软土地区基坑支护、降水及土方开挖技术的应用与研究.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除软土地区基坑支护、降水及土方开挖技术的应用与研究 关键词：天津；软土；基坑；支护；降水；土方开挖；技术；实践应用；研究英文标题：Thefoundationpittosupport、drainandexcavatetechniquesyntheticallyapplyandresearchinsoftclayregion【内容提要】本文根据有关的研究成果和工程实践经验，详细分析了天津地区软土工程特性和基坑，和软土基坑支护的一些问题，并简单介绍了几个基坑的设计概况。 前言近几年来来，天津地区基本建设规模逐渐加大，一大批的工业、民用建筑等大规模投资建设风起云涌，基础开挖深度较深、面积大，如天津泰达市民文化广场工程，其基础占地面积就达40947m2。由于天津地区典型的软土地质工程条件，无疑大大的提高了工程的投资成本，这使得深基础问题在技术上和经济上都有着举足轻重的影响。因此长期以来，对天津软土工程性质及工程应用，尤其是深基坑支护问题都是岩土专家和工程技术界所关注的问题。本文依据工程实践和相关的专家研究成果，对软土地区深基坑支护、降水及开挖技术的综合应用作了总结，并提出一些具有实践性的总结成果。我们本着总结经验和推进施工技术交流的精神，成果总结并编写成册，希望推动建筑技术交流和发展，叙述中一定会有不少错误和缺点，希指正。一、简述基坑工程是一个综合性和实践性很强的岩土工程问题，地区性特征很强，基坑工程设计应结合地区特征（如气候状况、环境特征、水文地质）、工程特点和实践经验进行，成功的基坑工程设计遵循的原则是“理论导向、量测定量、经验判断”三者结合的原则。依据经验和理论分析，基坑围护体系失效一般原因主要三个方面原因造成：一是因为内在设计不合理因素导致支护体系失稳（如整体稳定、抗倾覆、抗隆起安全性小，支护结构强度、刚度不足破坏等）而引起基坑失稳；二是因为外界环境变化（如雷雨天气、超载、水渗入）引发基坑失稳；三是因为施工因素（如支护结构施工质量达不到设计要求、挖土不合理、挖土扰动支护结构等）引发的基坑失稳。为了防止基坑失稳主要应从支护结构设计、施工等方面加以控制，以及通过施工监测来预防基坑失稳。软土地区支护结构设计应采用适合的计算理论，在这方面理论研究较多，也比较成熟。依据建筑基坑支护技术规程JGJ20-99要求“在基坑施工及地下结构施工期间，应对周边环境和支护结构进行监测”。基坑施工监测目的就是及时掌握基坑开挖、降水及施工过程中支护结构的实际状态（位移、倾斜变化值和变化速率等）及周边环境(建筑物、地下管道、道路)的变化情况，为基坑施工和周边环境的安全与稳定提供监控数据，为基坑安全施工提供佐证，做到施工可预控性和防患于未然。软土基坑开挖设计宜采用“时空效应”理论3进行挖土设计和安全控制是非常有必要的，这也是工程经验所证明的。如在基坑支护和施工方案设计过程中应依据基坑“时空效应”理论，采取了合理的开挖方案和完善的基坑施工监测技，是保证基坑安全有效实施的关键。综上所述，完整的基坑工程设计应该包括支护结构、降、排水设计、土方开挖设计和施工监测设计，对于软土基坑工程更应如此。2.2、软土基坑支护2.2.1、一般设计原则基坑支护设计的基本原则是“安全、经济、合理、可行”。基坑支护设计就是依据基坑工程要求（平面尺寸和深度）、场地工程地质条件和水文条件，以及场地周遍环境条件等资料，首先对影响基坑围护体系安全的主要矛盾进行量化分析，据此进行方案合理性选择和结构稳定性的理论计算分析，并参考地区性经验判断，最终确定基坑围护体系类型。基坑围护体系一般包括挡土体系和止水降水体系两个部分，要求基坑支护结构体系一般能够承受土压力和水压力，且具有一定的刚度和整体稳定性。基坑围护形式主要有放坡开挖、悬臂支护结构、重力式挡墙结构、内支撑支护结构、组合拱型挡墙结构等。2.2.2、注意问题天津地区软土的工程性能较差，对于天津地区软土基坑支护应注意如下几点内容：1、土压力计算模型根据土的状态和土体是否位移，土压力有静止土压力、被动土压力和主动土压力。在支护结构计算时应充分考虑桩前被动土压力的作用，根据天津市岩土工程技术规程（DB29-20-200），悬臂支护结构的桩前后土压力分布图见图(1)：2、土的抗剪强度指标土的抗剪强度是指在外力作用下，土体内部产生剪应力时，土对剪应力的极限抵抗能力。土的抗剪强度指标主要是土的内摩擦角（）和土的粘聚力（cKPa）。土的抗剪强度指标根据三轴剪切试验（或直剪试验）时的不同排水条件分为不固结不排水剪（直剪快剪）、固结不排水剪（固结快剪）和排水剪（固结慢剪）三种抗剪强度指标。根据有关资料，计算主动区和被动区由于土体自重产生的土压力时，宜采用固结快剪或固结不排水剪（三轴试验）指标较为合适4。天津市岩土工程技术规程（DB29-20-200）中规定，土压力计算时，所选取的抗剪强度指标测试的应力和排水饱和状态应与基坑开挖现场土中的应力和排水状态相同。地下水位以下的饱和粘性土，按水土分算时，采用固结不排水或固结快剪强度指标；按水土合算时，应采用不固结不排水剪或直剪快剪强度指标。在工程实践中，工程技术人员进行土压力计算时大都采用不固结不排水剪或直剪快剪强度指标，这是一种较为安全、保守的设计方法。在实际工程中，由于一般都进行坑内降水设计，土体都经过不同程度的固结，土的抗剪强度都有所提高，但也应注意由于室内试验对土的扰动影响。3、水泥搅拌桩设计注意事项水泥搅拌桩在较软的粘性土、粉土地区应用较为广泛，一般采用水泥搅拌桩成型的格构式挡墙或矩形墙作为浅基坑（开挖深度6.0m）的支护结构和基坑开挖的止水帷幕。其设计时应注意以下方面内容：1）、天津地区土质（尤其是滨海地区土质）中含有一定量或局部地段土层富含渣、盐、贝壳、有机质等成份，土与水泥的反应性（反应速度和反应能力）和粘合性较差，水泥掺量较少的情况下，早期强度较低，一般很难达到挡墙和止水效果。经过一些试验数据统计分析，水泥搅拌桩的水泥掺量在15%时其280.801.30MPa，这给工程设计造成了许多不确定性因素。为此作为支护和止水帷幕设计用途的水泥搅拌桩应控制其水泥掺量15%，采用水泥的标号不得低于32.5号，这也在天津市岩土工程技术规程中有所体现。2）、一般情况下，作为支护结构的水泥搅拌桩，为提高水泥土的早期强度，应适当掺加一定量的早强型外加剂，并适当延长水泥土的养护龄期，水泥土的养护龄期应不少于28天。根据工程经验和试验数据，当水泥掺量为15%时，在搅拌桩内掺0.05%的三乙醇胺早强剂，水泥土的强度281.20Mpa，可以将此作为水泥土的设计强度。3）、由于影响水泥土的强度因素较多，如水泥的品种、水泥掺量、水泥标号、加固土的物理力学性质和物理化学性质、搅拌均匀程度、养护龄期和养护温度等。故在水泥搅拌桩设计时应充分考虑这方面的因素，并强化施工质量控制是比较重要的。4）、采用水泥搅拌桩成型的挡墙的基坑一般位移变形较大，天津地区曾有桩定位移超过20cm的记录。故对于周遍环境条件要求较高的基坑支护结构设计应慎用水泥土挡墙，或者应采取有效的措施来控制基坑位移。如滨海地区的美华大厦工程，基坑开挖深度为5.20m，水泥土挡墙厚度3.20m，桩顶最大位移达到了17.80cm。5）、采用水泥搅拌桩作为止水帷幕设计时应注意根据岩土勘察报告淤泥质土层和其下层的杂质夹层及砂、粘或粉、粘土互层（千层土）情况，虽然这些土层的渗透性较差，但夹层和互层透水性较好，往往由于这些原因有可能导致基坑内出现流砂和水量大等止水失败而导致基坑式稳的事故。所以水泥搅拌桩止水帷幕应穿透该层进入其下层的不透水层，这种情况在以往的工程中经常遇见。另外采用单排搅拌桩作止水帷幕时，应适当控制桩间掺叠量，一般以互掺200mm为宜，防止过大的水头压力。3、其他1）、采用水泥搅拌桩与灌注桩互掺成一排既作为基坑支护结构，又作为止水帷幕是一种较为经济、有效的基坑支护形式，在其设计时应注意其掺叠形式、互掺量和成桩质量控制，由于不同类型桩的较小的桩间互掺量导致施工较为困难。在天津市区和滨海地区两个基坑我们就采用了这种支护形式，效果比较好，但由于桩的垂直度较难控制，基坑局部渗水的现象较为严重。2）、由于软土具有蠕变、流动等特性，其在荷载作用下土的蠕变和流动性能加大，这对基坑的安全和稳定性影响较大，故在基坑开挖施工期间严格控制基坑外侧的堆积荷载、动荷载和振动荷载是非常关键的。如在滨海地区某基坑工程，由于局部的空压机振动和车辆等动荷载效应影响，使基坑土体的位移加剧，致使基坑一角部钢管内支撑完全失效。2.2.3、软土基坑稳定性前面已经叙述了软土基坑失稳主由三个方面的原因造成，对于软土基坑支护结构应采用适合地区特征的设计理论，如同济大学的侯学缘等教授编写的软土深基坑工程稳定与隆起研究一文中提到的长形基坑和圆形基坑稳定性计算方法在天津软土地区较为适合。对于由于施工原因造成的基坑失稳应从施工控制的角度来加以避免，下面主要从施工控制角度方面来叙述土方开挖对基坑稳定性的影响。1、作好基坑监测工程的信息化施工。通过“现场监测信息反馈方案修正监测验证”的基坑动态地信息化施工方法，及时发现施工中的问题，从而及时改进施工技术措施或调整设计，以取得良好的工程效果和保持周边环境的效果；通过资料总结和分析，可以为今后改进设计、施工提供实测的数据。2、基坑开挖过程中，应加强对支护结构体系和基坑稳定性监测，作到每一深挖土步骤就要进行施监测，然后对监测值（桩顶位移、桩侧斜、沉降）进行分析，如果监测值是一种渐变的递增过程，则说明基坑处于合理的稳定状态，如果监测值发生突变或出现峰值，则说明基坑支护结构承受过大的土压力，则需要放慢挖土速度或立即停止挖土，待基坑变形监测值停止增长或增长十分缓慢，则可继续进行土方开挖。3、对于基坑变形和变形速率超过警戒值，而且变形还处于继续快速增长，则考虑坑内回填土方、卸载等措施，确保基坑安全。4、工程基础垫层应随基坑分段开挖进行，土方开挖完毕后，应立即进行垫层施工，以增加基坑整体的稳定性。5、支护结构顶和土坡坡顶周围一定范围的场地做好硬化处理，并外倾斜坡度为2%，防止水渗入和流入基坑而影响基坑安全。6、基坑挖土严格按设计要求进行挖土，控制每层挖土厚度和放坡坡度，必要时控制挖土出土速度。7、基坑土方开挖过程中，禁止对支护桩脚趾部位土体的破坏，禁止机械碰撞扰动支护桩，禁止在基坑四周堆积过大的荷载，严禁振动荷载和动荷载长期作用影响基坑安全。8、合理进行施工组织，分段土方开挖完毕后，及时转入下道工序施工，尽量缩短基坑暴露时间。9、雨季施工的基坑工程应密切注意天气情况，提前作好雨水防排措施，防止雨水渗入和涌入基坑，对于由于基坑变形过大而产生的地面缝隙应及时采用砂浆回灌堵缝，或下雨时应采用塑料薄膜覆盖基坑。2.3、软土基坑开挖土方开挖是深基坑工程设计的一个重要内容，也是深基坑工程施工的关键工序。由于基坑自土方开挖就处于动的状态，支护结构的受力状态、大小、位移变形都随着开挖深度的增加而增加，而且由于软土流变特性，随着基坑暴露时间越久，基坑支护体系的位移变形越大，随时可能都会发生事先估计不到的事故，因此必须慎重对待。基坑开挖形式一般分为放坡开挖和支护结构挡土开挖。2.3.1、基坑放坡基坑放坡开挖是基坑土方开挖常用的一种形式，其优点是施工方便、造价低，一般是适用于土质较好（硬可塑状态的粘性土、砂性土等）的地区。对于软土地区基坑应慎用放坡开挖，如采用放坡开挖方式时，除根据环境特征和各类工况进行土坡稳定性分析、计算外，还应采取有效的降排水或止水措施和安全防护措施，确保安全。软土地区采用放坡开挖方式的基坑应注意如下问题：1、土坡稳定性验算所用土的物理力学指标应根据地质条件和土的物理力学指标基本相同的原则选用，宜选用固结快剪、十字板剪和无侧限抗压强度试验测定的抗剪强度指标。2、进行土坡稳定性验算，必须考虑建筑物周遍环境及地下水、渗流等对边坡稳定性影响。如在岩土工程技术规程要求：对于粘性土，计算中不考虑渗流力作用时，应满足基坑整体稳定抗力分项系数R1.40；基坑底面以下存在透水层时，稳定计算中应考虑透水层的不利作用。3、进行基坑放坡设计时应考虑下卧软土层由于在荷载作用下产生较大的流变、蠕动等的影响，致使土坡失稳或坑底大量隆起，一般应采取降水固结或加大坡比来解决下卧软土层的影响。曾经有某基坑工程采用放坡开挖，由于下层软土大量隆起，出现了坑内的工程桩位移达1.5m左右的质量事故。4、合理的土坡坡度是放坡开挖的关键。基坑放坡坡度确定除应满足土坡稳定性验算、周遍环境条件要求外，还应注意当地以往的工程经验。如天津市区基坑放坡比一般为0.651.20，滨海地区基坑放坡坡比一般为2.003.50。5、基坑放坡应采取有效的降、排水或止水措施。对于富含高灵敏度的淤泥或淤泥质土土层采用放坡开挖时，如环境条件要求较低（即不考虑降水对环境的影响）时，可采用井点降水方案降低土的含水量，以起到固结土体和坡面止水的作用。如滨海地区的文化广场基坑工程采用放坡开挖，该基坑开挖深度为5.10m，埋深约4m以下为呈淤泥和淤泥质土，平均厚度约为10m，为了保证基坑的安全，采用了在坡面上布置间距为810m大口井的降水方案，固结土体和止水效果较好。对于采用放坡开挖的基坑底面以上存在透水层时或基坑底面以下存在水头压力较大的透水层，且影响基坑安全时，应采取有效的止水措施（如采用止水帷幕）。如天津市区的新世界花园工程和铁路局住宅楼工程，基坑局部采用放坡开挖，由于基坑底面以下存在粉土和砂性土互层的土层，其土的透水性属于透水弱透水，为此采用了单排700500的搅拌桩止水帷幕，效果较好。6、放坡开挖坡面应采取一定的防护措施，这尤其对处于雨季施工阶段或无降排水、止水措施的基坑比较重要。坡面防护通常采用抹一层钢丝网水泥砂浆或喷射砂浆，土体含水量较大时，应设置一定量的排水孔。2.3.2、基坑开挖基坑开挖形式应重视时空效应问题，要根据基坑面积大小、围护结构形式、开挖深度和工程环境条件等因素而定。大体上基坑开挖形式有分层开挖、分段开挖、中心道开挖和盆式开挖四种。对于开挖形式的确定应以利于基坑安全稳定为原则，兼顾其他因素，基坑开挖过程中应注意减少时空效应对基坑支护结构的不利影响。国家标准建筑基坑支护技术规程中明确规定：软土基坑必须分层均衡开挖，分层高度不宜超过1m。一般基坑土方开挖都根据施工需要都采用各种开挖方式组合的开挖方法，软土地区基坑开挖应优先采用分层开挖形式。软土地区基坑开挖时应注意以下问题：1、基坑开挖之前应进行充分的降水。虽然软土的渗透性较小，但降水对土体的固结效果较为明显，因此基坑开挖之前尽可能提前降水和确保降水时间是非常重要的。2、基坑开挖应尽量减少基坑围护结构的暴露时间，必要时应控制挖土速度，这对于采用悬臂结构和水泥土挡墙支护形式的基坑尤为重要，一般宜采用分层开挖和中心岛开挖组合或采用分层开挖和分段开挖组合的基坑开挖方法。对于水泥土挡墙而言，延长开始受力时间对增加水泥土成熟度和提高早期强度是有益的。3、对于大面积的软土深基坑开挖可采用分段、分层开挖方法不仅便于施工组织，而且对基坑稳定性较为有益。对于基坑较深的基坑，整体分层开挖较为困难，可采用阶梯式分层开挖，每个阶梯台作为挖土机械接力作业平台，反铲接力挖土(见图2)所示：阶梯式挖土阶梯宽度要以挖土机械可以作业为度，阶梯高度要视土质情况而定，一般高度应控制在1.502.0m之内，阶梯坡度应以土坡稳定性要求确定。4、基坑土方开挖时宜在围护结构前留置适量的被动土而待基坑内侧土方开挖完毕后再挖除此部分土体，以使被动土压力区与基坑的围护结构共同抵抗主动土压力区荷载（土压力、水压力等），这样可部分减少基坑围护结构变形和荷载累积。5、基坑土方开挖时作好基坑监测，而且应根据基坑监测数据来控制挖土速度、挖土方式，防止基坑失稳。2.4、软土基坑排水和降水天津地区浅层地下水的类型包括上层滞水、潜水和承压水三种。上层滞水的埋深一般为1.01.50m，主要由大气降水补给，以蒸发形式排泄，水位随季节变化明显。主要的含水层为弱透水层微透水性的人工填土层；潜水主要的含水层为Q42第海相层及以上的粘性土、粉土、人工填土层，下层的粉土、砂土层为承压水的主要含水层，一般工程中主要遇到的是上层滞水和潜水。总体来说，在含承压水和潜水的浅层地基土层中，土的水平和垂直渗透系数都很小，渗透性基本属于弱透水不透水，但土的含水量较为丰富，尤其是淤泥和淤泥质土层，其含水量一般为50%60%，由于土体中的有有机质或透水性好的夹层等原因，施工经验上的排水量一直较大，基坑降、排水一般采用井点降水和明沟排水组合的方式。2.4.1、降水井设计基坑井点降水常用的降水井类型包括轻型井点、管井井点、喷射井点和电渗井点，在基坑工程的降水设计中一般根据工程经验、基坑规模、槽深、环境条件、各土层渗透性和降低水位的深度等合理选择降水井类型。如天津市区的井点降水一般采用轻型井点和管井井点，滨海地区井点降水一般采用管井，基坑坑内降水深度为坑底面下0.51.0m。地区性工程降水设计经验如下：1、管井井点降水一般采用600的大口径无砂混凝土管管井。其构造如下：大口径无砂混凝土管井由无砂混凝土滤水管和潜水泵等部分组成，成孔后下600水泥砾石（无砂）滤水管，管底封死，管外填315砾石作过滤层，地面0.5m以下用粘土填充夯实，潜水泵采用流量1025m3/h的离心式水泵。2、无砂混凝土管井的平面布置。管井井间距一般为2030m左右，其距离基坑止水帷幕的距离控制在510m左右，在土质渗透性较好的地区（如天津市区）管井间距一般取大值，在土质渗透性较差的地区（如滨海地区）管井间距一般取小值。另外在滨海地区，若采用无砂混凝土管井进行基坑封闭性降水时，管井间距一般控制在810m以内为宜。3、天津市区进行基坑外降水一般采用轻型井点降水方案。2.4.2、基坑排水设计在基坑开挖完毕后，应在基坑四周挖盲沟明排或其它措施进行明排水。排水盲沟为300400，内填碎石滤水，并每隔30m左右设置集水井。现在有在用采用塑料板排水法进行软土固结的工程实践。实践经验证明，采用管井井点降水和明沟排水组成的基坑降、排水体系是非常有效的。2.5、基坑施工监测2.5.1、基坑施工监测的必要性由于基坑自开挖就处于动的状态，支护结构的受力状态、大小、位移变形都随着开挖深度的增加而增加，而且由于软土的特殊性，随着基坑暴露时间越久，基坑支护体系的位移变形越大，随时可能都会发生事先估计不到的事故。依据国家规程建筑基坑支护技术规程JGJ20-99，在基坑施工及地下结构施工期间，应对周边环境和支护结构进行监测。通过监测，可以及时掌握降水、基坑开挖及施工过程中支护结构的实际状态及周边环境的变化情况，做到及时预报，为基坑边坡和周边环境的安全与稳定提供监控数据，防患于未然；通过监测数据与设计参数的对比，可以分析设计的正确性与合理性，科学合理的安排下一步工序，必要时可及时修改设计，使设计更加合理，施工更加安全，作到工程可预控性；通过信息反馈，总结工程经验，促进基坑工程技术的进步。故进行基坑施工监测是很有必要的，对于软土基坑更是如是。即基坑开挖过程中，应加强对支护结构体系和基坑稳定性监测，作到每一深挖土步骤就要进行施监测，然后对监测值（桩顶位移、桩侧斜、沉降）进行分析，如果监测值是一种渐变的递增过程，则说明基坑处于合理的稳定状态，如果监测值发生突变或出现峰值，则说明基坑支护结构承受过大的土压力，则需要放慢挖土速度或立即停止挖土，待基坑变形监测值停止增长或增长十分缓慢，则可继续进行土方开挖。2.5.2、监测目的及监测项目1、基坑施工监测目的就是及时掌握降水、基坑开挖及施工过程中支护结构的实际状态（位移、倾斜变化值及变化速率）及周边环境(建筑物、地下管道、道路)的变化情况，为基坑施