲃雍捅粍油翂喝靠闯墒峭獠亢奢d，對結(jié)構(gòu)內(nèi)力展開分析，求解靜定梁問題。實(shí)際在出土壓力驗(yàn)算上，地下3 m位置主動土壓力達(dá)到51 kPa，被動土壓為342 kPa。在6 m深的位置，主動土壓將達(dá)到81 kPa，被動土為435 kPa。在1 m位置，土壓為0。在彎矩平衡的條件下，對錨桿水平拉力展開分析，能夠確定首層錨桿拉力大小達(dá)到99 kN，第二層達(dá)到162 kN，根據(jù)驗(yàn)算結(jié)構(gòu)，需要將首層錨桿拉力設(shè)計(jì)為198 kN，第二層為323 kN，支護(hù)柱為18 m。考慮到基坑支護(hù)施工期間將遭遇雨季，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)容易受到地下水位變化因素的影響。為保證基坑施工安全，需要做好底部排水池設(shè)計(jì)，有效治理上層滯水。從工程后期施工情況來看，通過建立監(jiān)測系統(tǒng)對基坑開挖過程進(jìn)行監(jiān)管，確認(rèn)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大為36 mm，周圍地面沉降變形量最大為21 mm，均未超出二級安全等級要求。此外，在施工期間開展環(huán)境巡查工作，始終未發(fā)現(xiàn)道路裂縫、異常水滲漏等情況，說明采取的排水和支護(hù)方式有效。因此從總體上來看，采用的支護(hù)方案能夠確?；邮┕さ陌踩?。

4 結(jié) 語

運(yùn)用多種巖土勘察技術(shù)開展全面調(diào)研，能夠?yàn)榈刭|(zhì)工程基坑支護(hù)設(shè)計(jì)提供充足數(shù)據(jù)，在把握土壤黏度、環(huán)境條件等因素的基礎(chǔ)上選擇適合的支護(hù)方式，并通過合理驗(yàn)算結(jié)構(gòu)力學(xué)性能保證工程施工安全。在實(shí)踐工作中，需要熟練掌握巖土勘察和基坑支護(hù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，做到規(guī)范開展各類試驗(yàn)，才能保證獲得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，從而提出正確的支護(hù)方案，有效提升支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

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