深厚淤泥层基坑支护方案设计及变形分析

刘凤茹

(深圳市广汇源水利勘测设计有限公司 广东深圳 518020)

1 引言

在我国沿海地区软土分布广泛,如滨海平原、河口三角洲、河岸、湖畔等处,往往存在大量的淤泥或淤泥质土。淤泥类软土是在静水条件或缓慢水流环境下淤积,并伴有生物化学作用的情况下形成的,往往呈软塑 ～流塑状,天然含水量高,一般都具有压缩性高、强度低、渗透性差以及触变性等特点[1]。近年来,随着滨海地区工程项目增多,经常遇到深厚淤泥层中基坑开挖问题,由于淤泥质土层厚度大、土质差,对基坑围护安全提出更高的要求,稍有不慎,容易引起基坑坍塌、场地周边管线和道路损坏等不良影响。因此,深厚淤泥层中基坑支护设计方案成为岩土工程设计人员关心的热点,目前虽然已经积累一定的成功经验和分析方法[2～7],但由于问题的复杂性,以及各个工程项目的特殊性,还需广大研究人员进一步加强对该课题的研究,增加交流,加深对这一问题的认识。

在此结合深圳市衙边涌片区泵站排涝工程中泵站部分基坑开挖项目,介绍深厚淤泥层中基坑支护设计方法,并选取典型断面利用有限元软件分析基坑围护结构的变形,对设计方案进行论证。

2 工程概况

衙边涌泵站排涝工程位于深圳市宝安区沙井街道衙边涌片区,由于片区内地势低洼及受潮水位和茅洲河水位的顶托,经常发生洪涝灾害,所以建设排涝泵站,抽排汇入低区的雨水,提高片区的防洪排涝能力。泵站设六台机组,总设计排涝流量 38.76m3/s,属中型泵站。场地标高约为 4.0m,而泵房结构底板标高为-6.0m,基坑开挖深度7.0～11.2m,基坑西侧与茅洲河干流相邻,需要进行基坑支护。

2.1 场地岩土工程地质条件

根据岩土工程勘察报告提供的数据,拟建场地岩土工程地质条件复杂,场地土层分布自上而下依次描述如下。

(1)杂填土层:主要成分为粉质黏土及少量生活建筑垃圾,且不均匀夹填石,未完成自重固结,结构松散,稍湿,分布范围较广,厚度变化大,平均厚度为 3.56m。

(2)淤泥层:呈流塑,具高压缩性,强度低,饱和,其中含大量有机质,场地内全场分布,平均厚度为 14.49m。

(3)中细砂层:松散 ～稍密,饱和,其中不均匀含粉质黏土、粗砂及圆砾。场地内全场分布,平均厚度为 1.65m。

(4)黏性土层:可塑 ～硬塑,湿。场地内全场分布,平均厚度为 12.25m。

(5)强风化细粒花岗岩层:由细粒花岗岩风化残积而成,原岩结构清晰,岩芯呈土状、块状。场地内全场分布,平均厚度为 8.60m。

根据勘察资料,各土层的物理力学指标如表 1所示。根据基坑的实际开挖深度以及土层分布状况,基坑开挖面基本位于杂填土层和淤泥层中。

表 1 各土层物理力学参数

2.2 场地水文地质条件

拟建场地地下水主要类型有松散土层的孔隙水和基岩裂隙水。地下水受大气降雨影响。松散土层中的孔隙潜水分布于海冲积砂层中,透水性较好,属强透水层,受大气降水补给,水位随降雨量大小而变化。基岩裂隙水主要分布在强 ～中风化岩石裂隙中,由大气降雨和孔隙水补给,属中等透水层,埋藏深度和流量亦受大气降水影响。该场地地下水动态的基本特征是随季节变化大。场地内地下水勘察期间测得地下水位埋深 0.32～4.70 m,标高变化 -0.30～3.83m。场地地下水及地表水对混凝土无腐蚀性,对混凝土中的钢筋无腐蚀性,对钢结构具有弱腐蚀性。场地环境类型为Ⅱ类。

2.3 周边环境和地下管线概况

该场地基坑西侧与茅洲河干流相邻,在连接段南侧有一栋二层的混凝土建筑,距基坑约 30m远。场地周边管线情况大致为:①泵房、进水池、前池处分布有南北向及东西向多条塑胶污水管,最大管径 2200mm;②连接段处分布有多条混凝土雨水管,管径 200～300mm。

3 基坑支护方案

3.1 基坑支护选型

泵站基坑存在以下特点:基坑深度较深,最深处为 11.2m;地质条件差,淤泥层特别深厚,平均厚近 15m,淤泥强度低,天然含水量高;泵站基坑形状复杂,泵站结构不像土建结构形状规则,泵站存在进水池、前池、泵房、出水池等建筑物,形状不规整且结构不对称,增加支护的难度。综合分析以上特点,拟放坡开挖、灌注桩加锚索及灌注桩加内支撑三个方案进行比较。因工程地处滨海深厚软土地区,淤泥强度低,能满足稳定边坡的坡度很小,泵站基坑开挖需要很大的施工场地,而周边又有建筑物及管线,所以放坡开挖方案不可行。淤泥强度低,与锚索锚固体的黏结强度低,锚索拉力很有限,为保证基坑稳定及变形的控制,需要锚索密度大、锚固段长,这样导致锚索在淤泥中施工困难、投资大,而内撑材料采用钢筋混凝土,质量稳定程度高,且泵站基坑的对称结构刚好发挥内撑结构抗压的优点,可以有效控制变形,投资省。通过多方面比较,泵站基坑支护方案确定为:灌注桩 +混凝土内支撑支护形式。基坑平面示意如图 1所示,图 2为泵房部位支护剖面示意。

图 1 基坑平面示意

图 2 泵房部位支护剖面示意

3.2 基坑止水、排水系统

在基坑支护工程中,地下水及地表水的合理处理极为重要。根据该工程的水文地质条件、工程地质条件及周边环境,提出如下处理方案。

(1)在钻 (冲)孔桩间设置 φ600旋喷桩止水及隔挡桩间土。

(2)根据地下水情况,土方开挖时在场地内利用挖土机挖 1m×1m×1m集水井数个,在开挖的同时放入污水泵抽水。随着开挖深度的增加,逐渐增加集水井的深度。将集水井的水抽排到坑顶排水沟,通过坑顶三级沉淀池、排水明沟将之外排到市政管网。

(3)基坑开挖时,坑顶设一砖砌排水明沟,尺寸为 300mm×300mm(净尺寸),在基坑内合适位置设置四个集水池,汇集坑内积水并抽排至坑顶排水沟。

3.3 基坑支护施工顺序

基坑施工主体部分须遵循以下施工顺序:

支护桩、支撑桩、旋喷桩施工→桩质量检测→凿桩头、桩顶冠梁施工→第一层土方开挖 (至标高 2.0m)→第一道腰梁、内支撑施工→养护→第二层土方开挖 (至标高 -3.5m)→第二道腰梁、内支撑施工→养护→土方开挖直至基坑底 (须分段开挖、分段换填)→浇筑结构底板、底板与支护桩之间须密实→养护→拆除第二道支撑→浇筑结构侧板→养护→拆除第一道支撑。

3.4 土方开挖和基坑监测

基坑开挖过程中需控制好开挖顺序,分段、分块开挖后应及时换填,另外在现场应备有砂袋、木桩等应急物资。为保证施工安全及施工质量,遵循动态信息化施工原则,建设单位应委托有资质公司对基坑沉降和水平位移进行监测。

4 基坑变形分析

4.1 计算模型

基坑开挖过程中,基坑周围地表、坑底土体及支护结构将产生一定的变形,合理的支护结构设计能够有效控制这一变形的发展,使变形的量值限制在安全范围内。为验证上述方案的合理性,选取典型剖面,采用商业有限元软件建立二维有限元模型,对基坑开挖过程进行模拟,分析基坑的变形性状。

建立计算模型,模型左侧边界距开挖面为 3倍的开挖深度;下边界距坑底 3倍的开挖深度。考虑模型的对称性,取 1/2模型进行分析,即模型开挖宽度取半宽。模型地表为自由边界;左侧边界与对称边界约束 x向位移,y向可自由移动;底边界采用固定约束。基坑分三次开挖,第一次开挖至 3m高程,设置支撑;第二次开挖至 -2.5m高程,设置支撑;第三次开挖至坑底,高程 -6.0m。旋喷桩和钻孔桩采用实体单元模拟,混凝土支撑以及钢立柱采用梁单元模拟。

4.2 计算结果

通过对施工阶段的模拟计算发现,各个阶段支护结构侧向变形、坑底土体隆起量以及基坑周围地表沉降量值并不大,变形值均在设计允许范围内。横向支撑有效限制支护桩的侧向变形,坑底由于钻孔桩的施工,变形模量得到提高,在一定程度上限制坑底土体的隆起。经计算可知:开挖至坑底,支护桩最大侧向变形 5mm左右,坑底最大隆起量15mm左右。通过计算分析,可见上述设计方案是合理可行的。

5 结论

当基坑场地存在深厚淤泥层时,且基坑开挖深度、宽度都较大的情况下,基坑开挖支护设计方案显得尤为重要,合理的设计方案不仅能够保证工程顺利安全施工,还能节约工程造价。文中结合工程实例,详细阐述存在深厚淤泥层时基坑支护设计方案,以及施工注意事项,并通过有限元对方案进行模拟分析,基坑的变形值均在设计允许范围内,该设计方案是切实可行的,可供类似基坑工程支护方案设计参考。

1 杨顺安,冯晓腊,张聪辰.软土理论与工程 [M].北京:地质出版社,2000.

2 龚晓南.基坑工程实例 [M].北京:中国建筑工业出版社,2006.

3 王明明,李忠雨,翟树起,等.天津滨海地区海相淤泥质软土基坑开挖及坑底加固技术 [J].施工技术,2008,37(9):14-15.

4 吴忠,林建春.搅拌桩在深厚淤泥层基坑支护中的应用[J].西部探矿工程,2006,(9):24-26.

5 于建华.淤泥质软土中基坑围护施工技术 [J].浙江建筑,2008,25(4):33-35.

6 贺敏旭.深厚淤泥中浅基坑支护结构选型综述 [J].四川建材,2007,(2):114-115.

7 李进军,王卫东,邸国恩,等.基坑工程对邻近建筑物附加变形影响的分析 [J].岩土力学,2007,28(S):623-629.