雜填土場地基坑邊坡土釘墻支護(hù)設(shè)計研究

王 鵬,王文忠,曹 宇,李孝文

(1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院,長春 130026;2.吉林省林業(yè)勘察設(shè)計研究院,長春 130000;3.吉林省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院,通化 134001)

0 引言

隨著國家經(jīng)濟(jì)的繁榮發(fā)展,城市建設(shè)的規(guī)模在不斷擴(kuò)大,許多城市老的居民區(qū)在拆遷重建,郊區(qū)附近的工礦區(qū)等也在被城市擴(kuò)建所吞噬,這些地區(qū)基本上都覆蓋著較厚的雜填土。雜填土地基物質(zhì)組成成分復(fù)雜、回填時間不一、顆粒大小不均,使其物理力學(xué)性質(zhì)具有較大的離散性、無規(guī)律性,進(jìn)而很難用統(tǒng)一的物理指標(biāo)來描述不同地區(qū)場地的雜填土。同時,考慮到雜填土的諸多不規(guī)律性質(zhì),造成取樣和原位測試都非常困難,甚至是不可能的。這樣,巖土工程設(shè)計、施工就存在較大的困難。為此,針對一項(xiàng)雜填土厚度達(dá)12 m的邊坡支護(hù)處理工程,進(jìn)行了雜填土場地基坑邊坡土釘墻支護(hù)的設(shè)計研究,為以后工程運(yùn)用提供參考。

1 工程概況

長春市寬城萬達(dá)廣場位于長春市北部,人民大街西側(cè),鐵北二路北側(cè),占地面積約112 861.06m2。地下擬設(shè)2～3層,擬采用樁基礎(chǔ)。工程重要性等級為一級,場地、地基復(fù)雜程度等級為二級。本項(xiàng)目分A、B兩區(qū):A區(qū)地下為1層,地下室基坑槽底標(biāo)高為208.000 m,基坑深度介于 5～7 m,總長度605.4 m;B區(qū)地下為2層,地下室基坑槽底標(biāo)高為204.000 m,基坑深度介于 8～11 m,總長度944.5m。本基坑支護(hù)為臨時工程,安全等級為二級。

2 水文、工程地質(zhì)條件

2.1 地基巖土分布、特征

根據(jù)地質(zhì)勘探部門提供的勘探報告,基坑支護(hù)范圍內(nèi)的地基土及其性質(zhì)自上而下依次為:(1)雜填土:主要成分為黏性土,底部為老耕土,較厚的地段主要為新近雜填土,含較多碎石、磚塊等,結(jié)構(gòu)松散,層厚:1.50～15.30 m;(2)粉質(zhì)黏土:軟塑,高壓縮性,層厚:0.00～5.50 m;(3)粉質(zhì)黏土:可塑,中壓縮性,層厚:0.70～7.50m。

2.2 水文地質(zhì)條件

勘察期間為枯水季節(jié),建筑場區(qū)內(nèi)地下水位埋深在1.90～12.40m,地下水位標(biāo)高約208.25 m,主要為黏性土中的潛水及雜填土中的孔隙水,粉質(zhì)黏土的滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值k=0.2m/d;場區(qū)內(nèi)北側(cè)有一水溝,東南側(cè)由于長春地鐵站點(diǎn)正在施工降水,故水位較低。根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn),地下水位年變幅為1.00～2.00m,抗浮水位按現(xiàn)水位提高1.00m考慮。

3 支護(hù)設(shè)計

3.1 方案選擇

根據(jù)周邊環(huán)境及地質(zhì)報告,提出以下2種設(shè)計方案;

第一種方案:拉錨式支護(hù)結(jié)構(gòu);

第二種方案:土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)。

經(jīng)過論證,認(rèn)為第一種支護(hù)方案雖然能夠作為一個整體支護(hù)體系發(fā)揮作用,作業(yè)空間大,并且可以機(jī)械化施工,但是挖土作業(yè)需分層進(jìn)行,施工周期長,同時耗費(fèi)資金比較大,故未能采用。

第二種支護(hù)方案充分考慮了影響邊坡安全穩(wěn)定性的不利因素,同時兼顧經(jīng)濟(jì)、高效的原則,被確定為最終的基坑支護(hù)方案。基坑邊坡面層加固采用掛貼￠8@200×200鋼筋網(wǎng);面層噴射(100±20)mm厚C20細(xì)石砼。

3.2 設(shè)計思路

土釘支護(hù)設(shè)計的特點(diǎn):一般為工程類比設(shè)計與計算的相結(jié)合,輔以現(xiàn)場量測、試驗(yàn),并對一些特殊要求、情況進(jìn)行特殊的處理及局部修改設(shè)計,形成最終的設(shè)計。在此設(shè)計中采用圓弧滑動分析法進(jìn)行計算,同時需著重考慮土體內(nèi)摩擦角及黏聚力等因素的影響。計算公式如下:

3.2.1 支護(hù)水平荷載

計算點(diǎn)位于地下水以上,

式中:eajk——第j個土釘位置處的基坑水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值;

σajk——作用于深度 zj處的豎向應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值;Kai——第i層的主動土壓力系數(shù);

cik——三軸試驗(yàn)確定的第i層土固結(jié)不排水

剪聚力標(biāo)準(zhǔn)值。

Kai=tan2(45°-ψik/2) (2)

式中:ψik——三軸試驗(yàn)的確定的第i層土固結(jié)不排水剪內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值。

3.2.2 單根土釘抗拉承載力計算

式中:Tjk——第j根土釘受拉荷載標(biāo)準(zhǔn)值;

Tuj——第j根土釘抗拉承載力設(shè)計值。

式中:ζ——荷載折減系數(shù);

sxj、szj——第 j根土釘與相鄰?fù)玲數(shù)钠骄?、垂直間距;

aj——第 j根土釘與水平面的夾角。

式中:γs——土釘抗拉抗力分項(xiàng)系數(shù);

dnj——第 j根土釘錨固體直徑;

qsik——土釘穿越第i層土土體與錨固體極限

摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值;

lj——第j根土釘在直線破裂面外穿越第i穩(wěn)

定土體內(nèi)的長度。

3.2.3 土釘墻整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

根據(jù)施工期間不同開挖深度及基坑地面以下可能滑動,采用圓弧滑動簡單分條法按下式進(jìn)行驗(yàn)算:

4 設(shè)計計算

4.1 斷面選擇

通過對地質(zhì)條件進(jìn)行分析,可知各區(qū)域地質(zhì)條件相差不大,但B區(qū)Ⅲ處雜填土的厚度達(dá)12.0 m,故選取此處地質(zhì)條件作為計算條件更具特殊性。

4.2 計算基本原則

對于土釘墻結(jié)構(gòu),基坑邊坡圍護(hù)體的計算按規(guī)范進(jìn)行各項(xiàng)穩(wěn)定性驗(yàn)算,包括抗滑動、抗傾覆和整體穩(wěn)定等,基坑開挖深度約為8.0 m,基坑坡角為53.1°,共設(shè)7道土釘,計算時考慮地面超載20 kPa。計算簡圖見圖1。

圖1 計算簡圖

4.3 設(shè)計參數(shù)及計算結(jié)果

4.3.1 設(shè)計參數(shù)

基坑深度8.0 m,基坑內(nèi)地下水深10.0 m,基坑外地下水深度 10.0 m,基坑側(cè)壁重要性系數(shù)1.00,土釘荷載分項(xiàng)系數(shù)1.25,土釘抗拉抗力分項(xiàng)系數(shù)1.30,整體滑動分項(xiàng)系數(shù)1.30。

坡線參數(shù):水平投影6.0 m,豎向投影8.0 m,傾角53.1°。

土層參數(shù):主要為新近雜填土,厚12.0m,含較多碎石、磚塊等,容重 18.0 kN/m3,飽和容重18.0 kN/m3。由式(1)及(2)可以看出,黏聚力和內(nèi)摩擦角的取值對支護(hù)水平荷載的大小有直接的影響,進(jìn)而影響到邊坡加固的設(shè)計,由幾何關(guān)系可知后者對其影響更大。現(xiàn)場雜填土主要為碎石及磚塊,土體的黏聚力較小,同時考慮相關(guān)的技術(shù)規(guī)程規(guī)范的要求,取黏聚力8.0 kPa,內(nèi)摩擦角15.0°,釘土摩阻力20.0 kPa。

超載參數(shù):超載類型為局部均布荷載,超載值20.0N/m,作用寬度10.0m,距坑邊線距離1.5 m,條形作用形式。土釘參數(shù)見表1。

內(nèi)部穩(wěn)定設(shè)計條件:考慮地下水作用采用總應(yīng)力法,土釘拉力在滑面上產(chǎn)生的阻力折減系數(shù)1.0,圓弧滑動坡底滑面步長1.0 m。

表1 土釘參數(shù)表

4.3.2 理正深基坑設(shè)計軟件計算結(jié)果

(1)局部抗拉設(shè)計結(jié)果見表2。

表2 局部抗拉設(shè)計結(jié)果表

(2)內(nèi)部穩(wěn)定設(shè)計結(jié)果見表3。

表3 內(nèi)部穩(wěn)定設(shè)計結(jié)果

(3)土釘選筋計算結(jié)果見表4。

表4 土釘選筋計算結(jié)果

(4)噴射混凝土面層計算結(jié)果:設(shè)計參數(shù):厚度100 mm,混凝土強(qiáng)度等級 C20,配筋計算 as=40 mm,水平配筋d8@200,豎向配筋d8@200,配筋計算as=40mm,荷載分項(xiàng)系數(shù)1.2。計算結(jié)果表明0～8 m范圍內(nèi)實(shí)配鋼筋面積As=251.3 mm2。

(5)外部穩(wěn)定計算參數(shù):土釘墻計算寬度12.0 m,墻后地面的傾角 0.0°,墻背傾角 80.0°,土與墻背的摩擦角10.0°,與墻底的摩擦系數(shù)0.3,墻趾距坡腳的距離0.0m,墻底地基承載力150.0 kPa,抗水平滑動安全系數(shù)1.3,抗傾覆安全系數(shù)1.6。

(6)外部穩(wěn)定計算結(jié)果:重力1 194.4 kN,重心坐標(biāo)(6.977,3.404),超載61.8 kN,超載作用點(diǎn) x坐標(biāo)9.045 m,土壓力265.4 kN,土壓力作用點(diǎn) y坐標(biāo)2.720 m,基底平均壓力設(shè)計值108.5 kPa＜150.0 kPa,基底邊緣最大壓力設(shè)計145.9 kPa＜1.2×150.0 kPa,抗滑安全系數(shù)1.621＞1.300,抗傾覆安全系數(shù)14.651＞1.600。

5 結(jié)語

(1)通過計算分析,各項(xiàng)設(shè)計參數(shù)均能滿足穩(wěn)定性及強(qiáng)度的要求,表明在多碎石、磚塊、黏性土等回填的場地用土釘墻替代常規(guī)的擋土墻,是切實(shí)可行的。

(2)土釘墻已在許多基坑支護(hù)中得到發(fā)展和應(yīng)用。在雜填土場地邊坡支護(hù)設(shè)計中,本文給出以下建議:需慎重考慮具體工程項(xiàng)目中雜填土的物理力學(xué)性質(zhì),尤其是土體黏聚力、內(nèi)摩擦角及釘土摩阻力等力學(xué)系數(shù),以求更合理地確定土釘墻設(shè)計參數(shù),達(dá)到安全性和經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一。

通過長春市寬城萬達(dá)廣場邊坡支護(hù)工程的成功應(yīng)用,為今后工作打下基礎(chǔ),并供以后工程實(shí)踐參考采用。

[1]吉林省林業(yè)勘察設(shè)計研究院.長春寬城萬達(dá)廣場巖土工程勘察報告[R].K-2010-063-1,2011:1-3.

[2]GB 50007—2002,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].

[3]JGJ 120—99,建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].

[4]汪益敏,蘇衛(wèi)國.土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對邊坡穩(wěn)定分析的影響[J].華南理工大學(xué)學(xué)報,2001,29(1):22-25.

[5]高浪,謝康和.土釘墻的設(shè)計與計算分析[J].工業(yè)建筑.1999,29(9):16-20.

[6]閆君,王繼勤.土釘墻支護(hù)技術(shù)在青島中惠商住樓深基坑中的應(yīng)用[J].探礦工程,2003(增刊):64-66.