軟土地區(qū)深基坑設(shè)計(jì)探討

李 波 解美英

1 概述

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,修建地下室的需求越來(lái)越大,因此基坑的設(shè)計(jì)就更多。基坑工程具有很強(qiáng)的區(qū)域性、個(gè)別性,是系統(tǒng)工程,且其綜合性極強(qiáng);基坑的大小和形狀對(duì)基坑穩(wěn)定和變形影響較大,具有較強(qiáng)的空間效應(yīng)。基坑設(shè)計(jì)正如太沙基所說(shuō)的:“巖土工程與其說(shuō)是一門科學(xué),不如說(shuō)是一門藝術(shù)(Geotechnology is an art rather then a science)”巖土工程很大程度上取決于工程師的判斷,具有很強(qiáng)的藝術(shù)性。在軟土地區(qū),尤其是珠三角這種水網(wǎng)密布的地區(qū)其土體含水量高,強(qiáng)度低,易發(fā)生壓縮性變形導(dǎo)致基坑失穩(wěn),地面沉降。這樣基坑,特別是深基坑其安全可靠性要求更高;設(shè)計(jì)施工難度也更高。本文將介紹一個(gè)場(chǎng)地距離珠江邊僅100多米,開挖深度達(dá)11.5 m的基坑設(shè)計(jì),與讀者共同探討軟土地區(qū)深基坑的設(shè)計(jì)。

2 工程概況

1)本工程位于廣州市荔灣區(qū),場(chǎng)地位置原來(lái)是1949年前建造的2層～4層民房,現(xiàn)已拆除。本工程距離珠江邊僅100多米。2)本工程地下3層(局部2層),場(chǎng)地地面標(biāo)高-0.500 m～-1.500 m,基坑底標(biāo)高為-11.900 m,這樣基坑開挖深度為11.500 m。3)本工程主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn):a.本工程地下室部分為3層,局部為2層,所以地下室側(cè)壁承受的水平力不能通過(guò)樓板的支撐作用取得平衡,造成基坑支護(hù)的水平支撐不能全部避開主體結(jié)構(gòu)的梁板;地下室逆作法設(shè)計(jì)和施工不能實(shí)施。b.本工程塔樓采用鋼骨混凝土柱,考慮鋼骨混凝土柱施工的合理性,鋼骨盡量多層同時(shí)吊樁。支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平支撐和豎向支撐應(yīng)盡量避開鋼骨柱。c.本工程采用人工挖孔灌注樁,考慮合理的施工順序,基坑開挖完畢后才施工樁,所以基坑暴露時(shí)間較長(zhǎng)。

3 環(huán)境條件

1)基坑周圍環(huán)境的情況。基坑?xùn)|側(cè)及北側(cè)為1949年以前修建的2層～4層民居,據(jù)現(xiàn)場(chǎng)了解此處房屋基礎(chǔ)形式為無(wú)筋擴(kuò)展基礎(chǔ),埋深大概為-1.500 m;南側(cè)為9層～10層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)辦公樓,鉆孔灌注樁基礎(chǔ),樁端持力層入中風(fēng)化巖1 m,樁端埋深約為14 m～18 m,距離基坑最近為5 m;西南側(cè)為5層及 8層辦公樓,錘擊灌注樁基礎(chǔ),樁端持力層為礫砂或強(qiáng)風(fēng)化巖,樁端埋深約為11 m～14 m,距離基坑最近為5.3 m;西側(cè)為城市道路,路寬約15 m。2)根據(jù)建設(shè)單位提供的《廣州市綜合地下管線圖》,該場(chǎng)地3倍基坑深度范圍內(nèi)(約36 m)無(wú)燃?xì)夤芫€、無(wú)強(qiáng)電及弱電管線、無(wú)供水系統(tǒng)管線。

4 荷載取值

1)作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)的土壓力和水壓力,對(duì)于人工填土、第四季海沖積層采用水土分算原則;對(duì)于基巖(K)采用水土合算原則。

2)對(duì)于地面附加荷載:a.對(duì)于地面空曠處:出土邊取地面附加荷載30 kN/m2(標(biāo)準(zhǔn)值);非出土邊取地面附加荷載20 kN/m2(標(biāo)準(zhǔn)值)。b.對(duì)于建筑物的附加荷載按每層15 kN/m2(標(biāo)準(zhǔn)值)取值,對(duì)于南側(cè)8層辦公樓(錘擊灌注樁基礎(chǔ))則計(jì)算附加荷載按下述原則計(jì)算:樁臺(tái)底處占20%,樁端占80%。

5 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

5.1 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)原則

1)圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以地質(zhì)勘察資料為依據(jù)。2)基坑開挖完成后,暴露時(shí)間不應(yīng)超過(guò)一年。3)由于地下連續(xù)墻入中風(fēng)化不小于1.5 m,抗傾覆穩(wěn)定性滿足GJB02-98廣州地區(qū)建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程要求。4)基坑開挖施工時(shí),應(yīng)將基坑邊緣變形位移控制在環(huán)境允許的范圍內(nèi)。根據(jù)GJB 02-98廣州地區(qū)建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程,基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最大水平位移容許值為28 mm。5)結(jié)構(gòu)計(jì)算模式的確定,應(yīng)符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作條件,并反映結(jié)構(gòu)與周圍地層的相互作用。

5.2 基坑支護(hù)方案選擇

1)由于場(chǎng)地周邊環(huán)境比較復(fù)雜,周邊有眾多的低層民居以及同時(shí)考慮工程地質(zhì)條件惡劣,勘察報(bào)告反映,擬建場(chǎng)地淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂深厚,基坑開挖面基本上在淤泥質(zhì)土和淤泥質(zhì)粉細(xì)砂中,基坑開挖深度約11.500 m。設(shè)計(jì)主要需解決的問題是穩(wěn)定和控制變形,產(chǎn)生穩(wěn)定和變形問題原因是水土壓力。因此,支護(hù)結(jié)構(gòu)需要有擋水和擋土功能;為確保周邊環(huán)境的安全,基坑需要采取剛度大,變形協(xié)調(diào)能力強(qiáng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)才能保證基坑開挖和周邊建筑的安全。2)基坑采用逆作法施工是利用逐層澆筑的地下室結(jié)構(gòu)作為支護(hù)結(jié)構(gòu)地下室連續(xù)墻的內(nèi)部支撐,由于地下室結(jié)構(gòu)與臨時(shí)支撐相比剛度大得多,所以連續(xù)墻在側(cè)壓力的變形就小得多。但是本工程地下室存在錯(cuò)層地下室結(jié)構(gòu)不能有效作為內(nèi)部支撐,所以不能采用逆作法施工。3)基坑采用正作法施工:采用地下連續(xù)墻+鋼筋混凝土內(nèi)支撐,地下室外墻與基坑支護(hù)墻采用兩墻合一的形式,一方面省去了單獨(dú)設(shè)置的支護(hù)墻,另一方面可在工程用地范圍內(nèi)最大限度擴(kuò)大地下室面積,增加有效使用面積;即相同的使用面積,減少開挖土方量,同時(shí),周圍環(huán)境的建筑管線離基坑邊更遠(yuǎn)些。4)由于基坑地下連續(xù)墻離工程樁(人工挖孔樁)較近,所以地下連續(xù)墻的設(shè)計(jì)除滿足上述5.1的設(shè)計(jì)原則外,還應(yīng)滿足和工程樁相鄰的槽段,其底標(biāo)高和工程樁底標(biāo)高不應(yīng)相差太大。5)基坑連續(xù)墻墻頂局部擋土結(jié)構(gòu)采用雙排水泥土攪拌樁,另外對(duì)基坑周邊采用土體加固。經(jīng)計(jì)算比較連續(xù)墻墻厚選取為800 mm比較合適。

5.3 基坑的鋼筋混凝土內(nèi)支撐設(shè)計(jì)

1)經(jīng)分析計(jì)算比較本基坑設(shè)置三層內(nèi)支撐,本工程地下三層(局部?jī)蓪?,經(jīng)分析研究,內(nèi)支撐錯(cuò)開地下室全部樓層是不可能的。所以,一層,二層內(nèi)支撐的部分區(qū)域構(gòu)件作為永久構(gòu)件使用。2)本工程主樓采用“鋼骨柱”(鋼管柱應(yīng)盡量一次吊樁至首層),內(nèi)支撐的位置應(yīng)盡量避開鋼骨柱的位置。3)根據(jù)實(shí)際情況布置的內(nèi)支撐立柱(鉆孔灌注樁)間距較大,本設(shè)計(jì)設(shè)置吊柱加大首層內(nèi)支撐構(gòu)件截面減少立柱間距,同時(shí),增強(qiáng)了內(nèi)支撐的空間整體性。4)溫度對(duì)內(nèi)支撐構(gòu)件軸力的影響,由于本工程地下室施工時(shí)間長(zhǎng)(同時(shí)經(jīng)歷夏冬季節(jié)),溫度(包括混凝土收縮)對(duì)內(nèi)支撐的影響是很大的,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),本設(shè)計(jì)對(duì)鋼筋混凝土內(nèi)支撐設(shè)計(jì)值考慮1.0 N,1.0 m,1.0 V及1.5 N,1.0 m,1.0 V組合。5)基坑水平支撐平面布置見圖1。

6 計(jì)算方法

本支護(hù)工程的分析和計(jì)算軟件為北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院編制的《理正深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件》,主要用于連續(xù)墻各剖面的計(jì)算;中國(guó)建筑科學(xué)研究院編制的SATWE,主要用于支護(hù)結(jié)構(gòu)在豎向力作用下內(nèi)力計(jì)算;韓國(guó)浦項(xiàng)集團(tuán)編制的Midas/GEN建筑結(jié)構(gòu)通用分析系統(tǒng),主要用于支護(hù)結(jié)構(gòu)在水平力作用下內(nèi)力配筋計(jì)算。同時(shí)采用理正連續(xù)梁程序?qū)ρ骸⒐诹哼M(jìn)行配筋驗(yàn)算。

7 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過(guò)多次不同模型的計(jì)算比較優(yōu)化,本工程最后采用本支護(hù)方案。各桿件彎矩圖見圖2。其中第一層支撐最大彎矩為冠梁處,其值為1 304 kN·m;第二層支撐彎矩最大為腰梁處,其值為2 036 kN·m。水平支撐構(gòu)件在水平力作用下基本軸心受壓構(gòu)件相應(yīng)變形為軸向變形。連續(xù)墻最大位移為21 mm,符合相關(guān)規(guī)范規(guī)定,且有合理的富余。

8 結(jié)語(yǔ)

基坑工程尤其是軟土地區(qū)的深基坑影響基坑穩(wěn)定和變形的因素很多,很復(fù)雜;具有很強(qiáng)的工程個(gè)性。從場(chǎng)地分析、土壓力的選用,圍護(hù)形式的合理選用,到圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形控制的每一環(huán)節(jié),都需要設(shè)計(jì)人員的仔細(xì)分析比較判斷才能做到設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)合理安全,作為設(shè)計(jì)人員也只有做好這些分析比較,不斷從摸索中積累經(jīng)驗(yàn),從實(shí)踐中不斷學(xué)習(xí),才能不斷提高認(rèn)識(shí),提高設(shè)計(jì)水平。

[1]周書東,王小霞,張志民.軟土地區(qū)基坑工程設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)分析[J].山西建筑,2008,34(2):131-132.