高層砼結構主要受力部位的裂縫分析及控制措施

張喜明

摘 要:高層建筑基坑工程施工對周圍環境的影響很大,需要采取合理措施對其進行保護?，F就某高層建筑深基坑工程施工中出現的地面沉降、坑邊坍塌、基坑突涌以及圍護結構變形等施工引起的環境問題進行討論,并提出環境保護的防治對策和措施。

關鍵詞:基坑開挖;環境效應;環境保護

隨著城市建設的現代化,建筑物不斷朝著高層空間和地下空間方向發展。地下空間被廣泛應用,樁基和基坑的設計和施工成為基本建設中日益突出的問題。本文結合某高層建筑基坑圍護和沉樁工程所引起的環境效應,從工程地質條件、周邊環境條件、施工條件、圍護設計、事故原因、處理方法和處理效果等方面進行分析,以引起工程技術人員對環境效應的重視。

1 基坑開挖引起的環境效應

1.1 地下水方面

降低地下水位,引起地面沉降。地下水位較高地區,基坑開挖時,土的含水層切斷,地下水就會不斷地滲人基坑內。為了保證正常的施工,就需要降低地下水位,地下水位降低后,在抽水影響半徑范圍內土壤會產生新的固結,從而引起地面沉降。地下水滲透破壞,引起坑邊土坍塌。 在開挖基坑時,基坑內外地下水位存在一定的水壓差,在動水壓力作用下,基坑會發生流土、潛蝕現象,導致巖土結構松動和破壞,從而引起坑邊土坍塌?；油挥?導致基土開裂。軟土地區基坑經常有承壓水的存在,當開挖基坑達到一定深度時,承壓水的水頭壓力能頂裂或沖毀基坑底板,造成突涌現象,導致基土開裂。

1.2 圍護結構變形方面

基坑開挖時為了防止邊坡失穩一般進行圍護,但由于復雜的地質條件及經驗不足或不夠重視,表現在圍護結構方面主要有圍護體破壞和發生較大變形。圍護結構自身破壞,導致邊坡失穩。由于支撐物受彎破壞或錨桿體系抗拔力不足,拉桿自身斷裂或拉桿及錨座的連接不牢所致。尤其在錨桿體系中最易發生。圍護結構整體破壞,基坑隆起。由于圍護結構嵌入深度不足所致,這種類型的破壞都會引起基坑隆起,并使地基土強度降低或失效。多發生在內撐及錨錠式圍護結構中,且坑底土為軟土至中等強度的粘性土(不排水剪Cu=12-50KPa)。圍護結構發生較大變形和位移,引起鄰近建筑設施的破壞。由于擋土結構某一部分過大變形造成其它部分和鄰近建筑設施的過大變形或結構性破壞。

2 防治對策

合理選用排水、降水方案。 基坑開挖時排降地下水方法很多,如明溝排水、井點降水、大口徑井群降水、其它排降水等。這些方法各有各的技術經濟優勢,但也有一定的適用條件,就是同一種方法,也存在著布設密度、深度、排量等因素的影響。因此,必須進行方案比選,選擇合理而可靠的方法,配以一定的輔助措施,才能預防地下水帶來的不良影響。

基坑開挖的圍護結構宜結合防滲、截滲要求綜合考慮?；娱_挖時為了改善巖土的性質及滲透水流的水動力條件,就需對坑壁進行圍護,且考慮應如何做好防滲、截滲措施。圍護結構很多,主要分加固型及支擋型,它們有各自的適用條件,要根據工程地質及水文地質條件、結合工程性質、規模等進行方案比選。選擇既可擋土,又能防滲的圍護結構以節約工程造價?；娱_挖降水及圍護結構要精心設計、精心施工和嚴密監測,這是保證工程順利施工的兩個基本條件。應做好基坑周圍地表水的隔離和疏排及堆土對圍護結構造成水平超載等問題。

3 基坑工程中的環境保護措施

對于基坑周圍環境的保護,人們積累了許多的保護經驗,如選用剛度大的圍護結構、進行基坑內外的地基加固以提高土體的抗變形能力、對基坑近旁的建筑物和構筑物進行地基加固或地基處理、在基坑與建筑物間設置隔斷樁或隔斷墻以及注漿保護、通過少量注漿影響變形傳播的途徑等措施;盡管保護方法千差萬別,但其作用的機理不外乎是減少基坑開挖的影響、提高圍護環境的抗變形能力、切斷影響途徑等3種。

3.1 精心設計基坑開挖和支護方案

時空效應法是為解決深基坑整體穩定和坑周地層位移控制問題、參考新奧法隧道施工中的時空效應理論和大量軟土基坑實踐而提出的一種計算和控制基坑結構變形及周圍地層位移的方法。通過大量的軟土基坑實踐,人們已經意識到:在基坑施工過程中, 每個開挖步驟的開挖空間幾何尺寸、圍護墻無支撐暴露面積和時間等施工參數對基坑變形具有明顯的相關性。考慮時空效應的施工步驟的主要特點是:根據基坑規模、幾何尺寸、圍護墻體及支撐結構體系的布置、基坑地基加固和施工條件,按照“分層、分塊、對稱、平衡、限時”的原則確定施工方案。時空效應法強調設計與施工密切配合,一改以往設計與施工不符的現狀,實踐證明, 科學地制定考慮時空效應的開挖和支撐的施工設計方案,能可靠、合理地利用土體本身在開挖過程中控制位移的潛力,達到控制坑周地層位移以及保護環境的目的。從工程實用性和可靠性出發,在基坑支護結構(擋墻、支撐及擋墻被動區加固土體)的內力及變形計算中,采用彈性計算法所用的較簡單的力學模型和設計參數項目,但對其中反映基坑變形總體效應的最主要的綜合參數——基坑擋墻被動區的水平抗力系數,按一定的地質和施工條件,做出經驗性的修正。此綜合參數是土的力學性指標和每一步基坑挖土的空間尺寸及暴露時間的函數,其數值是根據在一定施工條件下基坑開挖中所測出的基坑變形數據,經反分析而得出的控制標準及設計外荷等依據的同時,合理地選定施工程序及施工參數,以完善設計依據并提供實施設計的保證,從而有效地解決流變性地層中深大基坑的控制變形設計不符合實際的問題。

根據基坑工程設計所選定的主要施工參數,按基坑規模、幾何尺寸、支撐形式、開挖深度和地基加固條件,提出詳細的可操作的開挖和支撐的施工程序及施工參數。開挖和支撐的施工工序基本是按“分層、分步、對稱、平衡”的原則而制定的,最主要的施工參數是分層開挖的層數。每層開挖深度以及基坑擋墻被動區土體在基坑中間部分地層先開挖的工程中保留成支撐擋墻的土堤,此土堤斷面尺寸按其能抵住擋墻的要求而定,亦為主要設計參數;嚴格按選定的施工程序和施工參數施工,就使復雜多變的施工因素變為較明確而有規律性的施工因素,其引發的時空效應也能較好地符合設計預期的要求。在長方形基坑中,基坑開挖和支撐的施工技術要點是,按一定長度分段開挖和澆筑結構,在每段開挖中再分層。每層分小段開挖和支撐,隨挖隨撐,施加預應力,每小段的開挖和支撐的施工時間限制在一定限值之內。在不規則的基坑施工中,采用分層盆式開挖法,在每一層開挖中間部分并安裝或澆注此范圍的支撐,而后將各根支撐兩端支承擋墻的土堤,分步、對稱拆除并即時安裝或澆注其間頂住擋墻的部分支撐。每個分步的開挖和支撐施工時間,根據支撐方式等具體情況,給定明確的控制值。

3.2 基坑降水

為減少井點降水對周圍建(構)筑物造成的影響和危害,通常采取下列措施:采用全封閉形的擋土墻或其它的密封措施,如地下連續墻、鎖口鋼板樁、灌注樁、旋噴樁、水泥土攪拌樁等,將井點設置在坑內,井管深度不超過擋土墻的深度,僅將坑內水位降低,而坑外的水位將維持在原來的水位;根據工程實際情況,適當地調整井點管的埋置深度;一般情況下,井點管的埋設深度應該使基坑內的降水曲面在坑底下0.5～1.0m;如在沒有密封形擋土墻的情況下,基坑降水不僅使坑內水位下降,也使坑外水位下降。如果在降水影響區范圍內有建(構)筑物、管線等需要保護時,可在確保基坑不發生流砂和地下水不從坑壁滲入的條件下,適當地提高井點管設計標高; 井點降水區域隨著降水時間的延長,向外、向下擴張,若在兩排井點的當中,基坑很快形成降水曲面,坑外降水曲面擴張較慢。因此,當井點設置較深時,隨著降水時間的延長,可以適當地控制抽水量和抽吸設備真空度。當水位觀察井的水位達到設計控制值時,調整設備使抽水量和抽吸真空度降低,達到控制坑外降水曲面的目的; 采用井點降水與回灌相結合的技術,在井點降水管井與需要保護的建筑、管線間設置回灌井點、回灌砂井或回灌砂溝,持續不斷地用清潔水沖洗,(以免土體發生孔隙堵塞,降低土地滲透性能而影響回灌效果)回灌,形成一道水幕,以減少沉降;井點應連續運轉,盡量避免間隙和反復抽水,因為每次降水都會產生沉降,增加反復抽水地次數,使總的沉降量積累到相當可觀的程度;為減少坑內井點降水,減少降水曲面向外擴張,防止鄰近建筑物基礎下地基土因水位下降、水土流失而產生的沉降,在井點降水前,在需要控制沉降的建筑物基礎周邊,布置注漿孔,控制注漿壓力。

3.3 控制基坑變形的措施

在基坑工程設計時,應考慮有關的影響因素:設計時,應根據環境要求選擇基坑位移的控制等級;基坑的最大的水平位移值,與基坑開挖深度、地質條件及支護結構類型等有關,在基坑支護結構體系的設計滿足要求時,支護結構水平位移最大值與基坑底土層的隆起抗力系數存在一定的統計關系;圍護體系的平面形狀與變形有一定的關系,從受力分析可知,圓形、弧形、拱形比直線形要好;工程實踐經驗表明,在最不利的轉角位置、墻后地面和墻面容易出現裂縫,因此,圍護樁體系的平面形狀不一定非得與底板形狀一致。

基坑施工時,應考慮相關影響因素:基坑圍護體系規律 ,其變形可以分為兩個階段,一是開挖到設計標高時的變形,二是到底板結束時的位移。而第二階段的變形與基坑暴露時間有關,暴露時間越長,風險性越大;基坑工程的受力特點是大面積卸載,坑周圍和坑底應力場從原始條件逐漸降低。基坑暴露后,及時鋪設混凝土墊層對保護坑底土體不受施工擾動、土體應力松弛具有重要作用;基坑周邊超載,增加墻后土體壓力及滑動力矩,降低圍護體系的安全度;由于大量卸荷,坑周圍應力場變化,地面或多或少會產生許多裂紋,降雨或施工用水進入土體會降低土體的強度,并增加土壓力。

結束語

高層建筑深基坑開挖引起的環境效應是一個復雜的動態系統,土的特性決定了基坑降水、開挖施工過程中坑內、外土體必定發生變形,但是其變形大小和規律受多種不確定因素影響,因此采用“時空效應法”并根據施工過程中的監測信息反饋不斷修正設計和調整施工方法是比較值得推廣的一種方法。而僅靠理論分析和經驗估計是難以保證工程安全施工的,如何對深基坑開挖引起的環境效應作出一個定量的分析,有待設計及施工人員不斷地探索。

參考文獻

[1]龔曉南.深基坑設計與施工手冊(第1版)[M]. 中國 建筑 工業 出版社.

[2]基坑支護規范[S].中國建筑工業出版社,1999.