复杂地质条件下深基坑支护技术与监测分析

黄训平

1 工程概况

某基坑四周均为道路或建筑物场地呈狭长形,长边约120 m,短边约30 m～40 m,场地面积约4 200 m2。场地位于低丘台边缘,西高东低,北高南低,东西向相对高差2.5 m～5.3 m,南北向相对高差3.8 m～4.8 m,最大相对高差6.8 m,基坑开挖深度为9 m～14.0 m。

2 地质条件

经过地质钻探揭露,地层情况由上而下依次为:①人工填土:杂填土为主,厚度0.90 m～6.15 m。②粉质黏土:分布于场地东南部,厚度0.6 m～3.5 m,软塑～硬塑。③黏土:硬可塑～可塑,厚度0.3 m～8.25 m,西边浅,东边深。④泥质粉砂岩:少数钻孔夹有中细砂和含砾粉砂岩。根据岩石的风化程度可将其分为①强风化岩和②微风化岩。

3 基坑特点及支护方案的选择与施工

本工程地处闹市区,场地狭窄,场地地质情况复杂,基岩埋深起伏变化大。因此,基坑支护一方面要绝对排除地下室土方和结构施工中对周围道路、房屋及地下管线等设施产生的危害,保证深基坑和周围建筑物的安全。另一方面要根据工程施工场地的地质条件、现场条件及周边环境,从基坑支护工程的安全可靠性、技术可行性、经济合理性及施工工艺出发,选择造价低、工期短、施工工艺先进成熟的支护方案[1]。因此,根据多年的施工经验及现场的实际条件,将整个基坑分为4部分,采用了4种不同的支护结构形式,支护结构平面布置如图1所示。

3.1 AB区支护方案

AB区位于场地南边,建筑外墙边紧邻建筑红线,此区岩面埋深-10.0 m左右,采用人工挖孔桩挡土支护。由于受到建筑红线及建筑物外墙的影响,将地下室底板以上部分的挡土桩做成半边桩,在桩顶设置工字钢支撑。在土方开挖后,半边桩形成了一个平整的支护面,将之稍加处理后即可作为地下室外墙的模板。且挡土桩和工程桩排列在同一轴线上,在有限空间上增加了建筑面积。由于AB区有4根1 200 mm工程桩,为方便工程桩的施工,满足挡土排桩的设计要求,将工程桩与挡土桩同时在地面开挖,桩径均为1 800 mm,4根工程桩开挖至地下室底板下2.0 m时,将直径缩为1 200 mm挖至设计标高。

3.2 BC区支护方案

BC区岩面埋深较深。该区基坑开挖深度为10 m左右,基坑内外地面标高相差近3.0 m,所以在基坑未开挖前就存在近3.0 m高的边坡,表明该区上部土层的工程性质较好。因此,BC区采用疏散的人工挖孔桩加锚杆作为支护结构。BC区采用人工挖孔桩和锚杆联合支护,保证了桩顶不至于发生较大的位移,同时拉大挖孔桩间距,桩间用造价低的少筋混凝土板连接和支撑,降低了基坑单位面积上的支护造价,既安全又经济。

人工挖孔桩直径1.2 m,间距2.5 m,桩间采用 100 mm厚钢筋混凝土挡板,板内配置纵向筋为12@100,横向筋为16@500,并将横向筋用冲击钻锚入相邻桩内大约100 mm,挖孔桩桩顶设置1 200 mm×600 mm压顶梁。在每根桩打入一条130锚杆,锚杆长25.0 m,倾角30°,单锚最大轴向抗拉力为600 kN,锚索采用4束75钢绞线,灌浆材料为0.45水灰比纯水泥浆。

3.3 CD区支护方案

CD区基坑开挖深度为14.0 m,该区强风化岩面埋深为地面以下8.0 m左右。由于岩面自身稳定性好,上部土层含水量较少,选择了造价相对较低的土钉墙支护技术,保持土层稳定,防止土体滑动剥落,保证土方开挖过程中基坑的稳定与安全[2],如图2所示。在强风化岩面以上,土钉水平间距1.5 m,竖直间距1.0 m,倾角15°,直径120 mm,0.45水灰比纯水泥浆,梅花形布置。要求土钉锚固段中点落在土体滑动面以外,满足承载力要求[3]。坡面铺设钢筋网并喷射混凝土,在土钉锚头位置设200×200×16钢垫板,垫板下加设4Ф 6钢筋加强,坡面混凝土厚150 mm,强度等级C20。土方开挖至强风化岩面以下时,在裸露岩面上采用厚150 mm混凝土面保护,内挂钢筋网,土钉水平间距2.0 m,竖直间距1.0 m,土钉长适当减小,梅花形布置。

3.4 DE区支护方案

DE区地下室外墙边距已有多层建筑物,距外墙边只有1.5 m,且该区岩面埋深变化很大,西边自然地面下2.5 m即为中风化岩层,东边基岩埋深为14.5 m左右。根据此特点,采用了树根桩加锚杆联合支护技术,树根桩为小直径钻孔灌注桩,以前多用于软弱地基处理。另外考虑了人工挖孔桩悬臂挡土的稳定性,减少桩的臂悬高度及入土深度,局部采取了卸载方式,以减轻外部荷载对排桩的影响[4,5]。

4 CD段基坑的水平位移监测

4.1 边坡整体位移

4月22日进行第一次测量,并把测试数据作为初读数。从基坑开挖到监测工作结束时,边坡在粉质黏土层中靠近地面最大位移达到42.0 mm,在土层底面位移达到24.9 mm,而在强风化基岩面以下1 m处,最大位移为9.7mm,边坡底最大位移只有3.3mm。由此得出,粉质黏土层中基坑位移较大,而进入强风化基岩后,基坑边坡位移减小。因此可以认为,第1排,第2排土钉的锚固力可能达到了极限状态,而强风化岩中土钉的锚固力并没有得到充分发挥,在今后基坑边坡支护设计中,强风化岩中土钉的布置参数可适当调整,减少土钉密度。此外,6月7日时,基坑边坡位移比前两次观测时增加很多,之后位移基本上稳定下来,说明边坡在成第10排土钉设置之后,边坡已经达到稳定状态。

4.2 土钉位移

图3为土钉孔口位置处的位移随时间的变化规律图。从图3可以发现,第1排～第5排土钉在前3次监测中的孔口位移急剧变大。随着第5排土钉的设置,到第3次监测时,前5排土钉孔口位移变化速率仅仅为第2次监测时的50%左右,说明第5排土钉的设置对边坡的位移场有至关重要的作用。从图3还可以看出,第5次监测时,即10排土钉全部设置完成,此时各排土钉的孔口位移变化速率已经接近于稳定,土钉的施加已经基本上控制了边坡的变形,使得边坡达到了稳定状态,这与1号孔所得到的结果是一致的。此外,从图3还可以看出由于前5排土钉全部或部分设置在粉质黏土范围内,土钉位移相对比较大,而后5排土钉主要进入强风化基岩,因而位移相对前面5排土钉要小很多。

5 支护的效果

本基坑支护工程支护计算工期100 d。灵活采用了多种支护结构形式,既适应了该场地复杂的地质条件和周围环境,又缩短了工期,实际工期88 d。在施工过程中,监理部门对施工质量进行了抽样检查,合格率为100%,全部达到设计吨位。在施工的全过程中对边壁进行了检测,边壁位移微小,在允许范围之内。

6 结语

1)树根桩应用于挡土结构,其刚度介于大直径混凝土灌注桩与钢板桩之间,树根桩作为挡土结构的受力机理及计算模型有待进一步研究。2)采用半边人工挖孔桩挡土,充分发挥了钢筋混凝土的作用,节省造价,同时减少了占地面积。3)如将人工挖孔桩挡土的少筋混凝土板改为少筋混凝土拱形板,可进一步加大桩间间距,更能发挥人工挖孔桩钢筋混凝土的作用,降低造价。4)基坑支护应根据不同的地质条件及周围环境,采用不同的支护形式。有时单一的支护形式不能满足要求,采用多种结构组合更为合理,降低造价。

[1] 黄 强.深基坑工程支护设计技术[M].北京:中国建筑出版社,1995.

[2] 魏希成.支挡结构设计手册[M].北京:中国建筑出版社,1995.

[3] 广东省土木学会,同济大学岩土工程研究所.地基与基础[M].北京:中国建筑出版社,1995.

[4] 陈肇元.土钉支护技术[M].北京:清华大学出版社,1996.

[5] Proterfield J A.Soil nailing field inspectors manual[J].soil nail walls.FHWA/SA-93/068,1994(3):25-27.