高壓旋噴基底嵌固在圓形深基坑支護(hù)中的應(yīng)用

徐 營 營

(上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司，上海 200433)

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高壓旋噴基底嵌固在圓形深基坑支護(hù)中的應(yīng)用

徐 營 營

(上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司，上海 200433)

以某工程為例，介紹了其支護(hù)選型及地質(zhì)條件，利用空間有限元模型，模擬、計算施工過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，并對計算結(jié)果進(jìn)行匯總分析，以供同類過程設(shè)計施工時參考。

高壓旋噴樁，深基坑，支護(hù)結(jié)構(gòu)，根入比

0 引言

基坑工程中，經(jīng)常遇到基巖埋藏淺的情況，深基坑工程開挖面下即是基巖，破除巖層支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌巖會造成工程造價及工期增加。如支護(hù)結(jié)構(gòu)不進(jìn)入巖層，支護(hù)結(jié)構(gòu)根入比較小，基坑的穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)受力安全難以保證。

支護(hù)結(jié)構(gòu)施工完畢后，基坑開挖面以下采用高壓旋噴樁加固基巖面以上的土體，水泥摻量達(dá)到20%～25%時，加固后水泥土抗壓強(qiáng)度可達(dá)到C20混凝土抗壓強(qiáng)度等級，相當(dāng)于在基坑開挖面以下和基巖面以上有限的深度范圍內(nèi)形成“人造巖層”，嵌固支護(hù)結(jié)構(gòu)底部，計算時可以按照混凝土剛度在開挖面下施加土彈簧。

本工程根據(jù)地層分布情況，結(jié)合坑底加固方案，在基坑底部與基巖間采用高壓旋噴樁加固，經(jīng)過認(rèn)真計算分析后，形成設(shè)計方案并付諸實施，實踐表明：該方案在實施過程中，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)性狀安全，變形及內(nèi)力均與計算分析吻合較好。

1 工程概況

本工程基坑位于密閉廠區(qū)內(nèi)，開挖深度25 m，支護(hù)結(jié)構(gòu)外徑19.2 m。根據(jù)設(shè)備安裝流程，須在廠房完全封閉后方可開挖基坑。基坑周邊是廠房柱基及機(jī)架設(shè)備基礎(chǔ)，距離最近處機(jī)架基礎(chǔ)僅200 mm。

待廠房封閉后開挖基坑時，須嚴(yán)格控制基坑的變形。廠房采用鋼結(jié)構(gòu)排架，基礎(chǔ)形式為樁基承臺，鋼結(jié)構(gòu)排架不屬于變形敏感結(jié)構(gòu)形式，基礎(chǔ)水平位移限值偏于保守可按照10 mm考慮(小于0.18%H)[1]。基坑與周邊環(huán)境平面圖見圖1。

2 支護(hù)選型與地質(zhì)條件

開挖深度達(dá)25 m以上的市政及工業(yè)基坑，優(yōu)先選擇圓形支護(hù)體系，如果基坑面積不大，可結(jié)合市政或工業(yè)工藝采用地下連續(xù)墻與內(nèi)襯疊合逆作法施工，摒棄了水平支撐體系，節(jié)約造價及工期。事實證明，這種支護(hù)方案在市政及工業(yè)深基坑中的使用非常合理：變形可控、內(nèi)力可控。

本工程基坑，開挖深度25.0 m，基坑面積較小，設(shè)備內(nèi)凈空僅需要18.0 m，采用兩墻合一支護(hù)結(jié)構(gòu)，地下連續(xù)墻厚度800 mm，內(nèi)襯厚度600 mm，頂部設(shè)置2 600 mm寬×1 500 mm高冠梁，每次開挖深度5 m，內(nèi)襯逆筑，內(nèi)襯與底板結(jié)合后形成設(shè)備深基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

基坑底部3.7 m即中風(fēng)化安山巖，巖層硬度較大，支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌巖成本高、工期長，結(jié)合坑底加固方案，在坑底與基巖頂面之間3.7 m厚度高壓旋噴樁滿堂加固，水泥摻量20%～25%。

土層厚度比較均勻，除粉砂、粉質(zhì)粘土、安山巖外，存在較軟弱的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，厚度約15.7 m。支護(hù)結(jié)構(gòu)立面圖及土層分布見圖2。

3 計算分析

根入比為3.7 m/25 m=0.148，小于同類基坑根入比。借助空間有限元計算，模擬施工過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，并判斷內(nèi)力是否可控。整體模型見圖3，墻幅、底板及土彈簧見圖4。

荷載條件：

1)水土荷載。水土荷載分算。

2)施工荷載。考慮施工期間5 t/m2超載，不對稱施加超載，充分體現(xiàn)圓形支護(hù)體系對不均勻受荷的敏感性。

3)工況描述。開挖深度25 m，分五次開挖。每次挖深5 m，開挖結(jié)束后逆筑內(nèi)襯，待養(yǎng)護(hù)到設(shè)計強(qiáng)度后，繼續(xù)下一次開挖。開挖云圖見圖5～圖7。

增量法：每次開挖，挖去被動區(qū)土體彈簧；開挖結(jié)束后激活內(nèi)襯；進(jìn)行下一步開挖……

模型：地下墻、內(nèi)襯、冠梁采用Shell43殼單元模擬，地墻與內(nèi)襯間連接采用Combin14彈簧單元連接。

地下連續(xù)墻幅段間設(shè)鉸接；

被動區(qū)土體(旋噴樁加固土體)、墻底巖層采用Combin14彈簧單元模擬；

底板采用Solid45實體單元模擬：

第一步：施加第一步水土荷載，并挖去被動區(qū)土彈簧(5 m)；

第二步：激活第一段內(nèi)襯、冠梁；

第三步：施加第二次開挖的水土荷載增量，并挖去被動區(qū)相應(yīng)的土體彈簧(5 m)；

第四步：激活第二段內(nèi)襯；

……

第n步：激活第五段內(nèi)襯、底板及底板彈簧。

4 計算結(jié)果匯總及分析

計算結(jié)果匯總表見表1。不同開挖深度豎向彎矩曲線對比見圖8。

表1 計算結(jié)果匯總表

數(shù)據(jù)分析：

豎向彎矩及水平彎矩是地下連續(xù)墻配筋設(shè)計的重要指標(biāo)，計算內(nèi)力按照地墻強(qiáng)度及裂縫控制計算配筋均在合理范圍內(nèi)，施工時不存在墻幅鋼筋綁扎過密的問題。分析內(nèi)力數(shù)值及發(fā)展趨勢，存在以下規(guī)律：

1)地墻根入比僅0.148，但旋噴樁合理處理坑底至基巖間土體后，地墻內(nèi)力雖有突變，但在圓形深基坑支護(hù)體系中內(nèi)力大小可控。

2)豎向正彎矩最大值集中在-25.0 m～-26.1 m，豎向負(fù)彎矩集中在-22.5 m～-23.0 m；環(huán)向正彎矩最大值集中在-22.0 m，環(huán)向負(fù)彎矩最大值集中在-25.0 m～-26.0 m；環(huán)向軸力均為軸壓力，最大值集中在-19.0 m～-21.0 m，最小值集中在-27.0 m。

3)豎向彎矩各工況增幅均勻，正彎矩增幅30 kN·m～45 kN·m，負(fù)彎矩增幅45 kN·m～75 kN·m，開挖至底(靠近基底加固土體)時，增幅均為較小值。

4)豎向負(fù)彎矩最大值均集中在-25.0 m～-26.1 m，豎向正彎矩最大值均集中在-22.5 m～-23.0 m，與常規(guī)基坑豎向彎矩最大值均在開挖面略下方這一性狀出入較大，主要是由于根入比小，被動區(qū)土彈簧集中在坑底以下僅3.7 m深度范圍內(nèi)，剛度突變造成內(nèi)力集中，如支護(hù)形式?jīng)]有拱效應(yīng)，該方案不適用。

5)豎向負(fù)彎矩最大值均集中在-25.0 m～-26.1 m，說明進(jìn)入3.7 m厚旋噴加固土體后，墻體反彎向內(nèi)，旋噴加固后的土體完成了嵌固墻體的作用。

6)環(huán)向(水平方向)正彎矩最大值主要集中在22 m深度，前幾步開挖工況增幅均為9 kN·m～10 kN·m，增幅小且均勻，最后一個開挖工況發(fā)生突變，增幅達(dá)到333 kN·m；與環(huán)向軸力變化趨勢相反。

7)環(huán)向軸力最大值主要集中在深度19 m～21 m，前幾步開挖工況增幅為720 kN～840 kN，增幅均勻；開挖至底時增幅為120 kN，相對環(huán)向軸力最大值幾乎沒有變化，筆者認(rèn)為是支護(hù)體系拱效應(yīng)發(fā)揮至極限，從而導(dǎo)致環(huán)向彎矩最后一個開挖工況增幅很大。

8)環(huán)向負(fù)彎矩，前幾步開挖工況增幅為13 kN·m～15 kN·m，較均勻，最大一步開挖工況增幅突變至80 kN·m，環(huán)向負(fù)彎矩最大值較小，雖發(fā)生突變，尚有發(fā)揮空間。

9)坑底高壓旋噴加固土體范圍內(nèi)，環(huán)向軸壓力數(shù)值均較小，最大值僅為415 kN，說明加固土體作為剛度很大的土彈簧，有效限制了支護(hù)體系底部側(cè)向變形，起到側(cè)向約束作用。

對周邊環(huán)境的影響：

基坑開挖過程中，實測側(cè)向位移較小，側(cè)向位移最大值發(fā)生在柔性接頭處，深度約-3.0 m，累計最大側(cè)位移不足5 mm。

基坑四周沉降主要發(fā)生在地下水降水期間，累計最大沉降不足6 mm。

周邊柱基及設(shè)備基礎(chǔ)位移及沉降均較小，

實測累計位移均不足5 mm。

5 結(jié)語

1)環(huán)向支護(hù)結(jié)構(gòu)由于其自身的整體剛度大、穩(wěn)定性較好，支護(hù)墻體與內(nèi)襯疊合墻可以起到支撐的作用而且施工工藝簡單，造價相對低等優(yōu)勢，在市政、工業(yè)和水利等深基礎(chǔ)或地下結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著重要的作用。2)根入比較小時，本工程同類型的基坑可采用坑底與基巖間旋噴樁加固的方案，基坑受力性狀合理，變形可控，同時節(jié)約造價及工期。3)墻幅間采用柔性連接，拱效應(yīng)的發(fā)揮受到限制，而墻體的軸向抗壓能力尚有很大余量；如墻幅間采用剛性連接接頭，拱效應(yīng)可進(jìn)一步發(fā)揮，對支護(hù)結(jié)構(gòu)整體受力是有利的，可嘗試在更大規(guī)模的圓形基坑中試用，并加強(qiáng)理論計算及監(jiān)測，獲得更詳實的資料，為此類基坑支護(hù)的發(fā)展儲備基礎(chǔ)資料。

[1] DGT J08—61—2010,基坑工程技術(shù)規(guī)范[S].

Application of high-pressure jet grouting foundation embedding reinforcement in circular deep foundation support

Xu Yingying

(Shanghai Foundation Engineering Group Co., Ltd, Shanghai 200433, China)

Taking the engineering as an example, the thesis introduces its support shape and geological conditions, uses spatial finite element model, simulates and calculates the internal force of support structure in construction process, and summarizes and analyzes the computation results, with a view to provide some guidance for similar engineering design and construction.

high-pressure jet grouting pile, deep foundation, support structure, root-depth ratio

1009-6825(2017)12-0068-03

2017-02-06

徐營營(1980- )，男，工程師

TU463

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