深厚淤泥層基坑支護方案設計及變形分析

劉鳳茹

(深圳市廣匯源水利勘測設計有限公司 廣東深圳 518020)

1 引言

在我國沿海地區軟土分布廣泛,如濱海平原、河口三角洲、河岸、湖畔等處,往往存在大量的淤泥或淤泥質土。淤泥類軟土是在靜水條件或緩慢水流環境下淤積,并伴有生物化學作用的情況下形成的,往往呈軟塑 ～流塑狀,天然含水量高,一般都具有壓縮性高、強度低、滲透性差以及觸變性等特點[1]。近年來,隨著濱海地區工程項目增多,經常遇到深厚淤泥層中基坑開挖問題,由于淤泥質土層厚度大、土質差,對基坑圍護安全提出更高的要求,稍有不慎,容易引起基坑坍塌、場地周邊管線和道路損壞等不良影響。因此,深厚淤泥層中基坑支護設計方案成為巖土工程設計人員關心的熱點,目前雖然已經積累一定的成功經驗和分析方法[2～7],但由于問題的復雜性,以及各個工程項目的特殊性,還需廣大研究人員進一步加強對該課題的研究,增加交流,加深對這一問題的認識。

在此結合深圳市衙邊涌片區泵站排澇工程中泵站部分基坑開挖項目,介紹深厚淤泥層中基坑支護設計方法,并選取典型斷面利用有限元軟件分析基坑圍護結構的變形,對設計方案進行論證。

2 工程概況

衙邊涌泵站排澇工程位于深圳市寶安區沙井街道衙邊涌片區,由于片區內地勢低洼及受潮水位和茅洲河水位的頂托,經常發生洪澇災害,所以建設排澇泵站,抽排匯入低區的雨水,提高片區的防洪排澇能力。泵站設六臺機組,總設計排澇流量 38.76m3/s,屬中型泵站。場地標高約為 4.0m,而泵房結構底板標高為-6.0m,基坑開挖深度7.0～11.2m,基坑西側與茅洲河干流相鄰,需要進行基坑支護。

2.1 場地巖土工程地質條件

根據巖土工程勘察報告提供的數據,擬建場地巖土工程地質條件復雜,場地土層分布自上而下依次描述如下。

(1)雜填土層:主要成分為粉質黏土及少量生活建筑垃圾,且不均勻夾填石,未完成自重固結,結構松散,稍濕,分布范圍較廣,厚度變化大,平均厚度為 3.56m。

(2)淤泥層:呈流塑,具高壓縮性,強度低,飽和,其中含大量有機質,場地內全場分布,平均厚度為 14.49m。

(3)中細砂層:松散 ～稍密,飽和,其中不均勻含粉質黏土、粗砂及圓礫。場地內全場分布,平均厚度為 1.65m。

(4)黏性土層:可塑 ～硬塑,濕。場地內全場分布,平均厚度為 12.25m。

(5)強風化細粒花崗巖層:由細粒花崗巖風化殘積而成,原巖結構清晰,巖芯呈土狀、塊狀。場地內全場分布,平均厚度為 8.60m。

根據勘察資料,各土層的物理力學指標如表 1所示。根據基坑的實際開挖深度以及土層分布狀況,基坑開挖面基本位于雜填土層和淤泥層中。

表 1 各土層物理力學參數

2.2 場地水文地質條件

擬建場地地下水主要類型有松散土層的孔隙水和基巖裂隙水。地下水受大氣降雨影響。松散土層中的孔隙潛水分布于海沖積砂層中,透水性較好,屬強透水層,受大氣降水補給,水位隨降雨量大小而變化。基巖裂隙水主要分布在強 ～中風化巖石裂隙中,由大氣降雨和孔隙水補給,屬中等透水層,埋藏深度和流量亦受大氣降水影響。該場地地下水動態的基本特征是隨季節變化大。場地內地下水勘察期間測得地下水位埋深 0.32～4.70 m,標高變化 -0.30～3.83m。場地地下水及地表水對混凝土無腐蝕性,對混凝土中的鋼筋無腐蝕性,對鋼結構具有弱腐蝕性。場地環境類型為Ⅱ類。

2.3 周邊環境和地下管線概況

該場地基坑西側與茅洲河干流相鄰,在連接段南側有一棟二層的混凝土建筑,距基坑約 30m遠。場地周邊管線情況大致為:①泵房、進水池、前池處分布有南北向及東西向多條塑膠污水管,最大管徑 2200mm;②連接段處分布有多條混凝土雨水管,管徑 200～300mm。

3 基坑支護方案

3.1 基坑支護選型

泵站基坑存在以下特點:基坑深度較深,最深處為 11.2m;地質條件差,淤泥層特別深厚,平均厚近 15m,淤泥強度低,天然含水量高;泵站基坑形狀復雜,泵站結構不像土建結構形狀規則,泵站存在進水池、前池、泵房、出水池等建筑物,形狀不規整且結構不對稱,增加支護的難度。綜合分析以上特點,擬放坡開挖、灌注樁加錨索及灌注樁加內支撐三個方案進行比較。因工程地處濱海深厚軟土地區,淤泥強度低,能滿足穩定邊坡的坡度很小,泵站基坑開挖需要很大的施工場地,而周邊又有建筑物及管線,所以放坡開挖方案不可行。淤泥強度低,與錨索錨固體的黏結強度低,錨索拉力很有限,為保證基坑穩定及變形的控制,需要錨索密度大、錨固段長,這樣導致錨索在淤泥中施工困難、投資大,而內撐材料采用鋼筋混凝土,質量穩定程度高,且泵站基坑的對稱結構剛好發揮內撐結構抗壓的優點,可以有效控制變形,投資省。通過多方面比較,泵站基坑支護方案確定為:灌注樁 +混凝土內支撐支護形式。基坑平面示意如圖 1所示,圖 2為泵房部位支護剖面示意。

圖 1 基坑平面示意

圖 2 泵房部位支護剖面示意

3.2 基坑止水、排水系統

在基坑支護工程中,地下水及地表水的合理處理極為重要。根據該工程的水文地質條件、工程地質條件及周邊環境,提出如下處理方案。

(1)在鉆 (沖)孔樁間設置 φ600旋噴樁止水及隔擋樁間土。

(2)根據地下水情況,土方開挖時在場地內利用挖土機挖 1m×1m×1m集水井數個,在開挖的同時放入污水泵抽水。隨著開挖深度的增加,逐漸增加集水井的深度。將集水井的水抽排到坑頂排水溝,通過坑頂三級沉淀池、排水明溝將之外排到市政管網。

(3)基坑開挖時,坑頂設一磚砌排水明溝,尺寸為 300mm×300mm(凈尺寸),在基坑內合適位置設置四個集水池,匯集坑內積水并抽排至坑頂排水溝。

3.3 基坑支護施工順序

基坑施工主體部分須遵循以下施工順序:

支護樁、支撐樁、旋噴樁施工→樁質量檢測→鑿樁頭、樁頂冠梁施工→第一層土方開挖 (至標高 2.0m)→第一道腰梁、內支撐施工→養護→第二層土方開挖 (至標高 -3.5m)→第二道腰梁、內支撐施工→養護→土方開挖直至基坑底 (須分段開挖、分段換填)→澆筑結構底板、底板與支護樁之間須密實→養護→拆除第二道支撐→澆筑結構側板→養護→拆除第一道支撐。

3.4 土方開挖和基坑監測

基坑開挖過程中需控制好開挖順序,分段、分塊開挖后應及時換填,另外在現場應備有砂袋、木樁等應急物資。為保證施工安全及施工質量,遵循動態信息化施工原則,建設單位應委托有資質公司對基坑沉降和水平位移進行監測。

4 基坑變形分析

4.1 計算模型

基坑開挖過程中,基坑周圍地表、坑底土體及支護結構將產生一定的變形,合理的支護結構設計能夠有效控制這一變形的發展,使變形的量值限制在安全范圍內。為驗證上述方案的合理性,選取典型剖面,采用商業有限元軟件建立二維有限元模型,對基坑開挖過程進行模擬,分析基坑的變形性狀。

建立計算模型,模型左側邊界距開挖面為 3倍的開挖深度;下邊界距坑底 3倍的開挖深度。考慮模型的對稱性,取 1/2模型進行分析,即模型開挖寬度取半寬。模型地表為自由邊界;左側邊界與對稱邊界約束 x向位移,y向可自由移動;底邊界采用固定約束。基坑分三次開挖,第一次開挖至 3m高程,設置支撐;第二次開挖至 -2.5m高程,設置支撐;第三次開挖至坑底,高程 -6.0m。旋噴樁和鉆孔樁采用實體單元模擬,混凝土支撐以及鋼立柱采用梁單元模擬。

4.2 計算結果

通過對施工階段的模擬計算發現,各個階段支護結構側向變形、坑底土體隆起量以及基坑周圍地表沉降量值并不大,變形值均在設計允許范圍內。橫向支撐有效限制支護樁的側向變形,坑底由于鉆孔樁的施工,變形模量得到提高,在一定程度上限制坑底土體的隆起。經計算可知:開挖至坑底,支護樁最大側向變形 5mm左右,坑底最大隆起量15mm左右。通過計算分析,可見上述設計方案是合理可行的。

5 結論

當基坑場地存在深厚淤泥層時,且基坑開挖深度、寬度都較大的情況下,基坑開挖支護設計方案顯得尤為重要,合理的設計方案不僅能夠保證工程順利安全施工,還能節約工程造價。文中結合工程實例,詳細闡述存在深厚淤泥層時基坑支護設計方案,以及施工注意事項,并通過有限元對方案進行模擬分析,基坑的變形值均在設計允許范圍內,該設計方案是切實可行的,可供類似基坑工程支護方案設計參考。

1 楊順安,馮曉臘,張聰辰.軟土理論與工程 [M].北京:地質出版社,2000.

2 龔曉南.基坑工程實例 [M].北京:中國建筑工業出版社,2006.

3 王明明,李忠雨,翟樹起,等.天津濱海地區海相淤泥質軟土基坑開挖及坑底加固技術 [J].施工技術,2008,37(9):14-15.

4 吳忠,林建春.攪拌樁在深厚淤泥層基坑支護中的應用[J].西部探礦工程,2006,(9):24-26.

5 于建華.淤泥質軟土中基坑圍護施工技術 [J].浙江建筑,2008,25(4):33-35.

6 賀敏旭.深厚淤泥中淺基坑支護結構選型綜述 [J].四川建材,2007,(2):114-115.

7 李進軍,王衛東,邸國恩,等.基坑工程對鄰近建筑物附加變形影響的分析 [J].巖土力學,2007,28(S):623-629.