深厚風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.中鐵建工集團有限公司,北京 100160; 2.東莞市建筑科學研究院有限公司,廣東 東莞 523809)

在富水的深厚風化混合巖層進行基坑工程施工,地下水的處理不可避免。目前關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,會使周邊地層產生不均勻沉降,造成房屋出現開裂、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、抗滲性強等特點。當前關于咬合樁的研究,主要集中在施工工藝[1-3]及工程應用[4-6]上,針對深厚風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區某基坑為例,采用Abaqus有限元軟件,分析在深厚風化混合巖層下咬合樁長度對滲流特性的影響,在施工過程中采取措施對咬合樁的垂直度進行控制,通過電滲法對基坑咬合樁的止水效果進行驗證,并對咬合樁滲漏部位進行針對性處理,避免基坑在開挖中出現滲漏問題。

1 工程概況及地質條件

1.1 工程概況

東莞國際商務區某基坑,基坑所在位置靠近地鐵線車站區間,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。基坑東南側采用四排樁+樁間連接板撐方案,外側第一排采用φ1 000@1 400 mm葷樁+φ1 000@1 400 mm素樁的咬合樁,外側第二排、第三排和第四排圍護樁采用φ1 000@1 200 mm和φ1 200@1 400 mm鉆孔灌注樁;西北側采用二級放坡+排樁支護方案,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;西南側采用二級放坡+咬合樁+內支撐支護方案,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的三軸攪拌樁進行止水。基坑平面圖見圖1。

1.2 工程地質與水文地質條件

進行勘察時,場地內各鉆孔均見地下水,地下水類型分為潛水和基巖裂隙水,穩定水位埋深介于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化巖中,其中人工填土為中等透水層,坡積黏土和殘積砂質黏性土及全風化巖為弱透水層;基巖裂隙水賦存于強—微風化巖中,強風化巖為中等透水層,中風化巖為弱透水層,基巖裂隙水具承壓性。滲透系數見表1。

表1 場地巖土層滲透系數

2 滲流作用下咬合樁止水效果分析

2.1 數值模型的建立

采用Abaqus數值模擬軟件對基坑進行數值模擬分析,所采用的模型如圖2所示,計算模型的總長度為50 m,深度42 m,風化巖層埋深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結構,當利用有限元法模擬咬合樁時,需要將咬合樁按等效剛度折算成地下連續墻,折算厚度t的計算公式如下:

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基坑滲流的影響,分別對咬合樁長度h賦予不同的值,觀察其對基坑滲流場的影響作用。

2.2 咬合樁長度對基坑滲流場的影響

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彎曲,這說明基坑側壁與基坑底出現了滲流;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,在不設置咬合樁的條件下,當基坑中心進行降水時,最大滲流速度出現在基坑側壁底部,如果土層的滲透系數較大,基坑外的地下水會不斷滲流到基坑內,達不到理想的降水效果。

圖3為咬合樁進入強風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彎曲,表明基坑仍然存在一定的滲流現象。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進行滲流,在一定程度上阻止了基坑外側地下水滲流到基坑內。

圖4為咬合樁進入中風化巖層的總孔隙水壓云圖和流速矢量圖。通過圖2—圖4的對比可知,隨著咬合樁深度的增加,滲流速度逐漸減小。當樁端進入到弱透水性的中風化巖層時,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,樁端至少進入到弱透水性的中風化巖層1 m。根據本項目場地中風化巖層埋深情況,本項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,會導致咬合部位與周圍土層之間的間隙產生,使側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,避免樁間出現開叉滲水現象,在施工過程中應嚴格控制樁身垂直度,進行垂直度控制主要有以下措施:

1)在進行套管安裝之前,檢查和校正套管的直度,以確保偏差在0.1%～0.2%范圍內。首先,對單節套管進行檢查和校正,再將套管按照設計長度接長,并再次進行檢查和校正。

2)成孔過程中,通過布置在正交方向的經緯儀對地面以上的套管進行連續的垂直度檢測,以確保發現的偏差進行及時的調整。

3)在成孔過程中,當垂直度超過允許的偏差范圍時,采取以下措施進行糾偏:

a.當套管入土深度不足5 m時,直接利用鉆機的頂升油缸和推拉油缸調節套管的垂直度。

b.當入土深度大于5 m時,如果鉆機油缸糾偏無法達到要求,需向套管進行回填同時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動的方法,可以用來檢測基坑的滲漏情況。通過在基坑的內外側分別設置正負極,形成一個閉合的電路(見圖5)。當有水分子從基坑的墻體滲出時,會帶動電荷在電路中流動,產生電流。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)。

完成數據采集后,對數據分析以及可視化,根據不同的檢測指標和方法,對滲漏風險進行明確的定位和分級,最終生成詳細的檢測成果圖。通過對基坑咬合樁的止水性能進行電滲法檢測,基坑內僅少量咬合樁局部部位存在滲漏點,導致基坑內外產生一定的水力聯系。滲漏部位典型檢測成果圖如圖7所示。

4.2 處理措施

對于局部止水效果未達到要求的咬合樁,對于水力聯系輕微的咬合樁,采用坑外注漿方式對滲漏部位抗滲處理;對于水力聯系較強的咬合樁,在與原樁位外側增加咬合樁以及旋噴樁作為補強防水處理,增加咬合樁的抗滲能力,提高樁基的穩定性和承載力。

5 結語

東莞國際商務區某基坑,基坑外側采用“葷素”咬合樁進行支護與止水。利用Abaqus數值模擬,分析對比了進入不同風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咬合樁的垂直度進行控制,并對完工后的咬合樁止水效果進行驗證和滲漏處理。通過對咬合樁止水的綜合控制,得到了以下的結論與建議:

1)對于分布有深厚風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。當樁端進入到弱透水性的中風化巖層時,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,樁端需進入到弱透水性的中風化巖層1 m。

2)對于咬合樁在施工過程中的垂直度控制,需要持續進行工藝改進。從設備角度出發,應進一步提高設備強度和剛度,避免因為設備松動或變形而導致咬合樁偏斜;研發隨鉆檢測和糾偏功能,實時掌握咬合樁的位置和方向,及時發現和糾正偏差。

3)對于咬合樁的缺陷,應探索針對咬合樁缺陷的檢測技術。在基坑土體進行開挖前,通過電滲法檢測技術,能夠有效地對咬合樁的止水效果進行驗證,預判咬合樁的滲漏部位并采取針對性的處理措施,確保基坑在開挖過程中不出現滲漏問題。