汕頭某大樓基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

吳敬偉

（汕頭市建筑設(shè)計(jì)院有限公司 廣東汕頭 515000）

0 引言

汕頭市區(qū)位于韓江、榕江和練江出?？冢瑢偃侵尴?、濱海相沉積平原，淤泥軟土層具埋置淺、厚度厚、含水量高、壓縮性大、抗剪強(qiáng)度低等特點(diǎn)。目前市區(qū)內(nèi)建筑物較多采用二層地下室，基坑開挖深度約6.0～8.0 m，支護(hù)結(jié)構(gòu)一般采用鉆孔灌注樁加內(nèi)支撐或雙排樁，當(dāng)基坑周邊環(huán)境保護(hù)要求不嚴(yán)格，對(duì)基坑變形不敏感時(shí)，為施工方便，多采用雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)。在深厚淤泥層的基坑工程設(shè)計(jì)中，支護(hù)結(jié)構(gòu)擋土側(cè)不同土壓力分布模型導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果差異大。設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合當(dāng)?shù)爻晒?jīng)驗(yàn)選取符合實(shí)際受力的分析計(jì)算模型至關(guān)重要；同時(shí)，基坑開挖過程支護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形大，對(duì)坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)土體擠壓導(dǎo)致工程樁傾斜嚴(yán)重甚至斷樁（工程樁為預(yù)應(yīng)力管樁時(shí)）的工程事故時(shí)有發(fā)生，所以，軟土地區(qū)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)必須合理利用分區(qū)開挖和必要的坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)土體加固等施工措施，才能最大限度發(fā)揮雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，有效控制基坑變形和坑內(nèi)土體擠壓效應(yīng)，確保基坑工程安全、可靠、經(jīng)濟(jì)。本文結(jié)合汕頭某大樓基坑工程的設(shè)計(jì)，分析討論雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在軟土地區(qū)基坑工程設(shè)計(jì)中的合理應(yīng)用。

1 工程概況及水文地質(zhì)情況

某項(xiàng)目位于汕頭市珠港新城片區(qū)，由1 幢91.8 m高總部辦公樓和3幢63.7～82.8 m 高公寓辦公樓組成，兩層地下室，基坑開挖深度6.55～7.35 m，基坑周邊為空地和未建市政道路且無市政管網(wǎng)，基坑環(huán)境等級(jí)和安全等級(jí)均為三級(jí)［2］，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移限值為100 mm?；悠矫娉叽鐬?83.1 m×120.6 m，總邊長(zhǎng)約607.4 m，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)平面如圖1所示。

場(chǎng)區(qū)屬韓江三角洲沖積平原前緣地帶，原為近岸灘涂地段，后經(jīng)人工填積而成的建筑場(chǎng)地，平坦開闊。場(chǎng)區(qū)土層自上而下依次為：①雜填土層，層厚2.10～4.50 m，填土主要由細(xì)砂、淤泥和建筑垃圾組成，結(jié)構(gòu)松散；②淤泥層，層厚26.60～41.00 m，飽和、流塑態(tài)，中部含粉砂約10%～15%，下部含粉、細(xì)砂約15～25%，其中淤泥層上部10 m 范圍內(nèi)②-1層含水率超50%，含砂量較少；中下部②-2層含水率約40%，含砂量較多；③細(xì)砂層，層厚0.6～3.70 m，飽和、中密-密實(shí)狀；④粗砂層，層厚0.4～8.30 m，飽和，以密實(shí)狀為主；⑤砂質(zhì)粘性土，層厚0.3～8.70 m，稍濕，硬塑，少數(shù)孔位揭示；⑥強(qiáng)風(fēng)化花崗巖帶；⑦中風(fēng)化花崗巖帶。

孔隙潛水賦存于第①土層中，補(bǔ)給來源于大氣降水，受季節(jié)及氣候制約，水位不穩(wěn)定，勘察期間測(cè)得場(chǎng)區(qū)地下水綜合穩(wěn)定水位為0.91～4.20 m；孔隙承壓水賦存于第③、④砂層中，水量較豐富。

2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)選型和合理施工措施

2.1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)選型

本項(xiàng)目工程樁主樓采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，裙樓及地下室采用PHC預(yù)應(yīng)力管樁，基坑開挖面以下存在深厚淤泥層且坑底位于淤泥層，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力大，鄰近類似基坑一般采用單排φ1 000 鉆孔灌注樁加1～2 道內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的支護(hù)形式。因建設(shè)單位工期緊迫，為方便土方開挖，要求不采用內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，場(chǎng)地地質(zhì)情況也不宜做排樁加預(yù)應(yīng)力錨索的支護(hù)形式［3-4］?？紤]基坑周邊環(huán)境簡(jiǎn)單，為未施工市政道路和規(guī)劃建設(shè)的余留空地，無地下市政管網(wǎng)，支撐結(jié)構(gòu)對(duì)變形不敏感；基坑頂可利用表層相對(duì)穩(wěn)定的填土層做放坡卸載；基坑土方采用分區(qū)分層開挖的施工方法，后開挖區(qū)作為坑內(nèi)反壓土，減少開挖邊長(zhǎng)；坑內(nèi)結(jié)合施工運(yùn)土車道加固和超深電梯井（坑中坑）支護(hù)結(jié)構(gòu)連通、基坑底周邊承臺(tái)間設(shè)置塊狀加固土對(duì)坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)土體進(jìn)行加固等有利因素，采用了雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)加水泥攪拌樁止水帷幕的支護(hù)形式［5］。

基坑?xùn)|面自然地坪標(biāo)高-1.50 m（相對(duì)標(biāo)高，下同），坑底標(biāo)高-8.85 m，基坑深7.35 m，坑頂放坡1.8 m，平臺(tái)寬5.0 m，采用雙排φ800 鉆孔灌注樁擋土加兩排φ600 水泥攪拌樁止水帷幕，鉆孔樁樁長(zhǎng)29.0 m，排距2.2 m，樁距2.0 m，如圖2?所示［6］?；游?、北面自然地坪標(biāo)高-2.00 m，坑底標(biāo)高-8.85 m，基坑深6.85 m，坑頂放坡1.3m，平臺(tái)寬5.0m，采用雙排φ700鉆孔灌注樁擋土加兩排φ600 水泥攪拌樁止水帷幕，鉆孔樁樁長(zhǎng)28.0 m，排距2.3 m，樁距2.0 m，如圖2?所示?；幽厦孀匀坏仄簶?biāo)高-1.60 m，坑底標(biāo)高-8.85 m，基坑深7.25 m，坑頂放坡1.7 m，平臺(tái)寬5.0 m，采用雙排φ800鉆孔灌注樁擋土加兩排φ600 水泥攪拌樁止水帷幕，鉆孔樁樁長(zhǎng)29.0 m，排距2.2 m，樁距2.0m，如圖2?所示。雙排樁排列示意如圖3所示?；禹敺牌聦⒅ёo(hù)結(jié)構(gòu)頂降至地面以下1.3～1.8 m，減少支護(hù)結(jié)構(gòu)懸臂高度和擋土側(cè)的主動(dòng)土壓力，從而減少支護(hù)結(jié)構(gòu)的有效樁長(zhǎng)，淤泥層上部工程性質(zhì)差，含水量高，流塑狀，加長(zhǎng)鉆孔樁間兩排φ600 止水樁樁長(zhǎng)至12.0 m，確?；觾?nèi)外土體（淤泥層）不因不平衡土壓力作用而擾動(dòng)變形［7］。

2.2 合理施工措施

基坑開挖深度范圍和坑底均為淤泥層，易擾動(dòng)變形，開挖運(yùn)土車道底部需采用水泥攪拌樁加固方能減小車載擠土效應(yīng)影響工程樁，超深開挖的電梯井（坑中坑）采用水泥攪拌樁做局部封閉的支護(hù)結(jié)構(gòu)。經(jīng)與施工方協(xié)商，采用把大基坑分成8 個(gè)開挖邊長(zhǎng)約50 m的開挖分區(qū)進(jìn)行分層開挖，如圖1 所示。利用施工運(yùn)土車道加固、坑中坑支護(hù)結(jié)構(gòu)做數(shù)道縱橫貫通的水泥攪拌樁加固土帶，坑底周邊承臺(tái)間設(shè)置6.6 m 寬5.0 m深的塊狀加固土對(duì)被動(dòng)區(qū)土體進(jìn)行加固。土方首先開挖Ⅰ、Ⅲ、Ⅵ、Ⅷ區(qū)，整塊按分層厚度1 m挖至地下室底板墊層底，后開挖的Ⅱ、Ⅶ、Ⅳ、Ⅴ區(qū)土體按坡率不大于1∶3放坡，砂包護(hù)坡腳，基礎(chǔ)承臺(tái)獨(dú)個(gè)開挖澆筑且及時(shí)回填夯實(shí)，先行施工完畢的地下室底板與雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)間采用300 mm 厚C30 混凝土澆筑回頂。接著用同樣方法開挖Ⅱ、Ⅶ、Ⅳ、Ⅴ區(qū)土方。開挖施工過程嚴(yán)格執(zhí)行既定方案和基坑變形觀測(cè)工作。

3 雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1 計(jì)算模型和土層計(jì)算參數(shù)

雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)以單元計(jì)算的剛架模型，前、后排樁和樁頂連系梁采用桿單元，未考慮樁頂壓頂板（梁）剛度，前、后排樁樁間土和基坑底被動(dòng)區(qū)土體未計(jì)入水泥攪拌樁對(duì)相應(yīng)范圍土層的加固作用，基坑外地面超載q0取20 kN/m2［2，8］，計(jì)算模型如圖4 所示。根據(jù)地勘報(bào)告，基坑工程相關(guān)范圍的土層工程性質(zhì)指標(biāo)按直剪快剪試驗(yàn)結(jié)果和文獻(xiàn)［2］附錄B 確定，主要土層參數(shù)如表1所示。

表1 主要土層參數(shù)Tab.1 Main Soil Layer Parameters

3.2 計(jì)算方法及計(jì)算結(jié)果

根據(jù)文獻(xiàn)［1-2］，采用理正深基坑計(jì)算軟件分別按兩套規(guī)程各自要求、以基坑開挖分區(qū)Ⅷ區(qū)北面中間點(diǎn)位、地勘鉆孔ZK69、基坑壓頂板水平位移觀測(cè)點(diǎn)WY8和前排樁測(cè)斜孔CX2附近剖面以單元計(jì)算分析，計(jì)算土壓力分布示意如圖5 所示［1-2］，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

采用文獻(xiàn)［1］計(jì)算的結(jié)果為基坑抗傾覆安全系數(shù)1.153，大于1.15，整體穩(wěn)定安全系數(shù)4.022，大于1.25，水平位移最大值為159.58 mm，豎向變形最大值為121.0 mm，變形不滿足規(guī)程要求，前排樁最大彎矩為654.89 kN·m，后排樁最大彎矩為949.79 kN·m，均出現(xiàn)在樁頂以下43 m 左右，雙排樁有效樁長(zhǎng)46.0 m［9］，計(jì)算結(jié)果前后排樁樁底內(nèi)力、位移異常，樁長(zhǎng)太長(zhǎng)，顯然不合理且不經(jīng)濟(jì)，基坑變形值也不能滿足文獻(xiàn)［1］要求，這與本地區(qū)類似工程的成功經(jīng)驗(yàn)相去甚遠(yuǎn)。

采用文獻(xiàn)［2］計(jì)算的結(jié)果為基坑抗傾覆安全系數(shù)1.885，大于1.15，整體穩(wěn)定安全系數(shù)1.522，大于1.25，水平位移最大值為98.77 mm，豎向變形最大值為48.0 mm，均滿足文獻(xiàn)［1-2］要求，前排樁最大彎矩為379.39 kN·m，后排樁最大彎矩為298.92 kN·m，出現(xiàn)在支護(hù)樁中上部，雙排樁有效樁長(zhǎng)28.0 m［9］，均在合理范圍且與成功經(jīng)驗(yàn)吻合。本項(xiàng)目最終采用文獻(xiàn)［2］土壓力分布模型進(jìn)行計(jì)算分析。

文獻(xiàn)［1］規(guī)定的擋土側(cè)基坑開挖面以下主動(dòng)土壓力分布考慮分層土自重作用隨深度線性增長(zhǎng)的三角形分布（見圖6）［1］，基坑底以下坑外土壓力計(jì)算值偏大，導(dǎo)致雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果的前后排樁受力和樁長(zhǎng)異常，樁長(zhǎng)超長(zhǎng)，樁底部彎矩大配筋大造價(jià)高，造成不必要的浪費(fèi)，與實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)不吻合。汕頭市及周邊地區(qū)淤泥含水量多約為60%，支護(hù)結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算不宜采用文獻(xiàn)［1］土壓力分布模型。文獻(xiàn)［2］規(guī)定的擋土側(cè)基坑開挖面以下主動(dòng)土壓力按σrk=γmhh（h為基坑開挖深度，γmh為計(jì)算點(diǎn)以上各層土的加權(quán)平均自然重度）用矩形分布模型計(jì)算［2］，依據(jù)文獻(xiàn)［2］計(jì)算的結(jié)果合理，與工程實(shí)際相符。本項(xiàng)目按文獻(xiàn)［2］計(jì)算的結(jié)果雙排樁有效樁長(zhǎng)為28.0 m，比按文獻(xiàn)［1］計(jì)算的結(jié)果樁長(zhǎng)短18.0 m，兩者樁徑相同，以當(dāng)時(shí)本地區(qū)支護(hù)樁施工市場(chǎng)價(jià)1 500元/m3計(jì)算，文獻(xiàn)［2］計(jì)算的結(jié)果基坑造價(jià)平均每延米節(jié)省1.256 萬元，整體節(jié)省762.89 萬元。基坑工程作為施工階段的臨時(shí)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)土質(zhì)情況和地區(qū)的成功經(jīng)驗(yàn)合理選擇計(jì)算模型［10］，保證基坑安全，節(jié)約工程造價(jià)，避免浪費(fèi)投資。

綜上所述，軟土地區(qū)基坑工程采用文獻(xiàn)［2］的主動(dòng)土壓力矩形分布模型計(jì)算分析更為合理。

4 基坑變形觀測(cè)結(jié)果及分析

基坑土方開挖從2017 年9 月開始，到2018 年5 月地下室頂板完成基坑四周回填夯實(shí)，全程由第三方進(jìn)行基坑變形監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果為基坑?xùn)|面壓頂板水平位移為2.6～80.5 mm，南面壓頂板水平位移為2.6～84.1 mm，西面壓頂板水平位移為1.5～72.3 mm，北面壓頂板水平位移為1.5～84.3 mm，基坑周邊地面沉降最大值為25.3 mm，均能滿足文獻(xiàn)［1-2］和現(xiàn)場(chǎng)周邊環(huán)境要求，支護(hù)結(jié)構(gòu)基本完好，僅分區(qū)邊長(zhǎng)中部壓頂板基坑內(nèi)側(cè)出現(xiàn)微小裂縫和外側(cè)與壓頂板相連的硬土地面出現(xiàn)開裂，坑內(nèi)基坑工程樁（預(yù)應(yīng)力管樁）最大水平偏移6.5 mm，土方開挖過程因擋土結(jié)構(gòu)變形引起的坑內(nèi)擠土效應(yīng)不明顯，對(duì)工程樁擠壓可忽略。北面測(cè)斜孔CX2 和壓頂板水平位移觀測(cè)點(diǎn)WY8（兩者位置相近）測(cè)得最大水平位移為84.3 mm，測(cè)斜孔CX2 觀測(cè)結(jié)果如圖7所示，實(shí)際樁頂水平變形值約為文獻(xiàn)［2］計(jì)算值的0.85倍，為文獻(xiàn)［1］計(jì)算值的0.53倍，采用文獻(xiàn)［2］土壓力分布模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際受力相符，而采用文獻(xiàn)［1］的結(jié)果與實(shí)測(cè)值偏差太大。監(jiān)測(cè)結(jié)果揭示軟土地區(qū)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算采用文獻(xiàn)［2］的土壓力分布模型更為合理。

采用文獻(xiàn)［2］的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析結(jié)果的水平位移和地面沉降量均比實(shí)際觀測(cè)值大，主要原因?yàn)椋孩倩油ㄟ^分區(qū)開挖縮小開挖邊長(zhǎng)至50 m 左右，雙排樁樁頂壓頂板（梁）截面為3 000 mm×300 mm，剛度大，對(duì)開挖邊長(zhǎng)中部支護(hù)單元樁頂起約束作用，減少其水平變形，而計(jì)算分析時(shí)未考慮該有利因素；②支護(hù)結(jié)構(gòu)前后排樁上部12 m 范圍內(nèi)樁間土利用水泥攪拌樁加固，形成變形協(xié)同的門式剛架，實(shí)際抗側(cè)剛度增大、水平變形減少，而計(jì)算分析樁間土的土層參數(shù)仍按原有土層取值［8，11］；③基坑內(nèi)運(yùn)土車道和周邊承臺(tái)間設(shè)置的被動(dòng)區(qū)加固土改善提高了坑底土層的工程性質(zhì)指標(biāo)，同樣能減少基坑變形，由于缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算分析時(shí)也不考慮，僅作為施工加強(qiáng)措施。另外，樁長(zhǎng)12 m的水泥攪拌樁止水帷幕對(duì)坑內(nèi)外不平衡土壓力引起淤泥層擾動(dòng)擠壓變形起阻礙作用，計(jì)算時(shí)未計(jì)入，所以測(cè)得地面沉降量比計(jì)算值小。

基坑變形觀測(cè)結(jié)果雖與文獻(xiàn)［2］計(jì)算結(jié)果略有差別，但都在合理范圍，基坑施工全過程均安全，工期達(dá)到預(yù)期，滿足投資方要求。

5 結(jié)語

通過對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在軟土地區(qū)基坑工程的應(yīng)用分析，可以得到以下結(jié)論：

⑴軟土地區(qū)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)依據(jù)文獻(xiàn)［2］規(guī)定的基坑外側(cè)土壓力分布模型進(jìn)行計(jì)算分析結(jié)果與實(shí)際受力相符，在確?；影踩⒖煽壳疤嵯驴s短支護(hù)樁樁長(zhǎng)，達(dá)到節(jié)約工程造價(jià)，避免浪費(fèi)投資的目的。

⑵坑底位于淤泥層的軟土地區(qū)基坑工程，采用合理的分區(qū)、分層開挖方案縮短開挖邊長(zhǎng)和對(duì)開挖運(yùn)土車道、坑內(nèi)周邊被動(dòng)區(qū)土體進(jìn)行加固等合理的施工措施是減少基坑變形、減少坑內(nèi)擠土效益、確?；影踩挠行Х椒?。