深厚風(fēng)化混合巖層中咬合樁的止水控制研究

陳俊孌，黃錦盛，白尊銘，張彤煒，楊 林，張貴保

(1.中鐵建工集團(tuán)有限公司,北京 100160; 2.東莞市建筑科學(xué)研究院有限公司,廣東 東莞 523809)

在富水的深厚風(fēng)化混合巖層進(jìn)行基坑工程施工,地下水的處理不可避免。目前關(guān)于地下水的處理方式,主要有施工降水以及基坑止水。但是施工降水過程中,會(huì)使周邊地層產(chǎn)生不均勻沉降,造成房屋出現(xiàn)開裂、地下管線變形等不良影響。因此基坑止水成為了地下水處理的首選方式。咬合樁作為基坑止水措施之一,具有受力整體性好、抗?jié)B性強(qiáng)等特點(diǎn)。當(dāng)前關(guān)于咬合樁的研究,主要集中在施工工藝[1-3]及工程應(yīng)用[4-6]上,針對(duì)深厚風(fēng)化混合巖層咬合樁止水效果的綜合控制研究還較少[7]。

本文以東莞國際商務(wù)區(qū)某基坑為例,采用Abaqus有限元軟件,分析在深厚風(fēng)化混合巖層下咬合樁長度對(duì)滲流特性的影響,在施工過程中采取措施對(duì)咬合樁的垂直度進(jìn)行控制,通過電滲法對(duì)基坑咬合樁的止水效果進(jìn)行驗(yàn)證,并對(duì)咬合樁滲漏部位進(jìn)行針對(duì)性處理,避免基坑在開挖中出現(xiàn)滲漏問題。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

東莞國際商務(wù)區(qū)某基坑,基坑所在位置靠近地鐵線車站區(qū)間,基坑總基地平面面積約72 350 m2,基坑總長度1 290 m,基坑深度17.8 m～30 m,采用明挖法施工。基坑?xùn)|南側(cè)采用四排樁+樁間連接板撐方案,外側(cè)第一排采用φ1 000@1 400 mm葷樁+φ1 000@1 400 mm素樁的咬合樁,外側(cè)第二排、第三排和第四排圍護(hù)樁采用φ1 000@1 200 mm和φ1 200@1 400 mm鉆孔灌注樁;西北側(cè)采用二級(jí)放坡+排樁支護(hù)方案,排樁采用φ1 000@1 400 mm葷樁+φ1 000@1 400 mm素樁的咬合樁,部分段采用雙排樁間距3 m;西南側(cè)采用二級(jí)放坡+咬合樁+內(nèi)支撐支護(hù)方案,咬合樁采用φ1 000@1 400 mm葷樁+φ1 000@1 400 mm素樁,支撐采用700 mm×1 000 mm混凝土支撐,坡面上坡頂采用φ850@600 mm的三軸攪拌樁進(jìn)行止水。基坑平面圖見圖1。

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

進(jìn)行勘察時(shí),場地內(nèi)各鉆孔均見地下水,地下水類型分為潛水和基巖裂隙水,穩(wěn)定水位埋深介于1.00 m～5.60 m,其中孔隙水和基巖裂隙水水位基本一致。孔隙水賦存于第四系各地層及全風(fēng)化巖中,其中人工填土為中等透水層,坡積黏土和殘積砂質(zhì)黏性土及全風(fēng)化巖為弱透水層;基巖裂隙水賦存于強(qiáng)—微風(fēng)化巖中,強(qiáng)風(fēng)化巖為中等透水層,中風(fēng)化巖為弱透水層,基巖裂隙水具承壓性。滲透系數(shù)見表1。

表1 場地巖土層滲透系數(shù)

2 滲流作用下咬合樁止水效果分析

2.1 數(shù)值模型的建立

采用Abaqus數(shù)值模擬軟件對(duì)基坑進(jìn)行數(shù)值模擬分析,所采用的模型如圖2所示,計(jì)算模型的總長度為50 m,深度42 m,風(fēng)化巖層埋深11.7 m,基坑開挖深度為16 m,基坑底部寬度為20 m。由于基坑外側(cè)第一排采用φ1 000@1 400 mm葷樁+φ1 000@1 400 mm素樁的咬合樁作為止水的支護(hù)結(jié)構(gòu),當(dāng)利用有限元法模擬咬合樁時(shí),需要將咬合樁按等效剛度折算成地下連續(xù)墻,折算厚度t的計(jì)算公式如下:

t=0.838[D/(D+L)]1/3。

其中,D為咬合樁直徑;L為咬合樁凈間距。

因此計(jì)算模型中咬合樁的寬度為0.625 m,咬合樁長度為h。為考慮不同咬合樁深度對(duì)基坑滲流的影響,分別對(duì)咬合樁長度h賦予不同的值,觀察其對(duì)基坑滲流場的影響作用。

2.2 咬合樁長度對(duì)基坑滲流場的影響

圖2(a)為無咬合樁條件下,基坑總孔隙水壓分布圖和流速矢量圖,從圖2(a)中可以看出,在無咬合樁條件下,孔壓等值線在基坑底部出現(xiàn)彎曲,這說明基坑側(cè)壁與基坑底出現(xiàn)了滲流;圖2(b)為無咬合樁條件下基坑的流速矢量圖,滲流矢量的方向與大小宏觀地反映了滲流作用下孔隙水壓力的變化。由圖2(b)可見,在不設(shè)置咬合樁的條件下,當(dāng)基坑中心進(jìn)行降水時(shí),最大滲流速度出現(xiàn)在基坑側(cè)壁底部,如果土層的滲透系數(shù)較大,基坑外的地下水會(huì)不斷滲流到基坑內(nèi),達(dá)不到理想的降水效果。

圖3為咬合樁進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖層的總孔隙水壓云圖和流速矢量圖。從總孔隙水壓圖可以看出,孔壓等值線在咬合樁附近出現(xiàn)彎曲,表明基坑仍然存在一定的滲流現(xiàn)象。但是咬合樁的存在延長了地下水的滲流路徑,地下水沿著咬合樁側(cè)進(jìn)行滲流,在一定程度上阻止了基坑外側(cè)地下水滲流到基坑內(nèi)。

圖4為咬合樁進(jìn)入中風(fēng)化巖層的總孔隙水壓云圖和流速矢量圖。通過圖2—圖4的對(duì)比可知,隨著咬合樁深度的增加,滲流速度逐漸減小。當(dāng)樁端進(jìn)入到弱透水性的中風(fēng)化巖層時(shí),滲流速度的減小幅度最大,具有良好的止水效果。在考慮施工成本的條件下,樁端至少進(jìn)入到弱透水性的中風(fēng)化巖層1 m。根據(jù)本項(xiàng)目場地中風(fēng)化巖層埋深情況,本項(xiàng)目咬合樁的長度介于23 m～35 m之間。

3 咬合樁施工過程垂直度控制

咬合樁的止水效果依賴于樁體之間的密封性。只有在垂直狀態(tài)下,樁體之間的咬合部位才能完全貼合,形成有效的止水層。如果樁體存在垂直度偏差,咬合部位的密封性將受到影響,會(huì)導(dǎo)致咬合部位與周圍土層之間的間隙產(chǎn)生,使側(cè)向水滲透的可能性增加,從而降低止水效果。

為了保證咬合樁的止水效果,使樁底的咬合度保持完整,避免樁間出現(xiàn)開叉滲水現(xiàn)象,在施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制樁身垂直度,進(jìn)行垂直度控制主要有以下措施:

1)在進(jìn)行套管安裝之前,檢查和校正套管的直度,以確保偏差在0.1%～0.2%范圍內(nèi)。首先,對(duì)單節(jié)套管進(jìn)行檢查和校正,再將套管按照設(shè)計(jì)長度接長,并再次進(jìn)行檢查和校正。

2)成孔過程中,通過布置在正交方向的經(jīng)緯儀對(duì)地面以上的套管進(jìn)行連續(xù)的垂直度檢測,以確保發(fā)現(xiàn)的偏差進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整。

3)在成孔過程中,當(dāng)垂直度超過允許的偏差范圍時(shí),采取以下措施進(jìn)行糾偏:

a.當(dāng)套管入土深度不足5 m時(shí),直接利用鉆機(jī)的頂升油缸和推拉油缸調(diào)節(jié)套管的垂直度。

b.當(dāng)入土深度大于5 m時(shí),如果鉆機(jī)油缸糾偏無法達(dá)到要求,需向套管進(jìn)行回填同時(shí)將套管拔起至上一次檢查合格的部位,待垂直度檢測合格后再重新下壓。在套管回填過程中,素樁與葷樁的套管的回填材料有所不同,素樁的套管可以回填砂土或黏土等材料,葷樁套管則需回填與素樁相同的混凝土材料。

4 咬合樁止水效果檢測與處理措施

4.1 止水性能檢測

基坑咬合樁施工完成后,采用電滲法進(jìn)行止水性能檢測。電滲法是一種利用電場作用,使水分子在土體中運(yùn)動(dòng)的方法,可以用來檢測基坑的滲漏情況。通過在基坑的內(nèi)外側(cè)分別設(shè)置正負(fù)極,形成一個(gè)閉合的電路(見圖5)。當(dāng)有水分子從基坑的墻體滲出時(shí),會(huì)帶動(dòng)電荷在電路中流動(dòng),產(chǎn)生電流。通過測量電流的大小和變化,可以判斷基坑的滲漏程度和位置(見圖6)。

完成數(shù)據(jù)采集后,對(duì)數(shù)據(jù)分析以及可視化,根據(jù)不同的檢測指標(biāo)和方法,對(duì)滲漏風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行明確的定位和分級(jí),最終生成詳細(xì)的檢測成果圖。通過對(duì)基坑咬合樁的止水性能進(jìn)行電滲法檢測,基坑內(nèi)僅少量咬合樁局部部位存在滲漏點(diǎn),導(dǎo)致基坑內(nèi)外產(chǎn)生一定的水力聯(lián)系。滲漏部位典型檢測成果圖如圖7所示。

4.2 處理措施

對(duì)于局部止水效果未達(dá)到要求的咬合樁,對(duì)于水力聯(lián)系輕微的咬合樁,采用坑外注漿方式對(duì)滲漏部位抗?jié)B處理;對(duì)于水力聯(lián)系較強(qiáng)的咬合樁,在與原樁位外側(cè)增加咬合樁以及旋噴樁作為補(bǔ)強(qiáng)防水處理,增加咬合樁的抗?jié)B能力,提高樁基的穩(wěn)定性和承載力。

5 結(jié)語

東莞國際商務(wù)區(qū)某基坑,基坑外側(cè)采用“葷素”咬合樁進(jìn)行支護(hù)與止水。利用Abaqus數(shù)值模擬,分析對(duì)比了進(jìn)入不同風(fēng)化巖層咬合樁在基坑中的滲流場,在施工過程中采取措施對(duì)咬合樁的垂直度進(jìn)行控制,并對(duì)完工后的咬合樁止水效果進(jìn)行驗(yàn)證和滲漏處理。通過對(duì)咬合樁止水的綜合控制,得到了以下的結(jié)論與建議:

1)對(duì)于分布有深厚風(fēng)化混合巖層的基坑場地,咬合樁的存在增加了地下水的滲流路徑,隨著咬合樁深度的增加,滲流速度逐漸減小。當(dāng)樁端進(jìn)入到弱透水性的中風(fēng)化巖層時(shí),滲流速度的減小幅度最大,具有良好的止水效果。在考慮施工成本的條件下,樁端需進(jìn)入到弱透水性的中風(fēng)化巖層1 m。

2)對(duì)于咬合樁在施工過程中的垂直度控制,需要持續(xù)進(jìn)行工藝改進(jìn)。從設(shè)備角度出發(fā),應(yīng)進(jìn)一步提高設(shè)備強(qiáng)度和剛度,避免因?yàn)樵O(shè)備松動(dòng)或變形而導(dǎo)致咬合樁偏斜;研發(fā)隨鉆檢測和糾偏功能,實(shí)時(shí)掌握咬合樁的位置和方向,及時(shí)發(fā)現(xiàn)和糾正偏差。

3)對(duì)于咬合樁的缺陷,應(yīng)探索針對(duì)咬合樁缺陷的檢測技術(shù)。在基坑土體進(jìn)行開挖前,通過電滲法檢測技術(shù),能夠有效地對(duì)咬合樁的止水效果進(jìn)行驗(yàn)證,預(yù)判咬合樁的滲漏部位并采取針對(duì)性的處理措施,確保基坑在開挖過程中不出現(xiàn)滲漏問題。