洱海流域流砂地層下深基坑支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

方 濤 張牡峰 李 馥 劉耀鵬

(中建五局第三建設(shè)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，使得區(qū)域用地日趨緊張，迫使現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)逐漸向地下化發(fā)展[1,2]，明挖深基坑施工也逐漸推廣，但在復(fù)雜地質(zhì)情況下的施工難免會(huì)給施工區(qū)域周圍的生產(chǎn)、生活和環(huán)境等方面帶來(lái)影響[3,4]，因此關(guān)于深基坑支護(hù)方案的設(shè)計(jì)顯得尤為關(guān)鍵，特別是在洱海類似區(qū)域下的深化設(shè)計(jì)；以云南大理某污水處理廠工程為例，對(duì)其深基坑支護(hù)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算，研究滿足在洱海流域流砂地層條件下深基坑支護(hù)施工的方案設(shè)計(jì)，并將相應(yīng)的基坑變形、地下水位都控制在規(guī)范[5]允許的范圍內(nèi)，為類似工程的設(shè)計(jì)與施工提供了一定的借鑒。

1 工程概況

1.1 建設(shè)情況

某污水處理廠工程位于大理市上關(guān)鎮(zhèn)，擬建污水處理廠為2層地埋式箱體，呈矩形，高12 m，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其中-1層設(shè)下沉廣場(chǎng)。基坑開(kāi)挖深度12.5 m～14.15 m，而因場(chǎng)地地質(zhì)條件、地形地貌及周邊環(huán)境的限制，本工程箱體基坑開(kāi)挖需要進(jìn)行支護(hù)。本基坑支護(hù)設(shè)計(jì)主要采用上部放坡+灌注樁(懸臂，φ1 200@1 400)+樁錨組合支護(hù)型式，止水帷幕主要為2道三軸水泥土攪拌樁(上部一排φ850@1 800，下部一排φ850@1 400)+坑內(nèi)雙管高壓旋噴樁加固(3排～4排梅花形布設(shè)，φ600@1 000)。基坑支護(hù)平面大樣示意見(jiàn)圖1。

1.2 地質(zhì)條件

1)水文地質(zhì)條件。

施工區(qū)域位于小鎮(zhèn)南部，東、西兩側(cè)均有河流走向，地下水為孔隙型潛水，主要含水層為粉砂及粉土層，而受洱海及兩側(cè)河流影響較小，主要受大氣降水和地層滲透性影響，根據(jù)鉆孔中測(cè)量，場(chǎng)地鉆孔穩(wěn)定水位多在0 m～0.5 m左右。

2)工程地質(zhì)條件。

根據(jù)巖土工程詳細(xì)勘察報(bào)告分析，場(chǎng)地內(nèi)表層為耕土，其下為第四系沖、湖積相成因的粉質(zhì)黏土，深部為第四系湖積相成因的黏土、粉土、粉砂、泥炭質(zhì)黏土和有機(jī)質(zhì)土等地層。具體巖土土層及其物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 各巖土土層及其物理力學(xué)指標(biāo)

2 基坑支護(hù)驗(yàn)算(以1—1剖面為例)[6]

地面超載q0=20 kPa，平臺(tái)施工超載q2=10 kPa，土方出入口及車道超載取值q3=35 kPa，鋼筋加工及材料堆場(chǎng)按35 kPa計(jì)，基坑坡頂5 m范圍內(nèi)不設(shè)堆載。本次支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)取基坑外側(cè)地下水位埋深0.5 m，基坑內(nèi)側(cè)取基坑地面下0.50 m。采用理正深基坑7.0 PB1版軟件計(jì)算程序進(jìn)行驗(yàn)算，具體計(jì)算支護(hù)模型如圖2所示。各工況如圖3～圖7所示，內(nèi)力位移包絡(luò)圖如圖8所示。

2.1 整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

采用瑞典條分法進(jìn)行計(jì)算，條分法中的土條寬度為1.00 m；應(yīng)力狀態(tài)按有效應(yīng)力法考慮。其中，滑坡面數(shù)據(jù)：整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=1.765，圓弧半徑R=24.483 m，圓心坐標(biāo)(X，Y)為(-0.140，5.109)。抗傾覆安全系數(shù)按下式計(jì)算：

其中，Mp為被動(dòng)土壓力及支點(diǎn)力對(duì)樁底的抗傾覆彎矩，對(duì)于內(nèi)支撐點(diǎn)力由內(nèi)支撐抗壓力決定；對(duì)于錨桿或錨索，支點(diǎn)力為錨桿或錨索的錨固力和抗拉力的較小值；Ma為主動(dòng)土壓力對(duì)樁底的抗傾覆彎矩。

工況1：開(kāi)挖至5.15 m，Ks=2.829≥1.200，滿足規(guī)范要求；工況2：4.65 m加撐1材料抗力1 302 kN/m，錨固力890.877 kN/m，Ks=3.470≥1.200，滿足規(guī)范要求；工況3：開(kāi)挖8.15 m，Ks=2.469≥1.200，滿足規(guī)范要求；工況4：7.65 m加撐2材料抗力1 116 kN/m，錨固力689.641 kN/m，Ks=2.869≥1.200，滿足規(guī)范要求；工況5：開(kāi)挖12.50 m，Ks=1.836≥1.200，滿足規(guī)范要求。

2.2 抗隆起驗(yàn)算

1)從支護(hù)底部開(kāi)始，按下式逐層驗(yàn)算抗隆起穩(wěn)定性：

Nq,Nc采用普朗德?tīng)柟剑?/p>

式中：Ks——抗隆起穩(wěn)定性計(jì)算安全系數(shù)；

Khe——抗隆起穩(wěn)定性安全系數(shù)，本工程取1.6；

γm2——坑外地表至截水帷幕底，各土層天然重度的加權(quán)平均值，kN/m3；

ld——截水帷幕在基坑底面以下的長(zhǎng)度，m；

c——土的粘聚力，kPa；

γm1——坑內(nèi)開(kāi)挖面至截水帷幕底，各土層天然重度的加權(quán)平均值，kN/m3；

h——基坑開(kāi)挖深度，m；

q0——地面超荷，kPa；

Nq,Nc——地基極限承載力的計(jì)算系數(shù)；

φ——土的內(nèi)摩擦角。

支護(hù)底部，Ks=6.978≥1.600，滿足規(guī)范要求；深度29.170 m處，Ks=1.749≥1.600，滿足規(guī)范要求；深度33.170 m處，Ks=7.107≥1.600，滿足規(guī)范要求；深度36.670 m處，Ks=1.876≥1.600，滿足規(guī)范要求；深度39.470 m處，Ks=7.711≥1.600，滿足規(guī)范要求。

2)坑底抗隆起按以最下層支點(diǎn)為轉(zhuǎn)動(dòng)軸心的圓弧條分法利用下式進(jìn)行計(jì)算：

計(jì)算各土層，得：Ks=1.905≥1.600，坑底抗隆起穩(wěn)定性滿足要求。

2.3 流土穩(wěn)定性驗(yàn)算

其中，K為流土穩(wěn)定性計(jì)算安全系數(shù)；Kf為流土穩(wěn)定性安全系數(shù)，本工程取1.5；ld為截水帷幕在基坑底面以下的長(zhǎng)度，m；D1為潛水水面或承壓水含水層頂面至基坑底面的垂直距離，m；γ′為土的浮重度，kN/m3；Δh為基坑內(nèi)外水頭差，m；γw為地下水重度，kN/m3；即K=(2×14.50+0.8×12.00)×10.53/14.15×10.00=2.872≥Kf=1.5。

2.4 抗承壓水(突涌)驗(yàn)算

其中,Ky為抗承壓水(突涌)穩(wěn)定性安全系數(shù)，規(guī)范要求取大于1.10；Pcz為基坑開(kāi)挖面以下至承壓水層頂板間覆蓋土的自重，kN/m2；Pwy為承壓水層的水頭壓力，kN/m2。即Ky=38.20/30.00=1.27≥1.10。

2.5 嵌固深度計(jì)算[7]

1)滿足構(gòu)造要求：依據(jù)JGJ 120—2012建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程，對(duì)于多支點(diǎn)支護(hù)結(jié)構(gòu)，嵌固深度ld不宜小于0.2h，即ld=2.5 m；

2)滿足整體滑動(dòng)穩(wěn)定性要求：按JGJ 120—2012建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程圓弧滑動(dòng)簡(jiǎn)單條分法計(jì)算，圓心(-35.713,59.545)，半徑70.059 m，對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)Ks=1.813≥1.300，滿足規(guī)范要求，即ld=0 m；

3)滿足抗隆起要求：即ld=0.9 m；

4)滿足以最下層支點(diǎn)為軸心的圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性要求：即ld=13.9 m。

綜上所述，滿足以上要求的嵌固深度ld計(jì)算值為13.9 m，故ld采用值為14.5 m。

3 結(jié)語(yǔ)

深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)綜合性強(qiáng)，需要進(jìn)行整體穩(wěn)定、抗隆起穩(wěn)定、流土穩(wěn)定、抗承壓水等方面的驗(yàn)算，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)，更能全方位保證基坑施工的安全，特別是控制懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移；

本工程采用上述基坑支護(hù)方案，將整個(gè)基坑變形、地下水位都控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益，為類似工程的設(shè)計(jì)與施工提供了一定的借鑒。