[分享]复杂环境条件下高水位地区深基坑变形控制设计探讨

发表于2017-09-17    1235人浏览    0人跟帖    总热度:156  

1.概述
       本文所说的复杂环境条件是指在小于0.5H(H:指基坑深度)内有建(构)筑物、道路、管线等需要采取工程措施加以保护。所说的高水位地区是指地下水位在基坑深度以上,需要采取降水或止水措施以确保基坑挖土、基础施工的安全和正常进行。根据龚晓楠教授[1],目前对基坑工程的设计方法有两种:(1)基坑工程稳定控制设计:当基坑周围空旷允许基坑周围土体产生较大变形时,基坑围护体系满足稳定性要求即可;(2)基坑工程变形控制设计:当基坑紧邻市政道路、管线、周围建构筑物,不允许基坑周围地基土体产生较大的变形时,基坑围护设计应按变形控制设计。它不仅要求基坑围护体系满足稳定性要求,还要求基坑围护体系的变形小于某一控制值。按变形控制设计不是愈小愈好,也不易统一规定。龚晓楠教授[1]又提出,现有规范、规程、手册及设计软件均未能从理论高度加以区分。我国已有条件推广根据基坑周边环境条件采用按稳定控制设计还是按变形控制设计的设计理念。
       就笔者目前接触到的有限资料,最早提出基坑工程按变形控制设计的设计理念见于1996年8月同济大学出版社由侯学渊、杨敏主编的《软土地基变形控制设计理论和工程实践》[2]中侯学渊、刘国彬撰写的的《软土基坑支护结构的变形控制设计》一文。此后,1996年孙家乐[3],1999年熊巨华[4],1999年俞建霖[5],2002年刘兴旺[6],2003年刘红军、吕三和[7],2008年王文东[8]分别从不同方面就自己的研究领域针对“基坑变形控制设计”这一设计理念进行论述,受益匪浅,也深受启发。以下愿意就该问题发表自己的一点看法,供同行参考。
       什么叫基坑工程变形控制设计?查阅有关文献,仁者见仁,智者见智。笔者试做如下解释:所谓变形控制设计是指在充分了解周边环境的前提下,综合考虑基坑深度、地质条件(含地下水条件)和环境条件、气象条件、场地红线条件的基础上,对基坑支护结构及可能影响的周边环境进行变形验(估)算,在支护结构体满足强度及稳定的前提下,控制位移在环境允许的范围内,合理确定其变形控制量,并进行支护方案的选择和优化,并选择合理的变形控制技术(措施)。在方案实施过程中实行动态设计,以确保基坑变形对周围道路、地下管线、建(构筑)不会产生不良影响,不会影响其正常使用为目的。这一设计理念就叫基坑工程变形控制设计。
基于此,要做好基坑工程的变形控制设计应包括以下内容但不限于以下内容:
       (1)明确周边环境(建、构筑物、道路、地下管线)的位移变形量(包括变形速率);((2)做好基坑工程的概念设计,对支护方案进行比选,在正确选型的基础上对支护结构进行优化设计(如对支护桩嵌固深度、刚度的调整 拉锚采用扩大头锚杆调整位置、调整预应力以控制变形等);(3)对支护结构和保护对象进行变形预测分析和估算,必要时调整、补充或优化设计;(4)选择合理的止水帷幕,并控制施工质量防止基坑发生大的涌砂事故,以控制基坑变形;(5)设计合理的土方开挖方案以控制基坑的不正常变形;(6)科学、全面监测、分析,随施工过程及反馈信息及时调整设计方案,实行动态设计,当变形过大时采用跟踪双液注浆等;(7)有效的变形控制技术及应急措施。
2.深基坑变形控制设计的主要内容
2.1明确基坑工程及周边环境的位移变形量(包括变形速率)
       2009年3月,随着文献[9]的发布,我国第一次以国标的形式对基坑支护结构及周边环境的保护对象就监测项目、监测点布置、监测方法及精度要求、检测频率、监测报警、数据处理及反馈等进行了系统的要求和规定。对支护结构的报警值按照支护结构类型和基坑等级分别从累计值、变化速率和相对基坑深度控制值三方面取其小值确定对基坑周边保护对象从累计值和变化速率两方面控制,具体详见文献[9]第8.0.4和8.0.5条。
2.2进行基坑工程概念设计,做好支护方案比选。在选择合理的支护类型基础上进行方案优化。
1、根据文献[8],将主体工程与支护结构相结合的设计方法,已在上海地区几十项深大基坑中得到广泛应用,该方法可以有效控制基坑变形,有效保护周边环境,效果较好。
2、根据文献[11]在复杂环境条件下高水位地区深基坑支护方案选型中,郑州地区多采用刚度较好的单一的桩锚支护体系或联合支护体系(即上部土钉下部桩锚支护体系)当然也有别的支护体系,这里不一一列举。在此基础上再进行细部的优化设计。即所谓先进行概念设计,进行方案比选,再进行优化设计如:           (1)增大排桩断面,增大支撑刚度或增大排桩的嵌固深度;(2)改变支撑锚杆的位置及刚度、预应力设置;(3)采用新工艺,如桩锚支护结构中的锚杆由普通的预应力锚杆(索)调整为扩大头锚杆,以增加抗拨力,有效控制基坑变形。
以下试以郑州东区某深基坑采用扩大头锚杆为例说明优化设计的重要性及效果
       该基坑挖深11.0m,基坑的西侧、南侧紧邻城市主干道,距离近7-8m基坑影响范围内的土层:0-7.0 m黄色稍密粉土;7-19.0m为灰色可塑粉质粘土夹灰色稍密粉土。19.0-29.0m为中密到密实细砂。地下水位5.5m。
(1)在方案比选专家论证的基础上确定在基坑南侧、西侧采用双排水泥土搅拌桩截水方案,支护方案采用联合支护法即上部5.0m土钉墙,下部采用桩锚支护。在总体方案定下后对方案进行优化,最终确定:其中的桩为CFG后插筋钻孔灌注桩,非普通的钻孔灌注桩,采用不均匀配筋;其中的锚杆非普通的预应力锚杆,锚杆采用LXK工法提倡的扩大头锚杆。具体详细参数见表  及图  
上部土钉墙坡度信息:
上部土钉墙坡度信息
止水帷幕(水泥土搅拌桩)设计有关参数
止水帷幕(水泥土搅拌桩)设计有关参数
下部护坡桩设计有关参数
下部护坡桩设计有关参数
       桩顶冠梁设计有关参数:截面积600×600,浇注砼C25,配筋6Φ18箍筋Φ8@200、加强筋Φ12@2000。锚桩连梁:2×22#槽钢。楔型垫板:250×250钢板厚25mm。锚具、夹片:OVM15系列。
预应力锚桩设计有关参数
预应力锚桩设计有关参数
对锚桩其他设计要求:
①锚桩施加预应力:
锚桩类型                  施加预应力(KN)
第一排                     200KN
第二排                     180KN
锚桩施工:普通42.5#纯水泥浆,水灰比1~0.75:1,泵压力值为1.2-2.4Mpa,注浆总量不少于100kg/m。
计算的支护结构安全系数
计算的支护结构安全系数
       在基坑桩顶共布置6个水平位移监测点,路面共布置6个沉降监测点。实测结果表明,桩顶水平位移在5.6-12.0mm(而预估的桩顶水平位移为21.5mm),桩顶最大水平位移相当于基坑深度0.11%H。对应的路面沉降在2.9—6.8mm。根据郑州东区类似地层类似深度类似支护型式的基坑变形调查,其桩顶最大水平位移多在18.5—39.0mm,相当于基坑深度的0.22—0.38%H。根据吴铭炳[11],福州市24项基坑工程111根桩身变形测试成果统计资料:①桩撑方案的桩身位移:2.2-70mm,平均30.0mm;②钢管支撑方案27.8—88.7mm,平均60.2mm;③竖向斜支撑31.3—118.8mm,平均76.0mm;土锚支护桩身最大位移:45—110.2mm,平均79.0mm。上述工程土质接近,基本反映了支护结构本身对位移的控制作用。也反映了排桩位移主要受支护结构本身刚度控制。只是论文没有给出基坑深度与桩身位移的关系。当然其中也反映了施工质量不同对桩身位移的影响。
       根据徐中华[12]对上海地区80个采用钻孔灌注桩围护结构的实测数据,所有基坑的最大侧移随基坑深度的增加而增大,基本介于0.1%H—1.0%H,平均0.44%H。
当然郑州东区的土质与上海、福州相比要好的多,三地采用的支护方案也有不同程度的差异,且也有施工质量的因素影响等等。但从上述三地的大致对比,可以看出,在总体方案确定后进一步优化设计方案对控制基坑位移影响显著。
2.4选择合理的止水帷幕,并控制施工质量防止基坑发生大的涌砂事故,以控制基坑变形。
       对基坑工程中可能遇到的各类水包括地表示水、地下水、管线回水、上层滞水的控制(止水和降水),如采用帷幕桩止水,除应选择合理的止水帷幕外,还应注意施工工艺的选择,防止基坑涌砂。因基坑一旦涌砂,将造成基坑支护体及邻近建(构)筑物发生大的变形。显然基坑发生管涌或涌砂已经接近基坑事故的范畴。据对郑州东区深基坑统计资料,在复杂环境条件下高水位地区深基坑有60-70%发生基坑管涌或涌砂事故,从某种程度上说,基坑发生管涌或涌砂几乎是不可避免的因此造成对基坑支护体及邻近建(构)筑物发生大的变形也无法预测。根据文献[11],基坑发生涌砂对支护体变形影响较大。采用单排水泥土搅拌桩作止水帷幕,一旦止水帷幕搭接不好或搅拌质量不均匀,极易出现涌砂事故,即使时间较短,支护体位移将有较大突变,一般数小时内可增加10-20mm。在本工程中,涌砂部位的支护体变形量比没有发生涌砂部位的支护体变形量多20mm,占支护体正常位移量(约30mm)的70%。因此,在软土地区设置单排水泥土搅拌桩应慎重分析后确定,特别是离建筑物较近时。否则,若基坑发生涌砂极易导致建筑物发生过的的不均匀沉降甚至拉裂。
2.3进行变形预测分析和估算
       基坑工程是支护、降水、基坑开挖的系统工程,因此,对周围环境的影响可分为:(1)支护结构施工及本身变形对周围环境的影响;(2)长时间大幅度基坑降水对周围环境的影响;(3)基坑开挖或超挖对周围环境的影响。
2.3.1支护结构施工及结构本身变形对周围环境的影响。
       1对支护桩的施工对周围环境的影响应从采取合适的工程措施上解决。如郑州东区护坡桩采用钻孔灌注桩时,多采取套打、优质泥浆护壁、提高成孔质量,防止孔壁坍塌,尽量减少对基坑周边土体的影响。
       2对支护体本身变形导致的对周围环境的影响评估
       目前的国家规范及有关基坑支护软件可近似计算或估算出支护体本身的变形。这里不再赘述。但对于支护结构的变形引起基坑边缘地面沉降和是否引起坑底隆起,在不同的文献中往往仁者见仁[13]。有的学者主张将支护结构变形与地面沉降和坑底隆起结合起来综合考虑,认为支护结构变形对坑底隆起有明显影响;有的学者主张应该将坑底隆起与支护结构变形分开考虑。一般认为,将坑底隆起单独考虑,而把支护结构变形与地面沉降结合起来考虑,至少可以简化计算模式,更便于计(估算)算。现在一般认为,典型的地表沉降曲线有三角形曲线和正态分布曲线。在工程实践中,地面沉降多以正态分布曲线出现较多,具体计算可参考文献[13]或其它文献。
2.3.2长时间大幅度基坑敞开降水对周围环境的影响
       长时间大幅度基坑敞开降水形成以基坑为中心辐射一定范围的漏斗状的弯曲水面,即所谓降水漏斗曲线。理论、经验和监测结果反分析历来是岩土工程得以发展的必经之路。要准确评估降水引起的地面沉降难度很大。从理论上说,对基坑敞开降水对周围环境的影响通常按照分层总和法对欠固结的粉土层、粘土层进行沉降量估算,公式为:
图片未命名
式中S:计算的粉土层、粘土层沉降量(mm);
α:压缩系数;
e0:土层原始孔隙比 ;
H:计算土层厚度(m);
ΔP:由于地下水位下降施加于土层上的平均荷载(kPa);
根据多年设计经验,要准确分析敞开降水对基坑周围地面及建构筑物的影响一般应注意以下问题:
       (1)地面沉降与场地及附近地段的降水历史有关。如该地段的降水幅度不超过场地及其附近历史降水的幅度,引起的地面沉降会很小。(2)受影响地段的地质条件:若该地段软土很厚,则其沉降一般会很大;(3)受影响范围内建构筑物的基础选型。不同的建构筑物因选用的基础型式不同,抗变形的能力不同,在同一场地,受降水影响也不同。显然,同样采用天然地基,筏板基础就比独立基础和条形基础的刚度大。(4)根据文献[14],对降水引起的地面沉降,认为主要与降水幅度有关。建议将降水幅度分为微小影响带:指水位降幅小于3-4m,一般属于水位常年变动带。位于该地段的建筑物,其受降水影响就比较小;敏感影响带指水位降幅小于6-10m;剧烈影响带:指水位降幅大于10m的范围。笔者认为如此区分可以定性的分析降水对环境的影响,不失为一种参考方法。
(5)采用理论计算与实测结果综合分析,往往可互相印证。
       笔者曾经在郑州东区某深基坑降水方案选择中采用理论公式计算与现场监测结果对比分析,详见文献[15],得到初步印证。在郑州东区深基坑敞开降水时,当基坑周围地下水位下降1m,会使上部软土产生固结沉降约1.5-2.5mm(因每个地段所经历的降水历史不同,所在场地的地质条件的差异,因此即使实测,所观测到的地面沉降数据也有很大差别)。
2.3.3基坑开挖或超挖对周围环境的影响
       基坑开挖或超挖对周围环境的影响无法进行理论计算,可从采取工程措施上尽量避免因基坑开挖或超挖可能对周围环境造成的影响。具体详见2.5节。
2.5设计合理的土方开挖方案并认真实施,以避免基坑的不正常变形。
       国家、行业的有关规范对土方开挖的要求许多以强制性条文出现,如文献[16]基坑工程一节第7.1.3条:土方开挖的顺序、方法必须与设计工况相一致,并遵循“开槽支撑,先撑后挖,分层开挖,严禁超挖”的原则。第7.1.3条(Q):基坑(槽)、管沟土方工程验收必须确保支护结构安全和周围环境安全为前提。文献[17]第9.1.6条(Q)基坑土方开挖,应严格按照设计要求进行,不得超挖。基坑周边堆载,不得超过设计荷载限制条件。文献[18]第15章中对基坑开挖的要求达21条:① 确定基坑开挖方案及开挖方案内容:主要是分层开挖深度和开挖顺序;②“分层开挖,先撑后挖”、“分层、分区、分块、分段、抽槽(条)开挖、留土护壁(预留土墩).、快挖快撑等”;③基坑施工过程中应随时注意气候因素(降雨、降温)。另外,文献[19]在第6.2节开挖中有4条针对挖土提出要求。
       大量工程经验表明:设计不当、施工质量低下及超挖、水的因素造成基坑事故的比例占到70-80%。可见,设计设计合理的土方开挖的必要性,尤其对土钉墙结构及高水位软土地区,显得特别重要。
2.6科学、全面监测,分析,实行动态设计。
       深基坑工程是土体与围护结构相互作用,牵扯到支护桩施工、上部结构施工、挖土、降水等多工种多因素。
       这里笔者举例以说明,在监测过程中,发现临近建筑物发生过大的不均匀沉降,适时调整设计实行动态设计的情况。
       以郑州东区某基坑北侧为例。基坑深度为自然地坪向下约5.70m。拟建工程基坑周边环境较差,东北侧已建5层办公楼距基坑开挖线为3.20m,西北侧食堂距基坑开挖线为3.20m。
       地质条件简述:按其成因类型、岩性及工程地质特性现将在基坑支护和降水影响范围内的工程地质单元层的物理力学性质指标统计如下:
各土层物理力学性质指标表  
各土层物理力学性质指标表
拟建场地潜水地下水位埋深1.30m。
       支护降水方案选择:采用桩锚支护+水泥土搅拌桩止水帷幕:(1)单排水泥土搅拌桩墙止水帷幕(500mm后,咬合150mm,桩底标高建筑标高-14.20m,空喷1.00m)。北侧5层办公楼地段设置预应力管桩一排,桩顶标高1.00m,桩间距1.60m,桩径0.50m,长度20.00m,采用PHC-AB500(100)-15+PHC-AB500(100)-5组合而成;(2)设置预应力锚杆一排,其标高为建筑标高-2.60m,水平间距为1.60m,自由段长度为5.00m,锚固段长度分别为13.00m,施加60.00kN的预应力。(3)采用12#槽钢梁将锚头联接;桩顶做700×500mm的钢筋砼压顶梁一道。
图片未命名
2.7有效的变形控制技术及措施
主要应包括以下内容:
1在选定的支护方案基础上对方案进行优化,如
2采用钢管注浆、深层搅拌桩、旋喷等工艺加固基坑内被动区。
3制定合理的土方开挖方案,缩短基坑无支撑暴露时间,削掉基坑阳角控制挖方;间隔抽条开挖等。
4超前注浆及跟踪注浆。详见2.4和2.5有关内容。
5一旦发生基坑涌砂,采取有效的应急措施以控制基坑及周边的变形。
6控制动载,限制堆载。
这里举例以说明采取有效的变形控制技术(如超前注浆),控制邻近建筑物过大变形的问题。
位于郑州东部的某深基坑,坑深9.5m,东侧约4.5m 为4F建筑物及18F及高层建筑,4F建筑物为后期非法建筑,砖基础,埋深约1.0m,现场调查屋顶已有与裂缝宽约12cm。
地质条件:10.4m以上为粉土,10.4-31.2m为粉砂,以下为粉质粘土。 地下水位6.0。
基坑东侧采用复合土钉墙(土钉墙加预应力锚杆加竖向微型桩方案)对东侧的建筑物设计三排钢管双液注浆,见下图。
东侧剖面图
       项目开始于2007年3月—5月,超前注浆实施后,对该4F 建筑物顶部实测,顶部裂缝没有进一步扩大,更没有发生担心的4层建筑物可能倒塌的问题。土钉墙墙顶位移仅4-9mm。效果良好。
参考文献:
[1] 龚晓楠主编.《基坑工程实例(2)[M].北京:中国建筑工业出版社,2008:4--11.
[2] 侯学渊、杨敏主编.《软土地基变形控制设计理论和工程实践》[M].上海:同济大学出版社,1996年8月.
[3] 孙家乐等.深基坑支护结构体系变形控制设计.见侯学渊、杨敏主编.《软土地基变形控制设计理论和工程实践》[M].上海:同济大学出版社,1996.8月,138-145.
[4] 熊巨华. 同济大学博士论文.《软土地区围护结构变形控制设计》[R].1999年7月.
[5] 俞建霖,龚晓楠.基坑工程变形形状研究。岩土工程学报,1999,4.
[6] 刘兴旺,吴世明.软土地区基坑开挖变形形状研究。土木工程学报,2002,8.35(4).
[7] 刘红军 吕三和.中国海洋大学硕士论文.《深基坑支护变形控制设计与研究》[R]. 2003.6.
[8] 王文东 李进军 徐中华.敏感环境条件下深基坑工程的设计方法[J].岩土工程学报,2008增刊:349-354.
[9]王荣彦,孙芳.某复合土钉墙支护体变形原因分析.土工基础2007.7或8.
[10]王荣彦.郑州东区基坑支护型式探讨.探矿工程2006.12.
[11] 吴铭炳.《软土基坑排桩支护研究》[J].工程勘察,2001, 4 :15-17.
[12] 徐中华,王建华,王卫东.软土地区采用灌注桩围护的深基坑变形形状研究[J].岩土力学,2009,30(5).
[9] 刘俊岩,应惠清,孔令伟等. 建筑基坑工程监测技术规范(GB50497-2009).北京:中国计划出版社. 2009.8第一版.
[13] 马秉务,姚爱国.基坑边缘地面沉降计算方法分析[J].西部探矿工程,2004,1.
[12] 刘国彬,王文东主编.《基坑工程手册(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2009.11:1058-1107.
[14] 宋榜慈,李受祉.武汉地区工程中的地下水问题及其处理对策.[J].工程勘察,2004,5.
[15] 王荣彦。郑州东区某软土基坑降水排水方案的比较与选择.第七届全国工程排水与加固技术研讨会论文集. 中国水利水电出版社2008,10.
[16]《建筑地基基础工程施工验收规范》(GB50202--2002)
[17]建筑地基基础设计规范》(GB50007-2001)
[18]《建筑基坑工程技术规程》(YB9258--97)
[19]《土钉支护技术规程》(CECS90:22)
土钉规范:第6.2.1条:土钉支护应按设计规定的分层开挖深度按作业顺序施工在完成上层作业面的土钉与喷混凝土以前不得进行下一层深度的开挖当基坑面积较大时允许在距离四周边坡的基坑中部自由开挖但应注意与分层作业区的开挖相协调。
第6.2.2条 当用机械进行土方作业时严禁边壁出现超挖或造成边壁土体松动。基坑的边壁宜采用小型机具或铲锹进行切削清坡,以保证边坡平整并符合设计规定的坡度。
第6.2.3条:支护分层开挖深度和施工的作业顺序应保证修整后的裸露边坡能在规定的时间内保持自立并在限定的时间内完成支护即及时设置土钉或喷射混凝土基坑在水平方向的开挖也应分段进行,可取10-20m。应尽量缩短边壁土体的裸露时间对于自稳能力差的土体如高含水量的粘性土和无天然粘结力的砂土应立即进行支护。
第6.2.4条:为防止基坑边坡的裸露土体发生坍陷对于易塌的土体可采用以下措施:①对修整后的边壁立即喷上一层薄的砂浆或混凝土待凝结后再进行钻孔②在作业面上先构筑钢筋网喷混凝土面层而后进行钻孔并设置土钉;
③在水平方向上分小段间隔开挖;
④先将作业深度上的边壁做成斜坡待钻孔并设置土钉后再清坡;
⑤在开挖前,沿开挖面垂直击入钢筋或钢管或注浆加固土体。
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