深厚风化混合岩层中咬合桩的止水控制研究

陈俊娈，黄锦盛，白尊铭，张彤炜，杨 林，张贵保

(1.中铁建工集团有限公司,北京 100160; 2.东莞市建筑科学研究院有限公司,广东 东莞 523809)

在富水的深厚风化混合岩层进行基坑工程施工,地下水的处理不可避免。目前关于地下水的处理方式,主要有施工降水以及基坑止水。但是施工降水过程中,会使周边地层产生不均匀沉降,造成房屋出现开裂、地下管线变形等不良影响。因此基坑止水成为了地下水处理的首选方式。咬合桩作为基坑止水措施之一,具有受力整体性好、抗渗性强等特点。当前关于咬合桩的研究,主要集中在施工工艺[1-3]及工程应用[4-6]上,针对深厚风化混合岩层咬合桩止水效果的综合控制研究还较少[7]。

本文以东莞国际商务区某基坑为例,采用Abaqus有限元软件,分析在深厚风化混合岩层下咬合桩长度对渗流特性的影响,在施工过程中采取措施对咬合桩的垂直度进行控制,通过电渗法对基坑咬合桩的止水效果进行验证,并对咬合桩渗漏部位进行针对性处理,避免基坑在开挖中出现渗漏问题。

1 工程概况及地质条件

1.1 工程概况

东莞国际商务区某基坑,基坑所在位置靠近地铁线车站区间,基坑总基地平面面积约72 350 m2,基坑总长度1 290 m,基坑深度17.8 m～30 m,采用明挖法施工。基坑东南侧采用四排桩+桩间连接板撑方案,外侧第一排采用φ1 000@1 400 mm荤桩+φ1 000@1 400 mm素桩的咬合桩,外侧第二排、第三排和第四排围护桩采用φ1 000@1 200 mm和φ1 200@1 400 mm钻孔灌注桩;西北侧采用二级放坡+排桩支护方案,排桩采用φ1 000@1 400 mm荤桩+φ1 000@1 400 mm素桩的咬合桩,部分段采用双排桩间距3 m;西南侧采用二级放坡+咬合桩+内支撑支护方案,咬合桩采用φ1 000@1 400 mm荤桩+φ1 000@1 400 mm素桩,支撑采用700 mm×1 000 mm混凝土支撑,坡面上坡顶采用φ850@600 mm的三轴搅拌桩进行止水。基坑平面图见图1。

1.2 工程地质与水文地质条件

进行勘察时,场地内各钻孔均见地下水,地下水类型分为潜水和基岩裂隙水,稳定水位埋深介于1.00 m～5.60 m,其中孔隙水和基岩裂隙水水位基本一致。孔隙水赋存于第四系各地层及全风化岩中,其中人工填土为中等透水层,坡积黏土和残积砂质黏性土及全风化岩为弱透水层;基岩裂隙水赋存于强—微风化岩中,强风化岩为中等透水层,中风化岩为弱透水层,基岩裂隙水具承压性。渗透系数见表1。

表1 场地岩土层渗透系数

2 渗流作用下咬合桩止水效果分析

2.1 数值模型的建立

采用Abaqus数值模拟软件对基坑进行数值模拟分析,所采用的模型如图2所示,计算模型的总长度为50 m,深度42 m,风化岩层埋深11.7 m,基坑开挖深度为16 m,基坑底部宽度为20 m。由于基坑外侧第一排采用φ1 000@1 400 mm荤桩+φ1 000@1 400 mm素桩的咬合桩作为止水的支护结构,当利用有限元法模拟咬合桩时,需要将咬合桩按等效刚度折算成地下连续墙,折算厚度t的计算公式如下:

t=0.838[D/(D+L)]1/3。

其中,D为咬合桩直径;L为咬合桩净间距。

因此计算模型中咬合桩的宽度为0.625 m,咬合桩长度为h。为考虑不同咬合桩深度对基坑渗流的影响,分别对咬合桩长度h赋予不同的值,观察其对基坑渗流场的影响作用。

2.2 咬合桩长度对基坑渗流场的影响

图2(a)为无咬合桩条件下,基坑总孔隙水压分布图和流速矢量图,从图2(a)中可以看出,在无咬合桩条件下,孔压等值线在基坑底部出现弯曲,这说明基坑侧壁与基坑底出现了渗流;图2(b)为无咬合桩条件下基坑的流速矢量图,渗流矢量的方向与大小宏观地反映了渗流作用下孔隙水压力的变化。由图2(b)可见,在不设置咬合桩的条件下,当基坑中心进行降水时,最大渗流速度出现在基坑侧壁底部,如果土层的渗透系数较大,基坑外的地下水会不断渗流到基坑内,达不到理想的降水效果。

图3为咬合桩进入强风化岩层的总孔隙水压云图和流速矢量图。从总孔隙水压图可以看出,孔压等值线在咬合桩附近出现弯曲,表明基坑仍然存在一定的渗流现象。但是咬合桩的存在延长了地下水的渗流路径,地下水沿着咬合桩侧进行渗流,在一定程度上阻止了基坑外侧地下水渗流到基坑内。

图4为咬合桩进入中风化岩层的总孔隙水压云图和流速矢量图。通过图2—图4的对比可知,随着咬合桩深度的增加,渗流速度逐渐减小。当桩端进入到弱透水性的中风化岩层时,渗流速度的减小幅度最大,具有良好的止水效果。在考虑施工成本的条件下,桩端至少进入到弱透水性的中风化岩层1 m。根据本项目场地中风化岩层埋深情况,本项目咬合桩的长度介于23 m～35 m之间。

3 咬合桩施工过程垂直度控制

咬合桩的止水效果依赖于桩体之间的密封性。只有在垂直状态下,桩体之间的咬合部位才能完全贴合,形成有效的止水层。如果桩体存在垂直度偏差,咬合部位的密封性将受到影响,会导致咬合部位与周围土层之间的间隙产生,使侧向水渗透的可能性增加,从而降低止水效果。

为了保证咬合桩的止水效果,使桩底的咬合度保持完整,避免桩间出现开叉渗水现象,在施工过程中应严格控制桩身垂直度,进行垂直度控制主要有以下措施:

1)在进行套管安装之前,检查和校正套管的直度,以确保偏差在0.1%～0.2%范围内。首先,对单节套管进行检查和校正,再将套管按照设计长度接长,并再次进行检查和校正。

2)成孔过程中,通过布置在正交方向的经纬仪对地面以上的套管进行连续的垂直度检测,以确保发现的偏差进行及时的调整。

3)在成孔过程中,当垂直度超过允许的偏差范围时,采取以下措施进行纠偏:

a.当套管入土深度不足5 m时,直接利用钻机的顶升油缸和推拉油缸调节套管的垂直度。

b.当入土深度大于5 m时,如果钻机油缸纠偏无法达到要求,需向套管进行回填同时将套管拔起至上一次检查合格的部位,待垂直度检测合格后再重新下压。在套管回填过程中,素桩与荤桩的套管的回填材料有所不同,素桩的套管可以回填砂土或黏土等材料,荤桩套管则需回填与素桩相同的混凝土材料。

4 咬合桩止水效果检测与处理措施

4.1 止水性能检测

基坑咬合桩施工完成后,采用电渗法进行止水性能检测。电渗法是一种利用电场作用,使水分子在土体中运动的方法,可以用来检测基坑的渗漏情况。通过在基坑的内外侧分别设置正负极,形成一个闭合的电路(见图5)。当有水分子从基坑的墙体渗出时,会带动电荷在电路中流动,产生电流。通过测量电流的大小和变化,可以判断基坑的渗漏程度和位置(见图6)。

完成数据采集后,对数据分析以及可视化,根据不同的检测指标和方法,对渗漏风险进行明确的定位和分级,最终生成详细的检测成果图。通过对基坑咬合桩的止水性能进行电渗法检测,基坑内仅少量咬合桩局部部位存在渗漏点,导致基坑内外产生一定的水力联系。渗漏部位典型检测成果图如图7所示。

4.2 处理措施

对于局部止水效果未达到要求的咬合桩,对于水力联系轻微的咬合桩,采用坑外注浆方式对渗漏部位抗渗处理;对于水力联系较强的咬合桩,在与原桩位外侧增加咬合桩以及旋喷桩作为补强防水处理,增加咬合桩的抗渗能力,提高桩基的稳定性和承载力。

5 结语

东莞国际商务区某基坑,基坑外侧采用“荤素”咬合桩进行支护与止水。利用Abaqus数值模拟,分析对比了进入不同风化岩层咬合桩在基坑中的渗流场,在施工过程中采取措施对咬合桩的垂直度进行控制,并对完工后的咬合桩止水效果进行验证和渗漏处理。通过对咬合桩止水的综合控制,得到了以下的结论与建议:

1)对于分布有深厚风化混合岩层的基坑场地,咬合桩的存在增加了地下水的渗流路径,随着咬合桩深度的增加,渗流速度逐渐减小。当桩端进入到弱透水性的中风化岩层时,渗流速度的减小幅度最大,具有良好的止水效果。在考虑施工成本的条件下,桩端需进入到弱透水性的中风化岩层1 m。

2)对于咬合桩在施工过程中的垂直度控制,需要持续进行工艺改进。从设备角度出发,应进一步提高设备强度和刚度,避免因为设备松动或变形而导致咬合桩偏斜;研发随钻检测和纠偏功能,实时掌握咬合桩的位置和方向,及时发现和纠正偏差。

3)对于咬合桩的缺陷,应探索针对咬合桩缺陷的检测技术。在基坑土体进行开挖前,通过电渗法检测技术,能够有效地对咬合桩的止水效果进行验证,预判咬合桩的渗漏部位并采取针对性的处理措施,确保基坑在开挖过程中不出现渗漏问题。