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试论某深坑工程支护优化设计与监测

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  【摘要】利用某深基坑工程的水文地质条件,对该基坑进行支护方案选型优化、结构设计优化、截水止水方案优化,尤其是详细考察了该基坑变形的过程,通过对监测数据的分析、处理,掌握与预测支护结构和周围环境的动态变化,调整相应的开挖、降水、支护参数,做到信息化施工,达到优化目的。
中国论文网 http://www.xzbu.com/2/view-656492.htm
  【关键词】深基坑支护设计;基坑开挖;基坑降水;基坑监测
  
  1 工程概述
  某拟建大厦为地上32层商住楼及地下室2层组成,总高度为地上99.8m。基坑周边总长约194.0m,面积为56×35m2,自然地面相对标高为-0.30m,地下水位标高为-3.8m,基坑开挖深度相对标高为-9.5m,即基坑开挖深度为9.2m。基坑西侧为小区道路并分布多条管线,12m外为高层建筑(设有二层地下室);距基坑南侧10m为多层建筑物;距基坑东侧13m处为小区9层住宅楼;基坑北侧无建筑,可见本基坑周边环境要求严格。
  本工程场区内与基坑支护相关的地层自上而下可划分为:(1)人工填土层:主要由粘性土组成,结构松散,揭露厚度为1.8~2.4m;(2)海、陆相沉积地层:依土类及特征不同划分为3个亚层。①淤泥(质)土层:呈饱和流塑~软塑状态,场地内均有分布,揭露厚度 1.7m左右。②粉细砂层:结构松散、饱和,场地内均有分布,揭露厚度 3.0~5.0m。③细中砂层:场地内均有分布,呈中密或稍密状态,揭露厚度3.0~5.0m,层底埋深均在1l.0m左右。由于受珠江河床的摆动冲刷,在场区内砂层与下覆泥质粉砂岩的强风化层不整合接触;(3)泥质粉砂岩强风化岩:遇水软化,半岩半土状,所有钻孔均有揭露,揭露厚度3.0~5.0m;(4)泥质粉砂岩中风化岩:该层与上部强风化岩界线不甚清楚,呈渐变关系,揭露厚度5.0~18.0m。
  2 基坑支护结构的优化设计
  2.1 基坑支护结构的设计优化方案
  2.1.1 优化方案的一般要求
  一个优化的基坑支护方案应该满足3个要求[1,2]:保证基坑本身和周边环境是安全的;支护方案是经济合理的;基坑施工是方便可行的。从本基坑的地层结构、基坑本身特点和周边环境分析属I级基坑安全等级,因此在进行支护方案的选型时应根据各边不同的特点进行优化。由于基坑周边没有足够的空间,基坑开挖深度内普遍分布较厚淤泥和砂层,含水量大,故采用放坡方案是不可取的;重力式挡墙方案和土钉喷锚支护方案都属于柔性支护结构,适用于较好的地层和较浅的基坑,且允许基坑顶面有一定量的水平位移和地面沉降发生,但本基坑的深度大,且对变形的控制严格,钉锚施工对坑外建筑物和道路影响较大,对基坑止水不利,因此不能采用。当基坑开挖深度大,地层性质差,地下水丰富且周边环境要求严格时常采用刚性支护方案,排桩(人工挖孔桩和钻孔桩)和地下连续墙都是刚性支护方案。由于本基坑含有较厚的淤泥和含水砂层,人工挖孔桩施工困难且施工降水对周边影响大,此时一般采用钻孔桩排桩。
  2.1.2 本工程采取的优化方案
  该基坑支护工程采用钻孔灌注排桩与内侧设置一层钢筋混凝土内支撑的支护方案,桩长12.3-14.3m。钢筋混凝土水平内支撑的标高为-4.0m,主对撑L3截面1000×800,角撑L2截面800×800,主对撑两头的“八”字角撑Ll截面600×800。本方案中主要的优化设计有:(1)将压顶梁由地面标高下落到地面下1.2m处,有效的减少了支护桩的长度;(2)对于超过9m深且地质条件差、地下水丰富、周边环境保护严格的基坑采用锚拉结构平衡水土压力不妥当,不仅施工困难且容易涌水流砂造成环境破坏,设置内支撑则对变形控制有把握,传力直接可靠;(3)本基坑的水土压力大,对支撑的刚度和强度要求大,钢结构支撑不能满足要求且受温度影响也大,因此采用钢筋混凝土支撑;(4)将内支撑的高度和位置进行了优化调整,下落到地面下4m的位置,不仅减少了支撑的道数且减小了支护桩的总弯矩,减少了配筋量;(5)对撑、“八”字撑和角撑同用,减少了支撑数量,增大了施工出土空间。
  2.2 深基坑支护截水止水优化设计
  本工程的周边环境要求严格,地质条件差,淤泥和砂层厚,地下水位高且受珠江潮汐影响,水量大,开挖深度大,因此基坑降水是绝对不允许的,为此只能采用截水止水方法。止水方案除应对地层结构、地下水位、地下水量及其动态条件要清楚外,还要与主体挡土支护结构相匹配,不然将达不到预期目的。目前常用的基坑止水方法主要有旋喷桩法、摆喷墙法、深层搅拌桩法及注浆法等。现对以上主要的方法作如下分析。
  2.2.1 旋喷桩相互搭接止水帷幕:对于稳定的不流动地下水止水效果较好,对于软土层还能进行土性改良,减少主动土压力。但是造价较高,如果挡土支护为桩体,则由于结构强度和刚度均较高,采用此法就不经济;对于受动态水影响的粉土或砂土,浆液流动稀释不能凝固,使止水效果大打折扣,甚至不佳,但不受地层强弱的限制,尤其对于软(松散砂层)、硬(岩层)的界面强止水有其优势。
  2.2.2 摆[定]喷墙的止水帷幕如果施工质量好,相互搭接成幕止水效果较好。但因摆喷墙在最薄处只15―20cm,当基坑发生水平位移或帷幕两侧水位差较大时,容易将其折断开裂,从而造成漏水和流砂,对变形较为敏感。当然其质量效果同样受地下动态水的影响,经济费用相对较低。
  2.2.3 深层搅拌桩止水法。利用单排或双排相互搭接的深层搅拌桩深入到软土层和砂层下的不透水层,一般止水效果较好,费用也不高,施工速度快。由于深层搅拌桩桩体具有一定强度,并可改良主动区的土质结构,减少主动土压力。但因施工机械的能量限定对于N>14击的土层不宜采用。
  综合考虑上述方法的优缺点,因此本基坑采用在钻孔桩外设置深层水泥搅拌桩的强止水帷幕方案,利用顶部的桩体强度挡住压顶梁下落后的上部土体,但在底部因存在砂层与岩层不整合接触界面而使搅拌机械不能穿过,而水压力最大,因此对于砂与岩的界面又采用了相关的止水措施。在基坑排水方面,要求土方开挖前通过降水井降低坑内地下水位。
  3 基坑施工监测探讨
  为保证基坑和周边建筑物的安全,做到信息化施工,基坑开挖期间,通过基坑监测,随时掌握其变化情况,控制开挖的深度和进度。该工程设置的监测项目有深层土体位移监测(在坑后土体中共设置测斜管4根);基坑顶外地面沉降及坑顶水平位移观测(6个点);水位观测(8个孔);道路沉降观测(5个点);周边建筑物沉降观测(10个点),各测点平面布置如图1所示。
  
  图1 基坑支护平面和监测点布置图
  对于深层土体水平位移来说,从测试结果可以发现,基坑外侧地基的水平位移随着开挖的进行,增大较为显著。即使在开挖到底进行底板钢筋绑扎期间,水平位移也有所增长,但水平位移变化最大时是在土方的开挖期间,这可从图1看出;从沿基坑四周的分布来看,由于周围环境和地质条件不同,四边的水平位移并不均匀,南侧、西侧、东侧相对较大,其中南侧的Xl号测斜管最大位
  移量达到25.8mm(如图2所示),西侧X4号测斜管最大位移量达到21.3mm,东侧X2号测斜管最大位移量达到19.2mm;而环境相对宽松的北侧基坑水平位移相对较小,X3号测斜管最大位移量仅为8.7mm。从最大位移量来看,最大侧向变形值一般控制在(0.002-0.003)H(H为基坑深度)之间,因为本工程周边环境要求严格,不允许出现大的位移,说明本基坑支护设计优化合理,符合刚性支护桩对I级基坑变形的控制要求。
  
  图2基坑外侧地基的水平位移变化曲线
  4 结语
  本工程场地是以淤泥、含砂层为主的地层结构,地下水含量丰富,水位埋深较浅,且场地周边狭窄对变形控制严格,通过对支护结构的优化,采用“钻孔灌注桩排桩+搅拌桩和旋喷桩止水帷幕+一道钢筋混凝土内支撑”的围护结构方案,通过施工监测结果可知,该方案有效地控制了基坑的整体位移,使周边环境的道路和建筑物得到保护,达到了预期的效果。
  
  参考文献:
  [1]张莲花.沉降变形控制的基坑降水.最优化方法及应用.岩土工程学报,27(10):1171―1174.
  [2]林本海.深基坑支护优化设计与应用.岩土工程师.2000,12(4)1-18.
  
  


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