复杂地基支护施工

1前言迄今为止,基坑工程围护设计理论和方法尚不成熟,且大部分都是经验方法[1]。随着城市的快速发展,复杂环境条件下的基坑工程围护问题出现的频率将日益增多。因此,探索复杂环境基坑工程围护设计及其应用实践问题已经受到高度重视。本文针对某工程实例,就复杂环境软土基坑工程组合围护设计问题进行了应用实践可供同类或者相似工程借鉴和参考。2工程及其环境条件概况2.1基坑工程及环境概况福州大学新校区学生公寓三区食堂位于公寓区南部,场地东西宽约60m,南北长约80m,总占地面积4800m2,为框架结构,采用桩基础;地下室1.5层;基坑似矩形,开挖深度为3.0~3.5m,局部深达5.0m。基坑南面为开阔地,北邻二区学生公寓宿舍,西侧紧邻一大池塘,东侧紧邻二区食堂,间距很小;东西两侧为基坑工程的主要围护监测段;两侧全长挡水,东侧全长围护新区二期已建成的食堂及其两侧紧邻的通道,是该基坑围护的重点和难点。基坑的安全等级为II级。2.2场地工程地质环境条件基坑位于福州盆地的闽江冲积平原,人工填筑而成的场地。自然地面较平坦。根据岩土工程勘查报告,场地自上而下的土层分布依次分为:(1)素填土,风化土为主,东侧局部为冲填砂,为新近填土,呈松散-稍密状态,厚1.90~5.40m。(2)淤泥:饱和、流塑状态,高含水量,高压缩性,强度极低且厚度很大,厚1.70~9.10m。(3)细砂:饱和,松散状态,厚2.90~8.50m。浅部地下水为孔隙潜水和上层滞水,主要为大气降雨和场地两边的池塘补给;水位埋深2.45~2.95m,对基坑有影响的主要是素填土层中的孔隙潜水和淤泥层中的上层滞水,受降雨的影响比较敏感。基坑涉及的主要岩土层是填土层和淤泥层,局部涉及细砂层,它们都是松散或稍密状态或流塑状态,即基坑围护的土体属软土体。它们的物理、力学特性指标如表1所示。3复杂环境基坑工程组合围护方案设计综合场地地形地貌水文工程地质条件、基坑开挖深度,以及各方面的要求和限制等复杂环境条件,分析比较论证围护技术方案后,确定采用多种组合围护结构型式;即东侧壁采用复合土钉支护(土钉与超前木桩联合)围护;南北两侧采用1∶1.5放坡型式;西侧采用堆填沙包或杂填土、围堰体和木桩联合围护。基坑围护设计的重点是东侧壁和西侧壁,采用复合土钉和围堰组合围护。3.1东侧复合土钉围护设计设计内容与步骤归纳为两个部分：一、土钉墙形态尺寸,土钉长度、间距、空间状态,钢筋直径与排数,面层的厚度与强度等参数的初步设计。二、采用理论与经验法、对初步设计确定的各类参数的安全性进行验核,若经验算法达不到安全稳定状态,修正初步设计,再进行相应的计算验核,直至安全稳定为止[2]。按照基坑开挖深度的不同分为3个断面,E1-1,E2-2,E3-3。断面都是超前木桩和土钉复合支护。E1-1断面采用2排土钉,1排木桩;E2-2断面采用2排土钉,2排木桩;E3-3断面采用3排土钉,3排木桩。断面E3-3的设计剖面结构如图2:3.2西侧围堰体和木桩组合设计基坑西侧紧邻池塘,常年有水,施工时,为避免基坑进水引起的施工困难和边坡崩塌。采用围堰和木桩组合支护设计。围堰体由沙包堆筑体和杂填土堆筑体及分布于其中的工程塑料布组成,在基坑内侧设置木桩,避免围堰倾覆。根据距池塘的距离和基坑挖深,分为w1-1,w2-2,w3-3断面;各断面的尺寸略有不同,但是组合结构基本相同。其中,与E3-3相对应的断面w3-3的典型布置如图3:4基坑围护结构的计算分析和稳定性验算4.1复合土钉(1)土钉长度和间距的确定我们采用了理论计算法与工程类比法相结合的原则来确定土钉长度L值。首先,应用Bishop圆弧条分法寻找潜在滑裂破坏面。基坑开挖时,边坡土体在没有支护状态下,会产生较大的变形,甚至滑裂破坏。最危险的滑移破裂面(潜在优势滑裂面)的寻找判断和确定是土钉长度设计的重要基础依据之一。我们随机地假定多个可能的滑裂面,采用Bishop圆弧条分法求出相应的安全系数Ki,其中最小的安全系数Kmin=1.23;它对应的裂面即是优势滑裂面[3]。土钉长度应满足穿过该滑裂面进入不动土体较大深度的要求,确保土钉群把最危险滑裂面两侧的土体牢固地联结起来,据此给出土钉的长度。其次,依据工程类比法中常用的长高比L/H(土钉长度L∶坡高H)原则,即土钉的长度一般为坡高的0.8~1.20倍。结合场地土质条件和环境状况取L=(1.15~1.30)H,以此给出土钉的长度。综合上述2种给出值,最后将土钉的长度设计为6m、8m。为了充分利用砂质粘土的锚固力,土钉的倾角设为10,土钉(管)的水平间距(Sx)和垂直间距(Sy)均设定为1.0m。(2)土钉强度和抗拔力验算根据规范,土钉抗拉承载力验算按照以下步骤进行:式中:Tjk为第j根土钉受拉荷载的标准值;Tuj为第j根土钉抗拉承载力设计值;ζ为荷载折减系数;γ0为基坑侧壁重要性系数,取为1;γs为土钉抗拉力分项系数,取1.3;dnj为第j根土钉锚固体直径;qsik为土钉穿越第i层土土体与锚固体极限摩阻力标准值;li为第j根土钉在直线破裂面外稳定土体内的长度,破裂面与水平面的夹角为(β+φk)/2;eajk为第j个土钉位置处的基坑水平荷载标准值,其中eajk=(γh+q0)ka-2cka,q0为地面均布荷载,取为10kN/m2;sxj、szj为第j根土钉与相邻土钉的平均水平、垂直间距;αj为第j根土钉与水平面的夹角;β为土钉墙坡面与水平面的夹角;φk为土的内摩擦角标准值;γs为土钉抗拉抗力分项系数,取1.3。按工程地质报告提供的土层结构特征和相关的物理、水理和力学特性,以及基坑工程特征;归纳概化了两个作为计算分析用的支护结构剖面图,即E1-1断面和E3-3断面;分别对两个断面进行土钉的抗拉承载力计算分析验算,其结果均满足抗拉承载力的要求,见表2。它表示土钉(管)的强度和抗拔力是足够稳定的。(4)土钉墙整体稳定性验算土钉墙整体稳定性的计算分析方法有两种。其中圆弧条分法是一种简易且行之有效的方法,为工程实践中被广泛采用的方法。其分析计算式(即安全系数计算公式)为:式中:n为分条数;m为土钉数;γk为整体滑动分项系数,可取1.3;γ0为基坑侧壁重要性系数;ωi为第i分条土重;bi为第i分条宽度;cik为第i分条滑裂面处土体固结快剪粘聚力标准值;φik为第i分条滑裂面处土体固结快剪内摩擦角标准值;θi为第i分条滑裂面处中点切线与水平面夹角;αj为土钉与水平面之间的夹角;Li为第i分条滑裂面处弧长;s为计算滑动体单元厚度;Tnj为第j根土钉在圆弧滑裂面外锚固体与土体的极限抗拉力,可按下式确定:Tnj=πdnjqsiklni,lni为第j根土钉在圆弧滑裂面外穿越第i层稳定土体内的长度。具体的计算结果见表3。从规范可知,安全系数Fs必须不小于1.0,基坑才不至失稳。而且安全系数越大,稳定性越好。从表中可知在开挖施工各阶段的整体稳定性均满足要求。以上整体稳定性计算分析中未考虑松木桩和竖向土钉的增强效应的作用,理由之一是考虑作为整体安全稳定储备,二是作为控制和减少土钉围护结构的整体侧向位移和沉降的保证措施。4.2围堰体设计计算围堰填筑体内铺设的塑料布,在平行基坑侧壁方向相互搭接宽度不小于1.0m,垂直于基坑侧壁方向连续无接缝;围堰体顶上部应全部由塑料布覆盖;分层填筑压实。在围堰体东侧坡体下部或坡脚木桩压入坑底土体的深度应不小于2.50m,且应及时先行用挖掘机压入土中,它是保证围堰体稳定安全和坑底稳定安全的重要措施。围堰体的稳定性包括围堰体边坡稳定性验算、围堰填筑体地基稳定性和围堰抗滑稳定性三个方面;依据围堰体的形态及工程实际情况,该工程围堰体的稳定性关键是围堰体内部稳定和地基稳定。对围堰体边坡稳定性验算可以通过理正软件中的morgenstem-price程序计算得出。填筑体地基稳定性验算应满足条件公式[6]:式中:W为填筑体重力;qu为围堰地基承载力;γ为土的容重;fak为场地承载力;qsik为摩阻力;S为木桩桩侧面积,可取1×0.1m2;H为填筑高度;0.7为折减系数。计算结果如表(4)所示,围堰体重力与地基承载力之比都远小于1.0,表明围堰体地基是安全稳定的;其次,围堰边坡体的稳定性系数都大于1.52,也是安全稳定的。参考文献[1]陈肇元,崔京浩.土钉支护在基坑工程中的应用[M].北京:中国建筑工业出版社,1997.[2]陈祖煜.土质边坡稳定性分析:原理·方法·程序[M].北京:中国