黃土地區(qū)基坑支護(hù)方案優(yōu)化與分析

王 健

(甘肅省第五建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，甘肅蘭州 741000)

濕陷性黃土在我國(guó)西北地區(qū)分布非常廣泛，很大程度上影響了高層建筑地基基礎(chǔ)、地下鐵路通道等，同時(shí)這些工程對(duì)基坑支護(hù)和處理要求極高，再加上濕陷性黃土屬性松散，粘聚力較差，尤其遇水后承載迅速降低，從而造成了施工難度增大。過(guò)去人們使用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)法，采用木樁或斜坡式開(kāi)挖進(jìn)行支護(hù)，這類(lèi)支護(hù)方式簡(jiǎn)單快捷，但耐久性和安全性較低，不適用于深基坑[1-3]，尤其是濕陷性黃土地區(qū)，所以應(yīng)用傳統(tǒng)的技術(shù)手段維護(hù)基坑，不僅增加投資成本，而且施工工藝復(fù)雜。目前雖有一些基坑支護(hù)的理論方法和研究成果，但對(duì)于黃土地區(qū)關(guān)于基坑支護(hù)的實(shí)質(zhì)性研究成果少之甚少[4-5]。例如田堪良等[6]研究了影響黃土內(nèi)部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的因素，發(fā)現(xiàn)含水量和內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)是影響其強(qiáng)度的主要因素。米海珍等[7]研究了黃土中不同含水量對(duì)其性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著含水率的增加，土的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角和粘聚力均降低。李瑛等[8]在深基坑中對(duì)比了鋼管支撐和鋼筋混凝土支撐，發(fā)現(xiàn)鋼管支撐屬于柔性支撐，安全性較低，而鋼筋混凝土支撐安全性較高，但存在工序復(fù)雜，而且占用場(chǎng)地面積，對(duì)后續(xù)工程作業(yè)影響較大，同時(shí)她還指出型鋼組合結(jié)構(gòu)對(duì)粉砂土基坑支護(hù)具有一定的便捷性和可行性。

本文根據(jù)基坑常用的支護(hù)形式，以黃土土質(zhì)為研究基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)比分析不同支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)和工作原理，得出不同黃土屬性對(duì)應(yīng)的最優(yōu)基坑支護(hù)方案，為后續(xù)研究者繼續(xù)探討此類(lèi)問(wèn)題提供理論依據(jù)。

1 黃土的屬性對(duì)基坑工程的影響

黃土主要位于祁連山東段以東、秦嶺以北、太行山以西、內(nèi)蒙古高原即古長(zhǎng)城以南，其中濕陷性黃土約占總黃土面積的60 %。而且黃土一般呈現(xiàn)孔隙率較大，粉末狀，較高的吸水性。但是天然黃土一般具有強(qiáng)度高，團(tuán)聚性好，遇水后強(qiáng)度低，團(tuán)聚性差。與普通的黏性土相比，兩者的力學(xué)性能相當(dāng)，當(dāng)含水量小于或等于塑限含水量時(shí)，黃土顆粒的內(nèi)摩擦角和團(tuán)聚性會(huì)有所改變；當(dāng)含水量超過(guò)塑限值時(shí)，其內(nèi)摩擦角和團(tuán)聚性會(huì)顯著降低。一般天然狀態(tài)的黃土在含水率較低的情況下都具有較高的自穩(wěn)定性，所以在基坑開(kāi)挖深度達(dá)幾十米時(shí)，受地形限制且不易采用放坡開(kāi)挖的方式，可利用黃土的自穩(wěn)性進(jìn)行垂直支護(hù)。

在多數(shù)情況下，濕陷性黃土分為自重濕陷性黃土和非自重濕陷性黃土，當(dāng)濕陷性黃土含水率較大時(shí)，其力學(xué)性能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)都會(huì)發(fā)生改變，表現(xiàn)為流動(dòng)性增大，這種黃土基坑即使支護(hù)工作已經(jīng)完成，但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，變形也會(huì)增加，從而給建筑物和構(gòu)筑物帶來(lái)嚴(yán)重的隱患。

常見(jiàn)的危害為地基不均勻沉降，導(dǎo)致建筑物有倒塌的可能；當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的荷載為水平荷載或者傾斜荷載時(shí)，濕陷性黃土?xí)a(chǎn)生一定的變形，從而增加了支護(hù)結(jié)構(gòu)一個(gè)反向的摩擦阻力。因此，熟知和合理應(yīng)用濕陷性黃土的屬性，在一定程度上會(huì)提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作性能。

2 黃土地區(qū)基坑支護(hù)的主要形式

基坑支護(hù)形式各式各樣，依據(jù)不同的地理環(huán)境、地下水位深淺和土質(zhì)情況，采用的支護(hù)結(jié)構(gòu)自然也不相同。對(duì)于黃土地區(qū)，由于土質(zhì)壓縮性大，遇水濕陷等屬性，所以應(yīng)更加注重這些特性對(duì)工程的影響。目前，黃土基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)主要分為懸臂式樁支護(hù)結(jié)構(gòu)、地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)、土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)、樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)和復(fù)合土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)等。

2.1 懸臂式樁支護(hù)結(jié)構(gòu)

懸臂式樁支護(hù)結(jié)構(gòu)可分為排樁式結(jié)構(gòu)和板樁式結(jié)構(gòu)，在受力期間無(wú)需支撐體系。排樁式結(jié)構(gòu)一般采用鋼筋混凝土樁，樁與樁之間存在一定的間隙(可防止混凝土產(chǎn)生伸縮變形)。板樁式結(jié)構(gòu)又可分為木板樁、鋼板樁和鋼筋混凝土板樁(設(shè)有伸縮縫)，其樁與樁之間相互搭接，屬于無(wú)縫隙支護(hù)。

排樁支護(hù)是由人工或機(jī)械鉆孔并放置鋼筋籠和澆筑混凝土成樁，沉管灌注樁，鉆孔灌注樁和預(yù)應(yīng)力管樁組成的支護(hù)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)存在剪切作用力和自身穩(wěn)定性較差，主要是土體的不穩(wěn)定性造成的。

板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)主要是支護(hù)面積大，防水效果好，施工工藝較為簡(jiǎn)單。但當(dāng)基坑深度較大且土體穩(wěn)定性較差，易產(chǎn)生彎曲變形，所以實(shí)際工程中應(yīng)選擇性使用。

2.2 地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)

地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)指在開(kāi)挖基坑工程的周邊進(jìn)行支護(hù)，其開(kāi)挖的溝槽放置鋼筋籠并澆筑混凝土，使其成為一個(gè)整體。其特點(diǎn)為鋼筋混凝土墻凝結(jié)硬化后整體性好，施工時(shí)振動(dòng)小等，但施工時(shí)易產(chǎn)生廢渣，會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成影響。由于地下連續(xù)墻支護(hù)在進(jìn)行施工時(shí)，對(duì)施工機(jī)械有所限制，而且墻體厚度具有固定的模板，因此其使用范圍較小，只有在經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)到位的情況方可使用，一般支護(hù)深度可超過(guò)10 m。

2.3 土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)

土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)一般分為打入式和鉆孔注漿式。其中打入式土釘支護(hù)是將土釘直接打入土體中，適用于土質(zhì)團(tuán)聚性?xún)?yōu)良，總工期短等，所以它的使用條件相對(duì)有限，較多地用于天然黃土地區(qū)。鉆孔注漿土釘支護(hù)是指在基坑坑壁鉆孔，插筋，注漿，噴射混凝土面層，當(dāng)土質(zhì)團(tuán)聚性較差時(shí)，注漿結(jié)束后，初噴混凝土面層，掛網(wǎng)，再?lài)娚浠炷粒涫┕ず蠼Y(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性較好，因此目前被廣泛應(yīng)用。

土釘墻支護(hù)的基本原理：通過(guò)優(yōu)化支護(hù)體的整體穩(wěn)定性和強(qiáng)度，消除基坑周邊土體的側(cè)移和變形而產(chǎn)生的破壞性壓力。尤其在開(kāi)挖過(guò)程中，隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，土體的穩(wěn)定性變差，側(cè)向壓力增大，因此采用鉆孔注漿土釘結(jié)構(gòu)可增大與土體之間的摩擦力，從而將此壓力通過(guò)摩擦力轉(zhuǎn)移至土體當(dāng)中，達(dá)到基坑穩(wěn)固的效果。另外，土釘在受力過(guò)程中一般分為四階段：第一階段剛注入的拌合物與土體之間幾乎沒(méi)有粘結(jié)性，此時(shí)土釘不受周?chē)馏w的作用力；第二階段凝結(jié)硬化后的土釘會(huì)與周?chē)馏w產(chǎn)生粘結(jié)性，此粘結(jié)力主要為化學(xué)膠著力和摩擦力，當(dāng)隨著開(kāi)挖深度的增大，土釘靠近面層的拉力增大，而端部拉力會(huì)有所減弱；第三階段當(dāng)基坑足夠深時(shí)，土釘基本處于土體滑動(dòng)面層中，此時(shí)處于滑動(dòng)面層的土釘拉力最大，而兩端相對(duì)較小；第四階段基坑開(kāi)挖到底時(shí)，土體會(huì)由于周?chē)h(huán)境會(huì)產(chǎn)生一段時(shí)間的徐變，此階段土釘?shù)睦瓚?yīng)力也會(huì)逐漸增加，但土體處于穩(wěn)定階段時(shí)，意味著徐變結(jié)束，其拉應(yīng)力的快速增長(zhǎng)期也會(huì)結(jié)束。

2.4 樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)

樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)是指一根錨桿或多根錨桿與混凝土支護(hù)框架相連接，具有整體性好，穩(wěn)定性強(qiáng)，安全性高，價(jià)格低廉，施工便捷等優(yōu)點(diǎn)，而且多數(shù)用在黃土地區(qū)的路塹和路堤邊坡支護(hù)，所以被道路工程廣泛使用，其缺點(diǎn)不適用于垂直基坑支護(hù)，尤其是黏性土質(zhì)或濕陷性黃土地帶。樁錨支護(hù)系統(tǒng)一般由嵌入地下的防護(hù)樁和錨桿組成，并配有冠梁和腰梁，可防止地下水和地表水進(jìn)入基坑，影響基地土質(zhì)的最大干密度。

2.5 復(fù)合土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)

普通的土釘支護(hù)一般依賴(lài)土基底層，而且只適用于支撐力大和地下水位較低的地層。對(duì)于黃土地區(qū)中并伴隨有凍融現(xiàn)象，土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)難以有效維護(hù)基坑的穩(wěn)定性，從而出現(xiàn)了復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的新概念。所謂復(fù)合土釘支護(hù)指的是以水泥土攪拌樁作為帷幕，為解決土的自重側(cè)移而實(shí)施的超前支護(hù)手段；通過(guò)兩次壓漿增強(qiáng)土釘與土體之間的拉拔力；減小基坑側(cè)移；通過(guò)打入較深的樁來(lái)解決樁頂隆起，防滲漏和管涌等現(xiàn)象。一般根據(jù)工程地質(zhì)條件將多種微型樁、水泥土攪拌樁、預(yù)應(yīng)力錨桿、旋噴樁等與土釘相結(jié)合而組成的不同支護(hù)結(jié)構(gòu)體系。以此擴(kuò)大復(fù)合土釘結(jié)構(gòu)的使用范圍，具體示意圖如圖1所示。

圖1 復(fù)合土釘支護(hù)組合

復(fù)合土釘支護(hù)原理：其它支護(hù)形式和措施與土釘支護(hù)技術(shù)相結(jié)合的支護(hù)形式，以提高復(fù)合土釘支護(hù)效果。一般是預(yù)應(yīng)力錨桿與土釘組合使用，以增加工作強(qiáng)度，其余的土釘與微型樁和止水帷幕相組合也是常用的組合形式。目前復(fù)合土釘支護(hù)在黃土地區(qū)正在嘗試性應(yīng)用，對(duì)于基坑深15 m以下，使用復(fù)合土釘支護(hù)比較安全，但這種支護(hù)方式在國(guó)內(nèi)其它地區(qū)的使用主要依靠工程經(jīng)驗(yàn)，而沒(méi)有詳細(xì)的受力和機(jī)理分析。因此對(duì)于復(fù)合土釘墻支護(hù)的認(rèn)識(shí)不夠清楚，設(shè)計(jì)方法欠缺，有待進(jìn)一步研討。雖有業(yè)內(nèi)研究者通過(guò)對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行了應(yīng)力和位移測(cè)試并利用有限元進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，但核心技術(shù)終究沒(méi)被攻破，望業(yè)內(nèi)專(zhuān)家能繼續(xù)對(duì)此進(jìn)行研討，使得高端的復(fù)合土釘墻支護(hù)技術(shù)能被大量使用于實(shí)際工程當(dāng)中。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文主要針對(duì)黃土地區(qū)的土質(zhì)特點(diǎn)，分別對(duì)5種支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，得出懸臂式樁支護(hù)結(jié)構(gòu)適用于土質(zhì)團(tuán)聚性良好，存在地下水位，可作為防水措施；地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)在環(huán)境條件允許、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)合理的情況下，結(jié)合其整體性和振動(dòng)性小的特征方可作為黃土基坑支護(hù)；土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)由于它的技術(shù)比較成熟，施工方便，安全性較高，被廣泛應(yīng)用于土質(zhì)較為堅(jiān)硬或團(tuán)聚性良好的黃土地區(qū)；樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)多半適用于道路工程，對(duì)于垂直的深基坑支護(hù)使用較少；復(fù)合土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)可作為黃土地區(qū)基坑支護(hù)的主要研究對(duì)象，目前由于技術(shù)尚未成熟，所以在實(shí)際使用過(guò)程中受限較多。