高水位弱透水層深基坑降水與支護(hù)365JT技術(shù)探討 


摘 要：本文針對蘭州化工廠306循環(huán)水改造軟弱地基的高水位、弱透水性，在深基坑降水圍護(hù)開挖方面結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行了一些探索。
關(guān)鍵詞：基坑 井點(diǎn) 降水
1．引言
近20年是我國高層建筑的發(fā)展高峰期，多數(shù)高層建筑都有一至三層地下室，基坑工程成為中要組成部分，深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和降水方案的365JT設(shè)計(jì)與365JT施工直接關(guān)系到工程成本和工期，關(guān)系到能否保證形成地下施工空間及施工安全，順利保證基坑空間內(nèi)地基及樁基的安全，保證空間外圍安全。但巖土工程還是不夠成熟的一門技術(shù)，經(jīng)典理論都在某些簡化假定的前提下確定的，具有一定的局限性，一些權(quán)威專著規(guī)定的應(yīng)用條件及采用的系數(shù)不盡合理，無法正確指導(dǎo)實(shí)際施工需要，我們結(jié)合中鐵十八局職工培訓(xùn)中心工程基坑施工，考慮各種施工荷載及相關(guān)因素，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行深入研究分析，對建筑施工手冊，地基與基礎(chǔ)等專著中規(guī)定界限有較大的突破，成功的在高水位，弱透水性深基坑降水圍護(hù)進(jìn)行應(yīng)用，以最低的投入取得很好的實(shí)際效果.
二.工程概況
蘭州化工廠306循環(huán)水改造位于蘭州市西固區(qū)，主要包括半地下式泵房、地下式水池、冷卻塔和變配電三層樓房等。其中，地下水池部分槽地標(biāo)高-0.8m，挖深5.45m，其地層為第四系全新統(tǒng)及更新統(tǒng)地層屬軟弱場地土，地下水位埋深1m左右，土層分述如下:
1. 素填土:以粘性黃土為主，含有少量磚渣，厚度為2.5m，強(qiáng)度低且不均勻。
2. 粉制黏土:灰黃色，飽和，可塑狀態(tài)，大量銹染，頂部少量黑褐色粉制黏土，土質(zhì)不均夾灰色軟芯.厚度為3.26m，土層底板埋深5.12m左右。
3. 粉制黏土:灰色，飽和，軟塑狀態(tài)，有較多銹染，夾有機(jī)物厚度為4.57m，土層底板埋深9.69m左右。
4. .粉土:灰色，飽和，中密狀態(tài)，土質(zhì)不均，夾黏土斑，本土層厚度為7.5m，底板埋深12.5m。
基坑施工必須采取邊坡支護(hù)及降水，特別是主樓東西兩側(cè)是附樓施工的主要通道.由于場地的狹窄，無法放坡大開挖，更需重點(diǎn)加強(qiáng)。
三.支護(hù)及降水設(shè)計(jì)
(一) 地質(zhì)報(bào)告建議支護(hù)方式
經(jīng)天津市地址工程勘察院研究和計(jì)算，建議基坑開挖時(shí)，采用砼灌注樁長度12.5m.
1. 基坑邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)
根據(jù)擬建物基坑開挖深度H=5.0m，假設(shè)護(hù)坡樁總長度為11.0m.按規(guī)定的統(tǒng)計(jì)方法及地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，對11.0m范圍內(nèi)土層的C，φ值及容重r值進(jìn)行厚度加權(quán)平均值計(jì)算，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果見下表.
埋深(米) C (Kpa) Ф (0) R (KN／m3)
0.0----11.0 10.84 19.20 19.40
5.0----11.0 10,.52 14.40 19.42
根據(jù)朗金土壓力理論，護(hù)坡樁所受土壓力如圖所示



其主動(dòng)土壓力參數(shù):
Ka=tg2(450-Ф／2)=0.51
被動(dòng)土壓力參數(shù):
Kp=tg2(450+Ф／2)=1.66
臨界深度:
Z0=2Cr(Ka)1/2
單寬主動(dòng)土壓力為:
Ea=1/2r(H+t)2Ka-2C(H+t)Ka1/2+2C/r
=442.2(KN/m)
單寬被動(dòng)土壓力為:Ep=Ep1+Ep2=1/2rt2KP+2C(H+t)Kp1/2
=884.25(KN/m)
現(xiàn)將主動(dòng)土壓力Ea，被動(dòng)土壓力Ep分別對樁端e點(diǎn)取矩，要求被動(dòng)土壓力Ep對e點(diǎn)產(chǎn)生的力矩安全系數(shù)K=1.5，則Ea，Ep對e點(diǎn)取矩的平衡條件為:
1/3(H+t-Z0)Ea=1/K(1/3tEp1+1/2tEp2)
經(jīng)計(jì)算得t=6.21(m)
則:L=H+t=5.0+6.21=11.21(m)
經(jīng)計(jì)算求得t=6.25m，護(hù)坡樁實(shí)際入土深度一般要比計(jì)算值增加20%則護(hù)坡樁長度:L=H+1.2t≈12.5(m)
2. 基坑開挖施工及降水
根據(jù)勘察結(jié)果，基坑開挖后，基坑下為粉土，為確保基坑不受擾動(dòng)，并保證干場作業(yè)，需做好降水工作，建議采用砼樁圍護(hù)，樁長12.5m.本場地地下水位埋深約1.0m，水位降幅較大，根據(jù)場地條件及地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，建議采用井點(diǎn)降水方案，且先降水，后開挖，以保證干場作業(yè).
3. 基坑開挖砼樁圍護(hù)方案工程造價(jià)為256萬元.
(二).現(xiàn)場支護(hù)方案選擇.
為了采用最簡單便捷的方法，最少的投入形成安全，穩(wěn)定的空間，使地下結(jié)構(gòu)的施工得以順利完成，我們選擇了土層錨桿，砼灌注樁壁(結(jié)合支護(hù)壁)，鋼板樁，水泥深層攪拌樁等幾種深基礎(chǔ)方案進(jìn)行比較，認(rèn)為水泥深層攪拌樁圍護(hù)結(jié)構(gòu):
1. 經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)比其他方案具有明顯的優(yōu)勢.
2. .由于深層攪拌帷幕墻改善了邊坡土層的物理力學(xué)指標(biāo)，較大幅度降低實(shí)際彎矩值Ma.
3. 改善了施工條件，保證了工程質(zhì)量.
4. 起到圍護(hù)，防水方案統(tǒng)一的效應(yīng).
5. 速度快，工期短，一個(gè)臺(tái)班可成樁400m.
6. 施工時(shí)無震動(dòng)，無噪音，無污染.
7. 早期樁體強(qiáng)度增長快.
(三).深層攪拌樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1. 技術(shù)原理
本工程水泥攪拌樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)是以水泥作為固化劑，水泥摻入量為15%，水灰比0.55，用高壓將其輸送到軟弱地層中.通過GZB-600型雙頭深層攪拌機(jī)的鉆頭，在原位強(qiáng)制均勻攪拌，使水泥顆粒，土顆粒與土中孔隙水等物質(zhì)相互作用的三相化學(xué)反應(yīng)，在土顆粒或團(tuán)粒周圍包絡(luò)，并逐漸凝結(jié)硬化，凝結(jié)成具有整體性，水穩(wěn)定和一定強(qiáng)度的樁狀水泥土骨架結(jié)構(gòu)，從而提高其受彎受剪承載力，達(dá)到土體穩(wěn)定，基坑圍護(hù)安全的目的.
2. 設(shè)計(jì)與計(jì)算
在目前的基坑工程設(shè)計(jì)中，無論是懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)，還是支撐的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，土壓力的計(jì)算多沿用于擋土墻的Rankine土壓力理論，但水泥攪拌樁圍護(hù)基坑工程中的土壓力明顯區(qū)別與剛性擋土墻的土壓力.對于剛性擋土墻，是先筑墻，后填土.而在基坑工程中，是先在土中成樁，再開挖卸載，墻背后是原狀土.特別是在墻后土壓力作用下，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生不同于剛性土墻的水平位移形成.這時(shí)作用在結(jié)構(gòu)上的土壓力將由靜止逐漸變?yōu)橹鲃?dòng)土壓力減小，被動(dòng)土壓力增大，并引起土壓力重新分布.因此，影響基坑工程中的土壓力的因素更為復(fù)雜.我們依據(jù)新的情況深入研究，全面分析影響因素，科學(xué)的利用土體自身控制土層位移的潛力.

根據(jù)公式:
ezjk=σzjkKai-2Cik(Kai)1/2
σzjk=σrk+σok+σik
σrk=γmhZj
σok=q0
σ1k=q1+b0/(b0+2b1)
Kai=tg2(450-φik/2)
Kpj=tg2(450-φik/2)
計(jì)算得到:
e0ajk=10.44 
e1.45ajk=24.43
e2.76ajk=36.95 e2.76pjk=40.25
e5.5ajk=47.45 e5.5pjk=115.62
εEai=181.11 εE=218.77
墻體厚度設(shè)計(jì)值b≥Kn[2(1.2γ0haεEai-hpεEpi)γcs(h+hd)得b≥1.46m為了達(dá)到極限應(yīng)力

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狀態(tài)，準(zhǔn)確描述施工狀況，最大限度降低造價(jià)，考慮軟土的流變性及土體的粘，彈，塑性及包括施工因素在內(nèi)的各種影響系數(shù)，制訂與開挖方式，空間，地層,土性條件，加固條件及環(huán)境有關(guān)的函數(shù)，為了便于工程應(yīng)用，采用一等效的水平抗力系數(shù)Kn來綜合反應(yīng)土體抵抗變形的能力,Kn=0.4796，得b=0.7m
經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)算壓應(yīng)力:1.25γ0γcs+M\W≤fcs
拉應(yīng)力:M\W-γcsz≤0.06fcs
剪應(yīng)力:(Ea-W1u)\2b＜(σtgΦ+C)\K
滿足要求.
滑動(dòng)穩(wěn)定驗(yàn)算:KHL=(wtgφ0+C02b+Eb)\EA≥1.2
傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算:Kq=(wb+Ephp)\EAhA≥1.1
(四)降水設(shè)計(jì)及計(jì)算:
現(xiàn)場地下水位在地表下0.8m，基坑深度開挖為4.45m，降水深度約為地表下5.00m左右.為了改善坑壁的土性，減小土的流變變形，比較多種降水方案，選擇無砂管井點(diǎn)降水方案.
水位降低值S=4.45m
土壤滲透系數(shù)K=2.3×104cm/s=0.2m/d
b/a=(100+3.6)/27.6=3.75<10

井深H=H1+h+iL+1=11m
抽水影響半徑R=1.95S(HK)1/2=12.87m
井點(diǎn)管間距D=2(L+B)/(n-1)=2×(105.6+29.6)/(18-1)=19.5m
取井間矩14m
共設(shè)無砂管井18口，孔徑Φ700，管徑Φ400，深度11m，布置位置詳圖所示.
四.基坑支護(hù)及降水的施工.
水泥攪拌樁圍護(hù)及降水井布置如下圖(略).
(一) 圍護(hù)樁施工
1. 施工工藝:
樁位放樣→就位對中→制備水泥漿→預(yù)拌下沉→噴漿攪拌提升→復(fù)攪下沉→復(fù)攪噴漿提升至孔口→關(guān)閉攪拌機(jī)→清洗→移至下一根樁.
2. 施工參數(shù):樁徑Ф700mm，咬合200mm，有效樁長5.5m(兩山墻處6.5m).425號(hào)普通硅酸鹽水泥，摻量15%，用量73.5Kg/m水灰比0.55，水泥漿量1.15m/根，灰漿經(jīng)輸漿管到達(dá)噴漿口的時(shí)間45s，注漿壓力0.45Mpa，提升速度0.5m/min，下鉆速度0.8m/min，轉(zhuǎn)速60r/min，鉆桿垂直度≤1%樁長，樁位偏差≤50mm.
3. 質(zhì)量控制:水泥攪拌樁成孔----噴漿----攪拌三道工序均在地下隱蔽完成，其質(zhì)量狀態(tài)在目前設(shè)備上無直觀的隨機(jī)放映，因此，施工過程中要抓住工序管理管理中的質(zhì)量控制點(diǎn):
(1) 施工人員必須即時(shí)準(zhǔn)確的做好原始記錄，工地技術(shù)負(fù)責(zé)人必須逐日檢查，確保設(shè)計(jì)要求和具體措施真正落實(shí)；
(2) 水泥質(zhì)量應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，在采購，進(jìn)廠和使用時(shí)有人把關(guān)；
(3) 在噴漿攪拌過程中，要保證送粉系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的連續(xù)性，以確保成樁質(zhì)量，若遇到較硬土層，可采取使鉆桿緩慢打入硬土層，在下鉆過程中直接進(jìn)行噴漿；
(4) 打樁過程中應(yīng)避免移機(jī)，以免影響圍護(hù)樁的垂直度；
(5) 盡量避免爆管，斷樁現(xiàn)象，噴漿口球閥的間隙應(yīng)適中，不得堵塞，及時(shí)清洗.
(6) 采用水泥土側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，或輕型觸探實(shí)驗(yàn)，水泥土取芯抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，小應(yīng)變動(dòng)測實(shí)驗(yàn)，對工程樁的整體性，均勻性及各個(gè)齡期的強(qiáng)度進(jìn)行了檢測，各項(xiàng)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求；
(7) 進(jìn)行樁位變形量測，及時(shí)反映變形速度，一邊采取應(yīng)急措施；
(8) 相臨柱體搭接200m，每一施工段宜連續(xù)施工，相臨柱體施工間隙不得超過24小時(shí)。
(二) 井點(diǎn)降水施工
1. 施工工藝:
泥漿護(hù)壁沖擊式鉆成孔，孔徑700mm，孔深11m→注入清水，開啟離心式泥漿清孔→移鉆機(jī)→從井底開始往上設(shè)置無砂大孔透水管(每米一節(jié))透水管周圍用麻布包裹→井底填50cm爍砂，管孔間填土石屑→將Ф75潛水泵送入井底即可抽水→在開槽前十天晝夜降水至基礎(chǔ)施工完畢；
2. 施工時(shí)注意事項(xiàng):
(1) 晝夜進(jìn)行降水；
(2) 每周一次進(jìn)行沉降觀測，發(fā)現(xiàn)周圍建筑物沉降數(shù)大時(shí)及時(shí)通知設(shè)計(jì)單位共同協(xié)商解決；
(3) 防止雨季大量的地面水流入槽內(nèi)；
(4) 基坑開挖時(shí)，防止土塊掉入井中；
五.實(shí)際效果與評價(jià).
地下水池工程于1998年2月16日破土動(dòng)工，約完成2.6萬土石方，在基坑支護(hù)及降水上，做到因地制宜，科學(xué)創(chuàng)新，監(jiān)測預(yù)控，比勘察報(bào)告建議的節(jié)省約200萬元，于11月20日成功完成2000m3地下室砼施工，受到有關(guān)方面和專家的高度評價(jià)。
六.結(jié)論
1. 土的非線性抗剪強(qiáng)度
Rankine土壓力理論以Mohr-Coulomb抗剪強(qiáng)度為基礎(chǔ)，內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力是它的兩個(gè)重要土性力學(xué)指標(biāo).可是粘性土壓力計(jì)算中，人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓力水平較小時(shí)計(jì)算結(jié)果會(huì)出現(xiàn)負(fù)的惻向土壓力，而土體事實(shí)上并不能承受拉應(yīng)力.這表明在應(yīng)力水平較小時(shí)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則是不合適的.考察Mohr-Coulomb準(zhǔn)則可以發(fā)現(xiàn)，該準(zhǔn)只適合較小一段應(yīng)力,水平范圍.在應(yīng)力水平較大時(shí)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則都過高的估計(jì)了土體的抗剪能力，這對工程應(yīng)用是不利的.對主動(dòng)土壓力情況是這樣，對被動(dòng)土壓力情況也是如此.在深基坑開挖工程中，不僅要涉及計(jì)算應(yīng)力水平較小的淺層壓力，而且設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)力水平較高的深層土壓力，因此必要研究不同應(yīng)力水平下的土壓力計(jì)算問題.
2. 支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移土壓力的影響
經(jīng)典的Rankine土壓力理論存在著兩個(gè)明顯的弱點(diǎn),:一是要求土體變形達(dá)到極限狀態(tài)的臨界值條件.但在基坑過程中，過大的位移量尤其是被動(dòng)狀態(tài)的位移量是很難實(shí)現(xiàn)也不允許出現(xiàn)的.二是Rankine土壓力理論本身是在擋土墻條件下得出來的.擋土墻剛性很大，只允許產(chǎn)生平移或轉(zhuǎn)動(dòng)，不允許產(chǎn)生變形.而廣泛用于基坑支護(hù)的連續(xù)墻，挖孔樁屬于一種輕型的擋土結(jié)構(gòu)，在荷載作用下，其工作狀態(tài)一般為彈性嵌固.它與剛性墻的特點(diǎn)不同，由于內(nèi)支撐系統(tǒng)及入土段土體的約束，在墻后土體的壓力下，墻體產(chǎn)生撓曲變形，引起土壓力重新分布.針對這兩個(gè)弱點(diǎn)，在考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移因素時(shí)，需著重解決以下兩個(gè)問題:
(1) 懸臂式支護(hù)體系的基坑工程中的土壓力與支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移之間的關(guān)系.
(2) 懸臂式支護(hù)體系的基坑工程的土壓力沿深度方向的分布形式.
3. 基坑支護(hù)的空間效應(yīng)對土壓力的影響
基坑本身是一個(gè)具有長，寬和深的三維空間結(jié)構(gòu)，因而其支護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的三維空間受力問題.大量的工程實(shí)踐證明，基坑坑壁中央范圍土壓力和位移均大于兩坑壁一定范圍的土壓力和位移值.這是因?yàn)樵诨觾啥吮谔幋骘@著的空間效應(yīng)，抑制了其臨近區(qū)域的土壓力和位移的發(fā)展.在不同的部位處于不同的狀態(tài)，因此有必要考慮非極限狀態(tài).
目前，基坑支護(hù)問題常忽略其空間效應(yīng)帶來的影響，視其為一個(gè)二維的平面問題，多借助傳統(tǒng)的Rankine土壓力理論進(jìn)行支護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì).雖然這偏于安全，但同時(shí)也造成了很大的浪費(fèi).
4. 土的性質(zhì)和土壓力的影響
(1) 軟土具有流變性質(zhì)，它的變形和強(qiáng)度都隨時(shí)間而變化，在相對小的減切應(yīng)力作用下，雖不增加應(yīng)力，變形可長期發(fā)展，是其蠕變特性，變形速度是應(yīng)力的函數(shù)，是其流動(dòng)的特性或粘滯特性，變形恒定，應(yīng)力隨時(shí)間減小，是其應(yīng)力松弛特性，在長期受荷條件下，強(qiáng)度隨時(shí)間而變化，是其長期強(qiáng)度特性.在軟土地區(qū)的基坑設(shè)計(jì)和施工中，如果忽視它的流變性，僅用一般方法計(jì)算，就可能發(fā)生工程事故，或造成很大的浪費(fèi).
(2) 土具有結(jié)構(gòu)性，這一特點(diǎn)對土的工程型號(hào)子有極其重要的影響.結(jié)構(gòu)受到擾動(dòng)將降低內(nèi)聚力，降低的程度取決于受擾動(dòng)的程度，對內(nèi)摩擦角也有響應(yīng)的影響,.所以，土的靈敏度也會(huì)影響土壓力的大小.
5. 地下水對土壓力的影響,
目前，在基坑開挖過程中，一般要采用一些降水措施.，降低地下水位，以防止基坑開挖過程中產(chǎn)生流砂或管涌等現(xiàn)象，保證基坑干燥，便于施工.基坑降水會(huì)引起基坑內(nèi)外地下水滲流，地下水狀態(tài)隨之改變，同時(shí)，也會(huì)引起土的物理，力學(xué)性質(zhì)的改變，直接影響著土壓力的大小.
另外，傳統(tǒng)的水土合算和水土分算是兩種極端的處理方式，研究與含水量，飽和度相關(guān)的土壓力計(jì)算方法將具有實(shí)際意義.
從以上討論可以看出:基坑工程中土壓力計(jì)算的影響因素十分復(fù)雜，經(jīng)典土壓力理論面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn).國內(nèi)外諸多學(xué)者對此作了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究，對經(jīng)典土壓力理論所存在的缺陷和基坑工程中土壓力計(jì)算的主要影響因素目前已有一定的共識(shí)，但還沒有一個(gè)簡單，實(shí)用的理論公式能真正用于實(shí)踐.本工程的實(shí)踐成功，對土壓力及支護(hù)理論的研究與發(fā)展，將產(chǎn)生重要影響對多層建筑深基坑施工具有重要指導(dǎo)意義.

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