深基坑外側(cè)有限寬度回填土體支護(hù)設(shè)計(jì)

王 旭

(遼寧省建筑設(shè)計(jì)研究院巖土工程有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110005)

1 概述

基坑四周臨近建筑物和構(gòu)筑物是基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的重要環(huán)境因素。臨近建筑物不僅是基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保護(hù)的對(duì)象，也是基坑周邊荷載的重要來(lái)源。隨著城市地下空間的迅速發(fā)展，地下空間密度越來(lái)越大，新建的地下室往往距離已有建筑地下室越來(lái)越近，擬開挖的基坑與已有地下室之間留下有限寬度的土體。有限寬度土體土壓力的計(jì)算已不能采用經(jīng)典的朗肯土壓力理論或庫(kù)侖土壓力理論，對(duì)于有限土體土壓力的計(jì)算方法有了較多的研究[1-5]，且計(jì)算方法已經(jīng)被多個(gè)地方規(guī)范所采用。

因?yàn)榕R近已有建筑物，基坑外側(cè)的有限寬度土體多為前期基坑的回填土，回填土厚度一般等于地下室的埋深。另外，有限土體內(nèi)往往鋪設(shè)有建筑物配套的地下管線，土體物理力學(xué)性質(zhì)差且對(duì)基坑外側(cè)土體變形敏感。這兩方面的因素增加了基坑支護(hù)的難度，也限制了一些常規(guī)支護(hù)形式的應(yīng)用，如放坡開挖和樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)就無(wú)法應(yīng)用。對(duì)于這類基坑工程，如何根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用何種支護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)維護(hù)基坑穩(wěn)定，有限寬度土體支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形特點(diǎn)值得專門研究。

以兩個(gè)深基坑支護(hù)工程為例，本文闡述了有限寬度土體加固法和排樁土釘支護(hù)法的實(shí)際應(yīng)用情況，并總結(jié)了有限寬度土體基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方法。

2 有限寬度土體加固法

2.1 工程概況

位于遼寧省的沈陽(yáng)天惠廣場(chǎng)二期基坑深度9.3 m，基坑長(zhǎng)度約97 m，寬度約62 m。基坑?xùn)|側(cè)緊鄰已建成的天惠廣場(chǎng)一期7.4 m，擬建的二期地下室東側(cè)大部分為連接一期地下室的聯(lián)絡(luò)通道，聯(lián)絡(luò)通道南側(cè)為兩期地下室之間的有限寬度土體，如圖1中的陰影所示。該有限寬度土條寬度約為7.4 m，長(zhǎng)度為22.4 m，設(shè)置一期商場(chǎng)的兩部外掛消防鋼梯。

天惠廣場(chǎng)一期地下室施工時(shí)，基坑開挖深度為9.3 m，基坑西側(cè)采用放坡開挖，基坑回填時(shí)采用雜填土回填，回填壓實(shí)效果一般。因此，該有限寬度土體的土層為：雜填土，松散，厚度8.9 m，圓礫，中密，厚度8.1 m，地下水位埋深為13 m。

2.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

基坑深度為9.3 m，基坑與鄰近建筑物的距離為7.4 m，小于H×tan(45°-φ/2)=7.5 m，按照規(guī)范[6]，該有限寬度土體土壓力可進(jìn)行土壓力折減，土壓力折減系數(shù)約0.98，基坑主動(dòng)土壓力折減系數(shù)很小。該有限寬度土體內(nèi)埋設(shè)有一期建筑的供水、供暖、通信和排水管等多條地下管線，這就要求基坑開挖過程中，該有限寬度土體的變形要嚴(yán)格控制。由于基坑外側(cè)土體寬度有限且為松散的雜填土，無(wú)法提供足夠的錨固段長(zhǎng)度，不能采用錨索；消防鋼梯和地下管線不能拆除，該區(qū)域內(nèi)的有限寬度土體也無(wú)法挖除卸荷；受消防鋼梯的影響，雙排樁的施工空間不足，且工程造價(jià)很高，也不能選擇使用。針對(duì)該有限寬度內(nèi)土體松散，均勻性較差，土壓力較大的特點(diǎn)，為嚴(yán)格控制基坑變形，采用旋噴樁對(duì)該有限寬度的土體進(jìn)行加固，以提高該有限土體的物理力學(xué)性質(zhì)，提高土體的自穩(wěn)性，減少基坑側(cè)壁土壓力。加固后的復(fù)合土體可以借用復(fù)合地基加固公式置換率的概念來(lái)計(jì)算復(fù)合土體的黏聚力C和內(nèi)摩擦角φ，在計(jì)算土壓力時(shí)能有效考慮土層加固的效果。基坑有限寬度土體的支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。鋼筋混凝土支護(hù)樁徑600 mm，樁間距1.2 m，樁長(zhǎng)15 m。旋噴樁徑600 mm，樁間距1.9 m，樁長(zhǎng)11 m。考慮到基坑較深，支護(hù)樁較長(zhǎng)，為減少支護(hù)樁承受的彎矩，控制樁頂變形，在基坑7.7 m深度處，設(shè)置一道預(yù)應(yīng)力錨索。此位置處，錨索可以安全的下穿一期地下室底板，錨固在圓礫層中。錨索間距1.2 m，錨索長(zhǎng)度15 m，錨索入射角度為20°。

2.3 變形監(jiān)測(cè)情況

在基坑的開挖過程中，在此處的支護(hù)樁頂上布置了2個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，從基坑開挖至基坑回填歷經(jīng)4個(gè)月，此處支護(hù)樁頂?shù)淖畲笏轿灰茷? mm，豎向位移為3 mm，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形很小，幾乎沒有變形。臨近的地下管線沒有發(fā)生變形破壞情況，消防鋼梯也未發(fā)生變形。可見，對(duì)于回填土較厚的有限寬度土體，采用土體旋噴樁加固，鋼筋混凝土樁和預(yù)應(yīng)力錨索的綜合支護(hù)形式，不僅可以確保基坑外側(cè)有限寬度土體的穩(wěn)定性，還可以很好的控制有限寬度土體的變形。

3 排樁土釘墻法

3.1 工程概況

沈陽(yáng)陽(yáng)光一百商業(yè)二期項(xiàng)目基坑深度9.2 m，長(zhǎng)度226 m，寬度118 m。基坑北側(cè)緊鄰建成的陽(yáng)光一百商業(yè)廣場(chǎng)地下室外墻9.0 m。擬建的二期地下室和商業(yè)廣場(chǎng)地下室新建聯(lián)絡(luò)通道，兩期地下室之間形成有限寬度的土條，如圖3陰影區(qū)所示。

商業(yè)廣場(chǎng)地下室施工時(shí)開挖的基坑深度為9.2 m，基坑南側(cè)采用45°放坡開挖，肥槽寬度1.2 m，采用雜填土回填基坑，回填壓實(shí)效果一般。因此，地下室外墻10.5 m范圍內(nèi)的土體，其上部為雜填土，下部為中密的粗砂，地層分界線為45°斜線。雜填土松散，厚度9.2 m，中砂厚度8.9 m，地下水位埋深7.7 m，基坑采用管井降水，水位降深5 m。

3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

基坑南側(cè)和西側(cè)采用自然放坡開挖，東側(cè)采用鋼管樁錨索支護(hù)。基坑北側(cè)臨近已建成的一期商業(yè)廣場(chǎng)，且該土條內(nèi)地下管線密集，特別是有一條供暖的主管線。

按照規(guī)范[6]，基坑北側(cè)的有限寬度土體寬度10.5 m，大于H×tan(45°-φ/2)=7.5 m，主動(dòng)土壓力不滿足折減條件，該有限寬度土體土壓力應(yīng)按照經(jīng)典朗肯土壓力理論計(jì)算，計(jì)算得出的基坑主動(dòng)土壓力很大；基坑外側(cè)管線密集，對(duì)基坑變形敏感，基坑支護(hù)難度大。

采用旋噴樁對(duì)該有限寬度土體進(jìn)行加固，能有效的控制土體變形，但場(chǎng)地內(nèi)管線分布較多，旋噴樁加固施工方案行不通。土體寬度有限，且地層為雜填土，錨索的錨固段長(zhǎng)度不能滿足錨固力要求，無(wú)法采用預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)方案。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土方開挖工期要求，采用支護(hù)樁+土釘+預(yù)應(yīng)力錨索的復(fù)合支護(hù)形式，如圖4所示。支護(hù)樁為混凝土灌注樁，樁徑600 mm，樁長(zhǎng)15 m，樁間距1.2 m。0 m～4.5 m范圍內(nèi)，在土體內(nèi)施工兩道土釘，土釘水平間距1.2 m，土釘直徑25 mm，土釘通過鋼梁連接，并鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，噴射混凝土面層。為減少支護(hù)樁的側(cè)向變形和支護(hù)樁彎矩，在6.5 m深度處，施工一道預(yù)應(yīng)力錨索，錨索施工角度20°，錨索下穿一期商業(yè)廣場(chǎng)地下室底板，錨固段長(zhǎng)度10 m。

3.3 變形監(jiān)測(cè)情況

按照復(fù)合土釘墻模型，通過理正基坑超級(jí)土釘墻模塊計(jì)算，得出支護(hù)樁頂水平位移為74 mm，基坑外側(cè)地面形成的沉降量最大值為52 mm，計(jì)算結(jié)果不滿足要求。但實(shí)際應(yīng)用后，基坑監(jiān)測(cè)的支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值為30.6 mm，最大變形速率為1.13 mm/d，支護(hù)結(jié)構(gòu)的豎向變形最大值為6.8 mm，基坑外側(cè)地面無(wú)明顯沉降。在基坑使用過程中，基坑經(jīng)歷了夏季3場(chǎng)大暴雨，暴雨過后，基坑變形仍處于正常范圍，暴雨后僅發(fā)生樁間土脫落的事故，樁頂變形未出現(xiàn)異常。

實(shí)踐表明，對(duì)于回填土很厚的有限寬度土體，雖然土壓力不能折減，采用對(duì)控制變形有限的復(fù)合土釘墻方案，該聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形量遠(yuǎn)小于理論計(jì)算結(jié)果，說(shuō)明寬度有限土體的土壓力實(shí)際上要小于理論計(jì)算結(jié)果，其土壓力的計(jì)算方法還需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論和建議

本文以沈陽(yáng)兩個(gè)深基坑為例，分析討論了基坑外側(cè)的有限寬度土體的支護(hù)設(shè)計(jì)方法，并討論了有限寬度土體的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法，總結(jié)得出以下結(jié)論：

1)如果基坑外側(cè)條件允許，可以采取開挖卸荷的方式來(lái)維護(hù)基坑側(cè)壁穩(wěn)定。

2)如果有限寬度土體不能開挖，可以采用旋噴樁對(duì)土體進(jìn)行加固，加固以后的土體土壓力有很大幅度的折減。

3)有限寬度土體可采用支護(hù)樁+土釘+預(yù)應(yīng)力錨索的聯(lián)合支護(hù)形式，該支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)于回填土較厚的有限寬度土體變形有較好的控制作用。

除此之外，還可以采用水泥土墻和內(nèi)支撐的支護(hù)形式，但是相比而言，支護(hù)結(jié)構(gòu)成本和施工工期上優(yōu)勢(shì)不明顯。

對(duì)于有限寬度的土體，雖然寬度大于規(guī)范規(guī)定的限定值H×tan(45°-φ/2)，由于土體不是半無(wú)限體，不符合經(jīng)典土壓力理論的前提條件，其土壓力的計(jì)算還需要進(jìn)一步研究。