高水位弱透水層深基坑降水與支護365JT技術探討 


摘 要：本文針對蘭州化工廠306循環水改造軟弱地基的高水位、弱透水性，在深基坑降水圍護開挖方面結合工程實際進行了一些探索。
關鍵詞：基坑 井點 降水
1．引言
近20年是我國高層建筑的發展高峰期，多數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，深基坑圍護結構和降水方案的365JT設計與365JT施工直接關系到工程成本和工期，關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，經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，一些權威專著規定的應用條件及采用的系數不盡合理，無法正確指導實際施工需要，我們結合中鐵十八局職工培訓中心工程基坑施工，考慮各種施工荷載及相關因素，根據以往經驗進行深入研究分析，對建筑施工手冊，地基與基礎等專著中規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進行應用，以最低的投入取得很好的實際效果.
二.工程概況
蘭州化工廠306循環水改造位于蘭州市西固區，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高-0.8m，挖深5.45m，其地層為第四系全新統及更新統地層屬軟弱場地土，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，強度低且不均勻。
2. 粉制黏土:灰黃色，飽和，可塑狀態，大量銹染，頂部少量黑褐色粉制黏土，土質不均夾灰色軟芯.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，有較多銹染，夾有機物厚度為4.57m，土層底板埋深9.69m左右。
4. .粉土:灰色，飽和，中密狀態，土質不均，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及降水，特別是主樓東西兩側是附樓施工的主要通道.由于場地的狹窄，無法放坡大開挖，更需重點加強。
三.支護及降水設計
(一) 地質報告建議支護方式
經天津市地址工程勘察院研究和計算，建議基坑開挖時，采用砼灌注樁長度12.5m.
1. 基坑邊坡防護設計
根據擬建物基坑開挖深度H=5.0m，假設護坡樁總長度為11.0m.按規定的統計方法及地區經驗，對11.0m范圍內土層的C，φ值及容重r值進行厚度加權平均值計算，其統計結果見下表.
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
根據朗金土壓力理論，護坡樁所受土壓力如圖所示



其主動土壓力參數:
Ka=tg2(450-Ф／2)=0.51
被動土壓力參數:
Kp=tg2(450+Ф／2)=1.66
臨界深度:
Z0=2Cr(Ka)1/2
單寬主動土壓力為:
Ea=1/2r(H+t)2Ka-2C(H+t)Ka1/2+2C/r
=442.2(KN/m)
單寬被動土壓力為:Ep=Ep1+Ep2=1/2rt2KP+2C(H+t)Kp1/2
=884.25(KN/m)
現將主動土壓力Ea，被動土壓力Ep分別對樁端e點取矩，要求被動土壓力Ep對e點產生的力矩安全系數K=1.5，則Ea，Ep對e點取矩的平衡條件為:
1/3(H+t-Z0)Ea=1/K(1/3tEp1+1/2tEp2)
經計算得t=6.21(m)
則:L=H+t=5.0+6.21=11.21(m)
經計算求得t=6.25m，護坡樁實際入土深度一般要比計算值增加20%則護坡樁長度:L=H+1.2t≈12.5(m)
2. 基坑開挖施工及降水
根據勘察結果，基坑開挖后，基坑下為粉土，為確保基坑不受擾動，并保證干場作業，需做好降水工作，建議采用砼樁圍護，樁長12.5m.本場地地下水位埋深約1.0m，水位降幅較大，根據場地條件及地區經驗，建議采用井點降水方案，且先降水，后開挖，以保證干場作業.
3. 基坑開挖砼樁圍護方案工程造價為256萬元.
(二).現場支護方案選擇.
為了采用最簡單便捷的方法，最少的投入形成安全，穩定的空間，使地下結構的施工得以順利完成，我們選擇了土層錨桿，砼灌注樁壁(結合支護壁)，鋼板樁，水泥深層攪拌樁等幾種深基礎方案進行比較，認為水泥深層攪拌樁圍護結構:
1. 經濟技術指標比其他方案具有明顯的優勢.
2. .由于深層攪拌帷幕墻改善了邊坡土層的物理力學指標，較大幅度降低實際彎矩值Ma.
3. 改善了施工條件，保證了工程質量.
4. 起到圍護，防水方案統一的效應.
5. 速度快，工期短，一個臺班可成樁400m.
6. 施工時無震動，無噪音，無污染.
7. 早期樁體強度增長快.
(三).深層攪拌樁圍護結構設計
1. 技術原理
本工程水泥攪拌樁圍護結構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型雙頭深層攪拌機的鉆頭，在原位強制均勻攪拌，使水泥顆粒，土顆粒與土中孔隙水等物質相互作用的三相化學反應，在土顆粒或團粒周圍包絡，并逐漸凝結硬化，凝結成具有整體性，水穩定和一定強度的樁狀水泥土骨架結構，從而提高其受彎受剪承載力，達到土體穩定，基坑圍護安全的目的.
2. 設計與計算
在目前的基坑工程設計中，無論是懸臂支護結構，還是支撐的圍護結構，土壓力的計算多沿用于擋土墻的Rankine土壓力理論，但水泥攪拌樁圍護基坑工程中的土壓力明顯區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，基坑支護結構將產生不同于剛性土墻的水平位移形成.這時作用在結構上的土壓力將由靜止逐漸變為主動土壓力減小，被動土壓力增大，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雜.我們依據新的情況深入研究，全面分析影響因素，科學的利用土體自身控制土層位移的潛力.

根據公式:
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
墻體厚度設計值b≥Kn[2(1.2γ0haεEai-hpεEpi)γcs(h+hd)得b≥1.46m為了達到極限應力

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狀態，準確描述施工狀況，最大限度降低造價，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的各種影響系數，制訂與開挖方式，空間，地層,土性條件，加固條件及環境有關的函數，為了便于工程應用，采用一等效的水平抗力系數Kn來綜合反應土體抵抗變形的能力,Kn=0.4796，得b=0.7m
經驗驗算壓應力:1.25γ0γcs+M\W≤fcs
拉應力:M\W-γcsz≤0.06fcs
剪應力:(Ea-W1u)\2b＜(σtgΦ+C)\K
滿足要求.
滑動穩定驗算:KHL=(wtgφ0+C02b+Eb)\EA≥1.2
傾覆穩定性驗算:Kq=(wb+Ephp)\EAhA≥1.1
(四)降水設計及計算:
現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，選擇無砂管井點降水方案.
水位降低值S=4.45m
土壤滲透系數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.基坑支護及降水的施工.
水泥攪拌樁圍護及降水井布置如下圖(略).
(一) 圍護樁施工
1. 施工工藝:
樁位放樣→就位對中→制備水泥漿→預拌下沉→噴漿攪拌提升→復攪下沉→復攪噴漿提升至孔口→關閉攪拌機→清洗→移至下一根樁.
2. 施工參數:樁徑Ф700mm，咬合200mm，有效樁長5.5m(兩山墻處6.5m).425號普通硅酸鹽水泥，摻量15%，用量73.5Kg/m水灰比0.55，水泥漿量1.15m/根，灰漿經輸漿管到達噴漿口的時間45s，注漿壓力0.45Mpa，提升速度0.5m/min，下鉆速度0.8m/min，轉速60r/min，鉆桿垂直度≤1%樁長，樁位偏差≤50mm.
3. 質量控制:水泥攪拌樁成孔----噴漿----攪拌三道工序均在地下隱蔽完成，其質量狀態在目前設備上無直觀的隨機放映，因此，施工過程中要抓住工序管理管理中的質量控制點:
(1) 施工人員必須即時準確的做好原始記錄，工地技術負責人必須逐日檢查，確保設計要求和具體措施真正落實；
(2) 水泥質量應符合設計要求，在采購，進廠和使用時有人把關；
(3) 在噴漿攪拌過程中，要保證送粉系統運轉的連續性，以確保成樁質量，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行噴漿；
(4) 打樁過程中應避免移機，以免影響圍護樁的垂直度；
(5) 盡量避免爆管，斷樁現象，噴漿口球閥的間隙應適中，不得堵塞，及時清洗.
(6) 采用水泥土側限抗壓強度實驗，或輕型觸探實驗，水泥土取芯抗壓強度實驗，小應變動測實驗，對工程樁的整體性，均勻性及各個齡期的強度進行了檢測，各項指標均符合設計和規范要求；
(7) 進行樁位變形量測，及時反映變形速度，一邊采取應急措施；
(8) 相臨柱體搭接200m，每一施工段宜連續施工，相臨柱體施工間隙不得超過24小時。
(二) 井點降水施工
1. 施工工藝:
泥漿護壁沖擊式鉆成孔，孔徑700mm，孔深11m→注入清水，開啟離心式泥漿清孔→移鉆機→從井底開始往上設置無砂大孔透水管(每米一節)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施工完畢；
2. 施工時注意事項:
(1) 晝夜進行降水；
(2) 每周一次進行沉降觀測，發現周圍建筑物沉降數大時及時通知設計單位共同協商解決；
(3) 防止雨季大量的地面水流入槽內；
(4) 基坑開挖時，防止土塊掉入井中；
五.實際效果與評價.
地下水池工程于1998年2月16日破土動工，約完成2.6萬土石方，在基坑支護及降水上，做到因地制宜，科學創新，監測預控，比勘察報告建議的節省約200萬元，于11月20日成功完成2000m3地下室砼施工，受到有關方面和專家的高度評價。
六.結論
1. 土的非線性抗剪強度
Rankine土壓力理論以Mohr-Coulomb抗剪強度為基礎，內摩擦角和內聚力是它的兩個重要土性力學指標.可是粘性土壓力計算中，人們發現當壓力水平較小時計算結果會出現負的惻向土壓力，而土體事實上并不能承受拉應力.這表明在應力水平較小時Mohr-Coulomb準則是不合適的.考察Mohr-Coulomb準則可以發現，該準只適合較小一段應力,水平范圍.在應力水平較大時Mohr-Coulomb準則都過高的估計了土體的抗剪能力，這對工程應用是不利的.對主動土壓力情況是這樣，對被動土壓力情況也是如此.在深基坑開挖工程中，不僅要涉及計算應力水平較小的淺層壓力，而且設計計算應力水平較高的深層土壓力，因此必要研究不同應力水平下的土壓力計算問題.
2. 支護結構水平位移土壓力的影響
經典的Rankine土壓力理論存在著兩個明顯的弱點,:一是要求土體變形達到極限狀態的臨界值條件.但在基坑過程中，過大的位移量尤其是被動狀態的位移量是很難實現也不允許出現的.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，只允許產生平移或轉動，不允許產生變形.而廣泛用于基坑支護的連續墻，挖孔樁屬于一種輕型的擋土結構，在荷載作用下，其工作狀態一般為彈性嵌固.它與剛性墻的特點不同，由于內支撐系統及入土段土體的約束，在墻后土體的壓力下，墻體產生撓曲變形，引起土壓力重新分布.針對這兩個弱點，在考慮支護結構水平位移因素時，需著重解決以下兩個問題:
(1) 懸臂式支護體系的基坑工程中的土壓力與支護結構的位移之間的關系.
(2) 懸臂式支護體系的基坑工程的土壓力沿深度方向的分布形式.
3. 基坑支護的空間效應對土壓力的影響
基坑本身是一個具有長，寬和深的三維空間結構，因而其支護系統的設計是一個復雜的三維空間受力問題.大量的工程實踐證明，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.這是因為在基坑兩端壁處存顯著的空間效應，抑制了其臨近區域的土壓力和位移的發展.在不同的部位處于不同的狀態，因此有必要考慮非極限狀態.
目前，基坑支護問題常忽略其空間效應帶來的影響，視其為一個二維的平面問題，多借助傳統的Rankine土壓力理論進行支護系統的設計.雖然這偏于安全，但同時也造成了很大的浪費.
4. 土的性質和土壓力的影響
(1) 軟土具有流變性質，它的變形和強度都隨時間而變化，在相對小的減切應力作用下，雖不增加應力，變形可長期發展，是其蠕變特性，變形速度是應力的函數，是其流動的特性或粘滯特性，變形恒定，應力隨時間減小，是其應力松弛特性，在長期受荷條件下，強度隨時間而變化，是其長期強度特性.在軟土地區的基坑設計和施工中，如果忽視它的流變性，僅用一般方法計算，就可能發生工程事故，或造成很大的浪費.
(2) 土具有結構性，這一特點對土的工程型號子有極其重要的影響.結構受到擾動將降低內聚力，降低的程度取決于受擾動的程度，對內摩擦角也有響應的影響,.所以，土的靈敏度也會影響土壓力的大小.
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生流砂或管涌等現象，保證基坑干燥，便于施工.基坑降水會引起基坑內外地下水滲流，地下水狀態隨之改變，同時，也會引起土的物理，力學性質的改變，直接影響著土壓力的大小.
另外，傳統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，飽和度相關的土壓力計算方法將具有實際意義.
從以上討論可以看出:基坑工程中土壓力計算的影響因素十分復雜，經典土壓力理論面臨著嚴峻的挑戰.國內外諸多學者對此作了大量的理論和實驗研究，對經典土壓力理論所存在的缺陷和基坑工程中土壓力計算的主要影響因素目前已有一定的共識，但還沒有一個簡單，實用的理論公式能真正用于實踐.本工程的實踐成功，對土壓力及支護理論的研究與發展，將產生重要影響對多層建筑深基坑施工具有重要指導意義.

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