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文檔簡介
深基坑支擋圍護工程若干問題及解決對策 游晉華 (山西汾西工程建設有限責任公司建安公司山西介休032000) 【摘要】深基坑支擋圍護性工程影晌因素是多方面的,并且相互交叉影響,特別是在軟土地基中,由于巖土工程的特殊復雜性,加上勘察部門對淺層(開挖層)地質(zhì)工作較粗糙.給基坑圍護設計與施工帶來了較大的誤差和盲目性,以致產(chǎn)生設計不當及施工出現(xiàn)事故。本人結(jié)合自己的工作實踐,對影響甚坑邊幫穩(wěn)定的工程地質(zhì)條件,土壓力計算,地表荷載及地下水開挖工藝等問題予以闡述分析。 關鍵詞深基坑;支擋;圍護;荷載;開挖;邊幫穩(wěn)定 1.前言 (1)隨著國內(nèi)城市房地產(chǎn)業(yè)的興起發(fā)展,高層超高層高層超高層建筑在城市建筑中所占比例越來越大,特別是沿海一帶城市更是如此,地處用地緊張的都市中,除向空間發(fā)展外,充分開發(fā)和利用地下空間也是房地產(chǎn)業(yè)主所重視的。因此隨著地下室的設置出現(xiàn)了深基坑開挖支擋工程的設計施工,基坑深度從過去的一層向多層發(fā)展,從而基坑開挖邊幫穩(wěn)定問題向巖土工程界提出了新的課題。 (2)軟土地基深基坑開挖支擋是一個較為復雜的巖土系統(tǒng)工程問題,涉及到巖土力學、結(jié)構(gòu)力學、工程施工等方面內(nèi)容,影響最大的因素是土層物理力學性質(zhì),地下水、周圍地面荷載約束及開挖順序與時序。 2.土層物理力學性質(zhì) (1)沿海地區(qū)地質(zhì)情況普遍較差,一般地表為人工填土、下部均為海相沉積(或江、湖相沉積)的軟弱土層,主要為淤泥、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)粘土、砂類粘土等,液性指數(shù)在0.61.0以上,孔隙比大,土層呈軟塑或流塑狀態(tài),飽水狀態(tài)下自穩(wěn)能力差。而基坑開挖全過程則又處于這些地層中。因此基坑圍護結(jié)構(gòu)除受場地外界約束外,與土層的物理力學性質(zhì)有密切的聯(lián)系,特別是土層的C、值,土的壓縮模量及土的滲透系數(shù)Ko 由泰羅(Taylor)穩(wěn)定系數(shù)法計算邊坡臨界高度為: Hc=NyC/ 式中Hc計算臨界高度 Ny一系數(shù)由值查表得 C一內(nèi)聚力 土容重 (2)由上述公式可以看出,天然邊坡在不采取加固圍護條件下,最大開挖深度與C、值成正比,在淺基坑(6m以內(nèi))開挖支擋要充分利用土層自身穩(wěn)定,采取相應的加固措施是降低工程造價的方法之一。在深基坑和超深基坑中,無論是懸臂板樁或是錨拉板樁,均與C、值的大小有關,并且在抗隆起及管涌計算中與土容重及滲透系數(shù)有密切的關系。因此,充分研究和查清土層分布特征和合理選取力學指標,是圍護工程結(jié)構(gòu)設計的前提,并且指標選取還應考慮到開挖的時效性和地下水處理等條件。 3.地下水影響 軟土地基一般潛水面比較高,基木上距地面0.51.5m深,地下水位以下土層的開挖在很大程度上其邊幫穩(wěn)定性受地下水的控制,這己由許多工程事故所證實,分析諸多原因主要有: 3.1水壓力問題。 在基坑采用外部封堵內(nèi)降水時,坑壁支擋物上內(nèi)外水位高差達數(shù)米甚至更高,特別在砂土中,滲透系數(shù)較大的條件下,作用于支擋物的水壓力呈線性分布,由朗金理論計算可知,一般在1012m深基坑中,當水位差為9m時,懸臂板樁的安全系數(shù)下降1012(與降水相比),所以水壓力作用不可忽視,在粘性土中,水壓一般與計算水壓的1/31/2,但對力學指標C、值影響較大。 3.2流砂塌陷問題。 在砂土或粘土夾砂中開挖時,如果地下水源補給豐富,如河邊、海邊或湖邊、水頭邊界穩(wěn)定,在一定的動水壓力作用下,粒徑較細的砂土隨水移動,產(chǎn)生流砂或管涌,引起支擋物后壁沖空和地面沉降,有時支擋物隨之下沉傾斜垮塌,引起社會問題和停工,因此在支擋結(jié)構(gòu)設計時,除對支擋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定進行驗算外,還應對地下水動水壓力產(chǎn)生管涌、流砂條件進行分析計算。 3.3降排水地面沉降問題。 在地下室結(jié)構(gòu)施工中,需要一個干涸的基坑,則必須實行強制排水。隨著基坑大面積降水而引起在基坑四周一定范圍內(nèi)水位下降,由此產(chǎn)生土層固結(jié)地面下沉,危害已建構(gòu)筑物的 安全和穩(wěn)定,該類事故在許多基坑開挖中發(fā)生,引起了不必要的糾紛和經(jīng)濟問題。特別是市政工程鄰近基坑邊,往往由此產(chǎn)生開裂和破壞。通過若干失事工程分析,我們認為,地下水位下降是產(chǎn)生地面沉降的主要因素,但臨近基坑的建筑物沉降與水平位移亦有一定的關系。 4.周圍地面荷載問題 城市建筑場地狹窄,特別是市中心繁華地段,昂貴的土地費用使建筑結(jié)構(gòu)臨近紅線,與 周圍建筑很近,空余場地均為建筑施工機具和材料堆放場,因此在基坑支檔設計中不得不考 慮因地下空間開挖放坡對相鄰構(gòu)筑物的影響和對材料堆放的限制,許多工程曾發(fā)生過因基坑 邊坡倒塌引起相鄰建筑物開裂傾斜、市政工程下水道開裂漏水以致產(chǎn)生淹坑的重大事故。從失事情況分析,由地面荷載引起問題的原因主要有如下幾個方面: 4.1設計失誤。 在許多基坑開挖支擋中,絕大部分由施工單位自行承當結(jié)構(gòu)設計,由于設計人員對現(xiàn)場情況不甚了解,加上計算時參數(shù)選擇不當,特別是對周圍地面荷載心中無數(shù),從而設計支護參數(shù)不能滿足工程要求,出現(xiàn)支檔物過大的偏斜以至倒斷樁。 4.2地面附加荷載過大盲目施工。 很多施工單位因場地困難又為了施工方便,在基坑邊幫上堆置過多的建筑材料和設備,而支護結(jié)構(gòu)設計時往往從經(jīng)濟角度出發(fā)只對一定量的附加荷載參與計算,有的施工單位將振 動荷載較大的塔吊基礎和硅攪拌設備直接置于坑邊,附加荷載大大超過設計值,大量的施工用水滲人地下,進一步惡化了邊幫的自穩(wěn)條件,有的工程曾出現(xiàn)過攪拌機同護坡樁一起垮塌進基坑事故。因此在基坑支護設計時要充分與后續(xù)施工隊伍協(xié)商,對地面附加荷載(材料場)估計,并在施工過程中嚴格限制地面荷載的最大值。 4.3相鄰建筑物安全距離判斷。 (1)周邊建筑物是非常重要的地面荷載,對它的考慮不但僅僅是保證基坑開挖的安全,更重 要的是保證建筑物本身的穩(wěn)定安全,因此對建筑物的結(jié)構(gòu),特別地基基礎形式要有充分的了 解和掌握,以便對結(jié)構(gòu)變形及圍護樁的穩(wěn)定作出準確判斷,對其安全距離作出一定的估計。 (2)建筑物對基坑邊幫圍護工程的影響與其相對距離有關,主要原因是土層力學指標的分層性與室內(nèi)試驗指標的差異所致,并且與地下水狀態(tài)有密切關系。 (3)由工程實踐證明,相鄰建筑物淺基礎對圍護工程的影響較大,特別是剛性基礎(獨立柱。 5.地下結(jié)構(gòu)形狀與開挖空間的關系 (1)基坑開挖緊緊圍繞著地下結(jié)構(gòu)而施作,且受結(jié)構(gòu)形狀與四周條件約束。由此在基坑支擋 結(jié)構(gòu)設計中,要充分利用地下結(jié)構(gòu)的形態(tài)特點和深基礎(樁基)改善土體結(jié)構(gòu)增加被動土壓力的優(yōu)勢。 (2)由基坑邊幫位移量測可知,地下室結(jié)構(gòu)對基坑的邊幫支擋有一定的約束、如密集深基礎特別是在中壓縮性土以上的土層中,圍護樁的水平位移遠小于天然基礎中的位移,底部隆起 現(xiàn)象不會發(fā)生。當基坑邊長大于3倍坑深時,空間效應明顯,中部的邊幫位移量大于兩端部,所以在設計時應充分考慮這一點,以最大土壓力計算為依據(jù),對由角隅引起的作用力應予以利用,從而相應減少兩端的支護剛度。某些建筑以弧形展布,給施工帶來一定的困難,但從支護結(jié)構(gòu)上考慮,則改變了受力狀態(tài),在充分約束兩拐角后,總體穩(wěn)定性提高,所以在設計時也應考慮這一點。 6.基坑開挖順序及臨時支擋結(jié)構(gòu)的施工 (1)基坑開挖特別是深基坑開挖在圍護工程結(jié)構(gòu)設計合理的前提下,如何科學安排土方開挖 順序與時序是保證基坑安全穩(wěn)定的一個重要方面,其中某些臨時支擋工程及時施工則又是提高安全度的一個經(jīng)濟可靠的手段。 (2)很多工程在支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定處于臨界狀態(tài)時,恰恰因為盲目開挖施工及后續(xù)工程的拖延而造成斷樁塌方事故;而有些工程在驗算其穩(wěn)定系數(shù)明顯不夠的條件下,由于開挖方法得當,補強措施緊跟上,最終安全開挖到位,后續(xù)施工按期進行,因此精心進行施工組織設計,合理安全施工工序,有條不紊地安排施工交叉時間,以期求得動態(tài)平衡。 (3)基坑開挖時間短,支擋結(jié)構(gòu)在瞬時就出現(xiàn)應力平衡失調(diào)的情況,特別是粘性土中,孔隙水壓力無法及時消散,以及動水壓力作用等,均會加速支擋結(jié)構(gòu)物的側(cè)向位移和速率加大。因此,在開挖過程中應針對基坑深度合理的進行分層開挖,分層高度特別是在臨近支擋結(jié)構(gòu)地方,更應控制開挖高度和分層滯后時間,以便支擋結(jié)構(gòu)逐步加荷和充分調(diào)動其剛度。至于分層高度和分層滯后時間應通過位移量測數(shù)據(jù)而定。 (4)合理安排開挖順序,由工程實踐證明,有條件時,基坑開挖宜先中間后邊側(cè),先拐角后長邊,并且采用分段開挖和控制開挖步距。 (5)在基坑見底達到設計標高時,應及時施工墊層,封閉土層,緊靠邊樁處宜加厚墊層和提高標號,及時改變支擋結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。 (6)在開挖過程中強調(diào)位移監(jiān)控法施工,隨時隨地監(jiān)測支擋結(jié)構(gòu)的位移變化,以便及時調(diào)整土方開挖順序和時間,從大量位移監(jiān)測數(shù)據(jù)看,基坑開挖到底3天以內(nèi),為位移變化的加速區(qū),應重點進行位移量測,以位移速率變化及位移量來決定基坑開挖支護補強措施。 7.基坑支擋結(jié)構(gòu)土壓力計算問題 (1)在基坑支擋結(jié)構(gòu)設計中,人們最關心的是作用于支擋結(jié)構(gòu)上土壓力大小問題,而且也是確定支擋結(jié)構(gòu)類型和結(jié)構(gòu)參數(shù)的主要依據(jù),因此正確合理的選取支護形式與計算力學模型與計算參數(shù)準確性有關。不宜采用。 (2)當前工程結(jié)構(gòu)設計,大部分采用郎金理論或庫倉理論計算土壓力,近來也有采用有限原素值計算方法來確定支護結(jié)構(gòu)和參數(shù)。 郎金理論計算公式為: Pa=(riHi+qi)Kai一2CKa+rnhn H地面至計算點高度 r土容重 q地面附加荷載 Ka主動土壓力系數(shù)Ka=tg2(45-/2) 土層內(nèi)摩擦角 C土層內(nèi)聚力 rn水容重 hn地下水位至計算點高度 從上式可以看出,朗金土壓力理論中將支 擋結(jié)構(gòu)與土體看成是非摩擦性光滑接觸,其之間的摩擦角=o,但實際上是有一定的數(shù)值的,這與工程結(jié)構(gòu)的施工方法和土體本身的摩擦角有一定的聯(lián)系,從工程實際看采用人工挖孔樁和水泥土擋墻形式,其與土層的摩擦角較大,采用泥漿護壁的鉆孔灌注樁次之,而采用鋼板樁或預制樁則摩擦角較小。因計算中未能考慮的作用,計算結(jié)果壓力偏大,有關人士建議采用折減法處理,但需針對具體情況酌情考慮。 (3)在采用郎金理論計算被動土壓力時,同樣原因,其值偏小,因此在進行穩(wěn)定性計算時其值不予折減(一般計算公式中取其1/2)。 (4)土壓力計算時,力學指標主要是C、值的選取最關鍵,目前勘察部門提出的建議值一般為統(tǒng)計折減值,但對于不同土質(zhì)在不同的含水量狀態(tài)下其取值是不同的。砂土或粘土夾砂層在降水條件下可采用峰值強度或指標提高1.21.4,而對于粘性土特別是淤泥質(zhì)土宜采用峰值(但在飽水或不降水時,宜采用折減值或酌情提高)。 (5)為工程計算方便,一般采用綜合摩擦角方法,令C=0,但在淺基坑或C值較大時,一般不宜采用。 (6)為了提高計算精確度和考慮土層的分層性,在工程中采用分層計算法,盡管計算比較麻煩但對土壓力的計算較為符合實際,而且給指標確定更貼近實際,特別是在土質(zhì)上好下差或上差下好的條件下,盡量避免帶來的土壓力分布失真現(xiàn)象。 8.結(jié)論 根據(jù)筆者親自參與的近十個工程的施工實踐,深基坑支檔結(jié)構(gòu)設計施工,應充分注意以下幾點: (1)充分了解場地工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、對場地內(nèi)分布的各個土層的物理力學性質(zhì)必須清楚的了解和掌握,場地四周的邊界條件特別是地下水的補給條件應查清,以便分析計算依據(jù)可靠。 (2)對場地四周建筑物的分部及其基礎設計資料要進行訪問和了解,并就其與基坑開挖的影響予以詳細的計算分析,以便采取相應的支護結(jié)構(gòu),維護建筑物的穩(wěn)定和基坑安全。 (3)重視地下水的影響,對基坑管涌,流砂等現(xiàn)象要有充分的估計,特別是城市給排水滲漏水問題要格外重視,防止管路斷裂漏水造成城市停水等社會問題。 (4)強調(diào)基坑開挖的科學管理、任何基坑
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