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深厚软弱土层基坑支护结构选型在实际项目中的重要性

529 2020-08-04 08:53:27

一、工程简介

本项目位于江门市江海区工业园内,该地下室为地下 1~2 层,考虑承台底板垫层的开挖,基坑开挖深度为6.26和11.66m,基坑形状较规则,基坑长约100m,宽约51m,周长约330m。

本基坑支护设计的主要难点有:

(一)基坑规模虽然不大,但基坑深浅不一,设计时需根据工业的具体用途考虑多种情况;

(二)基坑开挖范围内淤泥层的普遍厚度都在25m左右,最高的可达30m,对基坑的位移控制设计要求较高;

(三)基坑底部以下存在松散的粉砂层,粉砂层直接与中风化岩接触,常规止水方式存在较大的风险,对基坑止水设计要求较高;

(四)基坑为工业用途,深度开挖不一,开挖形状不规则,可能无住宅地下室结构的楼板,对基坑设计的总体把握要求较高。

上述这些重点和难点给本基坑支护设计的方案选型和支护结构具体设计带来难度,如何实现基坑支护结构的安全可靠性、经济合理性、施工方便性和工期可控性带来了较大的挑战,同时使得基坑支护设计的后期服务工作量也会增大。


二、场地工程地质条件

拟建场地原为耕地,场地总体地势较为平整。地貌上属于珠江三角洲冲淤积平原区,地面标高在2.80~3.60m之间。

经钻孔揭示,本场地地层由第四系人工填土、第四系海陆交互相冲淤积层、风化残积土层及第三系泥质粉砂岩等组成。

与基坑开挖有关的土层为:

(一)素填土:褐黄色、褐红色,主要为人工堆填的粘性土组成,稍湿,松散状。

(二)淤泥:深灰色,饱和,流塑状,主要由粘粒、粉粒和有机质组成,局部夹中细砂,有腐臭味。

(三)粉砂层:灰色、灰黄色等色,饱和,松散状~稍密状,分选性较好,含粘粒及中砂。

(四)风化岩层:为全风化泥质粉砂岩,强风化泥质粉砂岩,中风化粉泥质粉砂岩,微风化泥质粉砂岩。

场区内地下水主要为人工填土层中潜水、砂土层中承压孔隙水和基岩中裂隙水。地下水主要通过大气降水渗透补给,排泄方式为蒸发,地下水受季节气候影响较小,总体而言水量较为丰富。

基坑场地代表性的地质剖面图详见图1

场地代表性地质剖面图

图1 场地代表性地质剖面图

各地层的主要性质如下表1所示。

场地土层主要性质参数


三、基坑周边环境情况

该项目基坑的四周环境见图2,主要特点如下:

基坑东、南、北侧均为空地且较为开阔,基坑西侧地下室边线16m处为13m宽道路,基坑施工时道路可以占用,基坑施工完成后再重新修复。

离道路2-3m处为工业生产厂房,鉴于基坑右半部分开挖深度较深,且西侧又有道路和生产车间,因此基坑右半部分深基坑这一块需加强支护。

经探明基坑四周无任何管线,总体而言四周环境相对宽松。

基坑周边环境、支护总平面和监测平面布置图

图2 基坑周边环境、支护总平面和监测平面布置图


上述对场地环境的介绍可见,场地周边环境相当简单,但需对西侧的厂房作为主要的保护对象,避免基坑开挖时位移过大导致地面下陷和厂房结构开裂。同时场地地层为深厚的淤泥层,淤泥层普遍厚度都在25m以上,勘察报告显示淤泥均为流塑状态,力学性质极差,淤泥层下为5-7m的松散粉砂层,地下水十分丰富,这些状况对基坑开挖支护非常不利,作用在支护结构上的土压力和水压力都比较大,常规的支护方式和止水方法很难保证基坑的正常开挖。上述种种工程特点都直接制约着基坑支护方案的比选和优化。


四、基坑支护结构的选型分析

在深厚淤泥中进行基坑支护结构的选型,特别是深基坑支护结构的选型的问题一直是个重难点的问题。基坑支护设计不能单单只注重于经济性,还需关注其施工的可行性以及是否会对周边已有建筑物、地下管线和道路带来破坏性。

近年来,许多类似的基坑在实施过程中发生或多或少的事故,究其原因基坑选型占有绝对的比例。

因此,需要根据场地地层状态特点、基坑形状和深度要求、周边的实际情况,确定基坑支护的具体方案。

综合以上分析,一个优化的基坑支护设计方案因满足支护结构体系的安全性、设计方案的经济性、施工方案的可行性以及周边环境的安全性。

基坑支护结构选型应当综合考虑场地地层结构、基坑形状及开挖深度,周边环境特点、施工机械、经济指标和施工工期等诸多因素,鉴于诸多因素的考虑得出了适合本基坑的可选支护方案主要有:

(一)放坡开挖+木桩+重力式挡墙(内插150微型钢管桩)+被动区加固方案

(二)重力式挡墙(内插150微型钢管桩)+被动区加固方案

(三)放坡开挖+木桩+双排桩+重力式挡墙+被动区加固方案

受厂房结构用途不同的影响,基坑开挖深度不一,基坑北半段开挖深度为6.260m,基坑南半段主要开挖深度为11.660m,但是基坑南侧两端开挖深度为6.260m(具体详见图2),南北两端分界处高差为5.4m。因此需设计人员应根据不同的开挖深度选择合理的支护方案。


下面分别对基坑支护的各边各段的处理分析和优化设计进行介绍:

1、基坑北半段开挖深度为6.26m,场地四周均为空地,场地十分开阔且无任何管线。所以最终确定该段的基坑支护采用放坡开挖+木桩+重力式挡墙(内插150微型钢管桩)+被动区加固的支护形式,鉴于场地周边开阔这个有利的条件,基坑顶部按1:2.0放坡,坡高2.5m。坡面表面挂网喷砼。为了加强破面的稳定,坡面设置两排木桩,木桩长5m按间距1500mm垂直于坡面击入土内。坡底采用重力式挡墙支护形式,重力式挡墙宽度为4.60m。挡墙前端和后端各采用一排大直径搅拌桩φ850@750,大直径搅拌桩内插150微型钢管桩,桩长15.0m。大直径搅拌桩进入强风化不小于1.5m,总长度为33.0m。两排大直径搅拌桩之间采用普通搅拌桩加固,搅拌桩直径为550mm间距450mm,桩长为13.3m。基坑底部进行被动区加固,加固宽度为5.05m,高度为5.0m。支护结构详见剖面图3。

基坑北半段支护结构典型剖面图

图3、基坑北半段支护结构典型剖面图


2、基坑南半段基坑开挖深度为11.660m,基坑开挖深度较深,且基坑西侧有工业厂房需要保护。由于场地内淤泥深厚且处于流塑状态,常规的锚拉式和支撑式风险性较高,造价大,工期长。结合场地的实际情况,经多次讨论研究,确定该边的基坑支护放坡开挖+木桩+双排桩+重力式挡墙+被动区加固的支护形式。基坑顶部按1:2.0放坡,坡高2.5m。坡面表面挂网喷砼。为了加强破面的稳定,坡面设置两排木桩,木桩长5m按间距1500mm垂直于坡面击入土内。坡底采用双排桩+重力式挡墙联合支护形式,双排桩桩径为1000mm的旋挖桩,前排桩桩距为1200mm,后排桩桩距为3600mm,桩长31.0m。桩顶冠梁尺寸为1000x600。双排桩之间采用大直径搅拌桩和普通搅拌桩加固,最前面为1排大直径搅拌桩,搅拌桩直径为850mm间距750mm,桩长为31.0m与双排桩桩长相同。后面为12排普通搅拌桩,搅拌桩直径为550mm间距450mm,桩长为13.7m。桩顶采用300mm厚的混凝土板进行整体连接。双排桩间用搅拌桩进行桩间土处理实现桩间防止淤泥及砂土体的流出和止水及加固要求;基坑底部进行被动区加固,加固宽度为5.05m,高度为5.0m。联合支护结构详见剖面图4。

基坑南半段支护结构典型剖面图

图4、基坑南半段支护结构典型剖面图

3、由于基坑南北两部分开挖深度不同,在两部分之间存在5.4m的高差,需要对其进行支护。综合考虑了厂房的使用功能要求,确定该交界处采用重力式挡墙(内插150微型钢管桩)+ 被动区加固的支护形式。重力式挡墙宽度为4.60m。挡墙前端和后端各采用一排大直径搅拌桩φ850@750,大直径搅拌桩内插150微型钢管桩,桩长12.0m。大直径搅拌桩进入强风化不小于1.5m,总长度为28.0m。两排大直径搅拌桩之间采用普通搅拌桩加固,搅拌桩直径为550mm间距450mm,桩长为12.4m。基坑底部进行被动区加固,加固宽度为5.05m,高度为5.0m。支护结构详见剖面图5。

基坑交界处支护结构典型剖面图

图5、基坑交界处支护结构典型剖面图

4、为了提高基坑底土的强度,增强被动土压力以及基坑整体空间效应。除了在支护结构外围设置5.05m的被动区加固外,在基坑底进行格栅式满堂加固,加固深度为5.0m。搅拌桩排距为3000mm×3000mm,搅拌桩施工时应避开已有的桩位,具体位置详见图2。

5、由于软土的渗透系数较小,固结速率慢,如果施工速率过快,将造成局部较大的塑性区,使基坑围护变形急剧增加。因此施工时应严格的控制基坑开挖速度,基坑开挖后在开挖面进行开槽将基坑分为多段,一方面有利于地下水和积水的排除,另一方面有利于淤泥进行晾晒和风干。待淤泥达到一定强度后再开挖下一层土,避免因淤泥过软导致机械下陷进去。

这样基坑支护的总平面图见图2。


五、基坑施工情况介绍

鉴于基坑施工的复杂性,基坑施工的主要过程如下:

施工准备测量放线→场地平整及临时设施施工→搅拌桩施工(支护结构、被动区)→灌注桩施工→坑顶排水系统及护栏施工→基坑土方第一层开挖→桩顶冠梁和压顶板施工→土方开挖至坑底→坑底排水系统施工。

基坑主要支护形式施工流程:

搅拌桩施工流程:桩机(安装、调试)就位→预搅下沉→制备水泥浆→提升喷浆搅拌→重复搅拌下沉和喷浆提升→移位,重复以上步骤,进行下一根桩的施工→清洗。

双排桩施工流程:桩位复核、旋挖桩机就位→制备泥浆→旋挖成孔→清渣→钢筋笼制安→安放导管→浇灌混凝土→冠梁、连梁施工。

现场基坑开挖情况详见图6

基坑施工现场图

图6、基坑施工现场图


六、基坑监测要点及实测资料

由于岩土性质的复杂多变及计算模型的局限性。很多情况下会出现计算结果与实测数据存在较大差异的情况。通过计算过程来模拟基坑支护结构和周围土体的变化情况显然是不现实的,施工过程中一旦出现异常,其产生的破坏影响是不堪设想的。因此,为了保证基坑施工的顺利进行需要对施工过程进行全程动态监测。通过监测可以及时的掌握基坑支护结构的变化情况及其基坑开挖对周边环境产生的影响,避免造成事故的发生。为此根据《建筑基坑工程监测技术规范》GB50497-2009,本基坑设置了如下几个监测项目:(一)基坑支护结构的水平位移和竖向侧移的监测;(二)坑外水位变化监测;(三)周边建筑物及道路地面的沉降和变形监则。具体布置见图2。

按照基坑所设置的监测项目,对基坑开挖过程中进行跟踪监测,基坑开挖至基坑底测得的基坑最大变形值见表2:

基坑实测最大变形值


七、 结论

(一)本基坑地质条件极差,淤泥深厚。基坑侧壁进行被动区加固,坑内采用格栅式满堂加固能够有效的提高土体的抗压强度和土体的侧向抗力,减少土体压缩以及围护结构向坑内的位移,减少基坑开挖对环境的不利影响。

(二)对于软弱土层较厚的基坑,常规的锚拉式和支挡式支护形式很难适用,其风险很高。综合对比双排桩而言,这两种支护形式其工程造价及工期远远大于双排桩。

(三)基坑开挖深度不深,淤泥深厚的基坑。采用重力式挡墙支护形式时,搅拌桩无须全部穿过软弱土层和砂层进入稳定的岩层,只须将重力式挡土墙两侧各伸出两个“腿”下来,进入稳定的岩层即可。一方面满足了防止重力式挡土墙出现倾覆破坏和滑移破坏,另一方面可以有效的节约造价。



稿源:广州市筑智建筑科技有限公司

作者:陈志平

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