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1、淤泥地区基坑开挖设计与施工总结荔彳f)第 8 卷第 4 期(总 29)地基处理 1997 年 12 月一/淤泥地区基坑开挖设计与施工.仍张幸辨(璩市建筑工程蔚察设计院 513000)提要 本文通过对泥地区众多基坑开挖工程的剖析,归纳总结出常见失事的原因及教训,同时结合成功工程实倒,从设计及施工角度提出相应对策或骑犯措施.前言在沿海地区,广泛分布着一定厚度的淤泥土,其古水量高达 60%以上,易触变,易流变.这类性质土层给基坑开挖工程带来相当难度和造价的大幅上升,且失事的比例远高于土质性质较好地区.其后果不仅表现在挡土桩的倾斜,折断或边坡的滑移,坑底的隆起,而且造成工程桩倾斜变位;不仅从时间和经济
2、上给本工程带来巨大损失,而且也危及到邻近建筑物的安全和正常使用.为此,在蹬泥区的基坑开挖,须引起人们的充分重视,应对支护工程体系从宏观上,整体上树立正确的概念,设计思想和施工方案.本文试图结合淤泥区众多基坑开挖工程实例.搬开支护结构常规的力学计算中的 I 可题,仅对人们易于疏忽却又往往成为基坑失事的.症结”进行剖析 t 并探讨性提出相应对策.失事原因分析总结(-) 放坡大于临界坡角或临界高度按泰勒(Taylor)稳定数法,边坡临界高度日按下式计算:H=N.,式中 M稳定系数(由边坡的坡度角及土内摩阻角等而定的系数)f 土的粘聚力7m 土的容重对于高饱和流塑状蹬泥,放坡比例一般小至 1t6,稳定
3、坡角仅 510.,这样小的坡角或如此大的开挖范围,实际施工中很难达到,即使达到,也可能由于软土的触变性和流变性,使边坡进一步失稳.实饲一 中山市污水处理厂兴建同样规格的两个池体,开挖深仅2.5r:.场区地质条件为:O.7m 厚松散填土,O.7m 厚耕植土,4.55.Om 厚含水量=69%淤泥,其下为粉质牯的辖日期 1997 年 6 月14 地基处理第 8 卷第 4 期土和中粗砂.两基坑之一采用卸荷加喷粉桩支档方案(后文详述)I 另一直接采用大放坡开挖,放坡宽约 5.Om 前者开挖顺利完成,后者开挖部分范围后,边拔即发生整体滑移,坑底淤泥上隆,坑中400 预制管桩发生倾斜.以后坡度虽经再三放缓,
4、仍难以开挖到位.如果淤泥层很厚,4 时( 为深度系数,为坚硬土层面离土坡顶的距离与土坡高度的比值),按泰勒稳定数图表,取 m=oo,则 M 一 5.52,此时土坡临界高度H=粤c.土的不排水抗剪强度上式说明,H 为仅与土的,有关的常数,与坡角无美,即无论多缓的放坡,基坑开挖深度都不能超载 H.实例二 乐清县赵章光楼地下室开挖深度 5.Om,场区地表为 0.5m石渣垫层,下面为 1.21.5m 厚淤泥质粘土,再下为 20m 厚淤泥.含水量 6O90,基坑开挖采用 1.2 放坡系数放坡开挖,挖至 22.5m 时,四周出现滑坡; 随后改为 1.5 放坡系数.坍方更严重,边缎沉管灌注桩全部折断;然后又
5、在四周斜坡上打两排 4m 长松木桩,并用角铁和吼 0 钢筋锚住松木,也未舱解决问题.(-) 计算参数选择不准确土压力计算最为关键的参数是粘聚力 c 和内摩擦角由于粘性土的抗剪强度 c,取值受诸多方面影响,给设计者带来很多困难和不确定因素表现在以下几方面:1.土的抗剪强度与土的固结度有密切关系,对同一种土在不同排水条件下进行试验可以得出不同的抗剪强度指标 c,值,但在饱和淤泥区,因其渗遗系数很小,故采用降水开挖方案的并不多见,则抗剪强度指标宜采用直接快剪或三轴的不排水剪.2.很多关于高层建筑的地质勘察报告都侧重对下部好土层进行力学性质及稳定性评价,忽视对浅部淤泥层物理力学指标的测试,尤其缺乏三轴
6、试验和原位测试指标;只注重基础选型,忽视对基坑开挖方案的建议.致使设计者对上部淤泥性质缺乏足够了解,有时甚至靠设计者经验取值,难免失之偏颇.3.由于原状土样送样不及时或封口不严,造成土样失水,导致土工试验抗剪强度指标偏高.4.很多设计者都意识到,在淤泥区支护,加固被动土压 2m.长 lOre 喷粉桩处理.再次挖至 3.2m 时,又发生大范围边坡失稳.挡土桩及工程桩均出现较大博斜和位移.该基坑失事固然与挡土桩人土过浅有关,但也与对喷粉桩改良效果的错误认识有关.因水泥系喷耪桩对周围淤泥改性,其实非常微弱,各喷耪桩独立布置,象一种排骨效应,不能形成整体结构作用或充分改良土壤.(三 )加固滚席不够 .
7、或来对坑底讲行同结处弹,导致坑底降起盏深层滑嚣l997 年 l2 月地基处理基坑开挖破坏了土体的应力平衡条件,当饱和软粘土抗剪强度无法抵抗基坑内外土压力差引起的滑动矩时,若挡土墙没有足够的深度或强度穿过危险滑面,或未对坑底,边坡淤泥加固改良,使其抗剪强度充分提高,则深层滑移或坑底隆起在所难免.实例四 中山市坦洲自来水厂沉淀池需开挖 4m 深基坑,采用格栅状喷粉桩挡土墙,墙宽 2.8m,桩长 8m.场区上部为 2m 厚填土 ,其下为 815m 厚淤泥,一 67%.在基坑开挖到设计底标高后不到一天,挡土桩后缘坡体首先出现细小裂缝及沉降,并逐渐扩展,随即在坑内离挡墙 34m 处,淤泥有隆起迹象,渐渐
8、挡土墙发生倾斜.后经在坡体上及时卸荷方保证开挖进行.(四 )支护结构整体性不好常见的呈格栅状布置的搅拌桩重力式挡墙,若空格比倒太大(70)或相邻桩搭接太小(lOcm),挡墙往往不能形成整体,共同作用.而疏于联系的桩易被土压力各个击破,进而引起整个挡墙破坏.为加强格栅状挡墙的整体性,通常在挡墙顶加一 1030cm 厚压顶混凝土板,并和桩顶插筋锚接起来有人主张按”1”字形或中空矩形验算格栅状挡墙内力,固然不错,但当弯曲应力及剪应力不瞒足要求时,认为靠单纯加大前后两排桩间距来提高抗弯,剪能力,其实不妥.因为过大空格从根本上削弱了搭接强度极其有限的搅拌桩挡墙整体作用效果(五 )施工方式或程序不对如地表
9、未做防排水系统,导致地表水的渗流,引起主动土压力增大,或动水压力冲蚀挡土结构;开挖中未建立有效监测系统,对施工中出现情况不能及时掌握;开挖时一次到位,使得应力骤然释放;开挖后不及时浇做垫层,停放时间过长,或从边缘向中间开挖,边缘基坑暴露过久,淤泥发生流变;在基坑四周堆填附加荷载,人为增大主动土压力等等.这些都是不可取的施工方式或程序.淤泥区基坑支护设计及施工对策(-) 采用复合边坡或”支挡加放坡(卸荷)” 方案在条件允许前提下,能够放坡,无疑应首先考虑放坡方案但囡在壮泥区要求放坡范围较大,坡度较缓,以及淤泥的流变,触变性,单纯采用放坡不仅加大土方开挖量及回填量,而且对施工组织保障提出较高要求.
10、因此较理想方案应是对放坡边坡适度加固固结或支挡.回到实例 1 即是采用”支挡加卸荷” 方案并取得成功的例子 (见图 1)实例五 中山精密钢球厂设备基坑深 4m,场区上部为 2m 厚填土,下部为 1218m厚淤泥.设计采用生石灰系喷粉桩加固边坡及固结坑底,既经济叉可靠,该工程获圆满成功(见图 2,图 3)有人认为,石灰属气硬性材料,在地下其后期强度增长欠佳.其实,一方面生石灰消化过程中需吸收大量水分,并放热膨胀,不仅石灰土桩强度提高很快,而且对桩间淤泥的改良效果远远优于水泥桩;另一方面,因基坑开挖支护属临时性措施,对其后期强度不必过分关注;再者,生石灰桩勿须密排布置,其材料价也较水泥便宜,故经济
11、上占优势.总之,生石灰系喷粉桩加固淤泥区边坡不失为一种理想方案(二 )加固被动土压区或固结坑底l6 地基处理第 8 卷第 4 期,550450图 1(引自邵忠心中山污水处理厂沉淀池基坑围护方案)000n1o00十 r)0000g.J0000024r臂00o000文 0c)+基坑一000o+.十 J图 2 边坡及执底加固桩位平面围 3 加固及开挖削面(引白陈少平 中山精密钢球厂基坑开挖设计方案)在深层淤泥区,增加挡土墙厚度和深度,往往不能有效提高挡土效果,反而使造价大幅增长.此时若对被动土压区进行加固,对提高支护结构的稳定性及防止坑底隆起往往可起到立竿见影的效果.一般采用(喷粉)搅拌桩,注浆法加
12、固靠基坑壁 1/2基坑深度范围,但加固须具整体作用,不会产生如实例三所述的排骨效应.若和防隆起处理结合起来,往往需对坑底满堂加固.对坑底的固结还可采用电渗障水措施.实例六 珠江电厂水泵房需开挖 13.1m 深基坑,场区上层为 6m 新近吹填砂,下面为2227m 淤泥 ,含水量 7080.设计采用加支腿的连续墙挡土结构.在基坑内布轻型井点电渗降水,固结基底下 6m 范围淤泥,土层明显变干变硬,从流塑变为可塑.基坑开挖获得成功.(-)采用合理的支挡结构若能针对场区地质袭件,基坑形状等具体袭件,采用合适的支挡结构,往往能起到事半功倍的效果1.鉴于淤泥提供被动士压力极小,故可充分运用结构措施弥补:用剐
13、支撑提供水平对一,正.1.r 一 000000_【000_【-l997 年 l2 月地基处理 17撑,角撑或斜撑力.在珠江三角洲地区,淤泥性质较上海地区更差,故在饱和粘土区应用灌浆锚杆的工程似不多见.2.根据基坑形状,尽可能将支护结构设计成圆形,椭圆形,弧形,抛物线形,双曲线形等充分利用拱的作用机理,减小支护结构厚度和深度,既安全又经挤.3.对于较为狭长基坑,特别是长度很大市政工程沟槽.可横跨槽底,布排桩提供对撑;亦可设计成连拱壁护岸,拱脚加刚性桩和横撑.对于开挖深度不大的狭长沟槽,有人采用单一搅拌桩工法,把连拱壁和槽底桩(提供对撑及防桩底隆起) 结合起来.4.对于饱和牯性土很厚地区,采用无支
14、撑双排桩型框架结构,对挡土及位移控制也十分有效.(四 )用系统工程的方法处理基坑开挖阃题基坑开挖与支护是一个涉及土力学,水力学,结构力学以及现代施工管理等几门学科相互交叉的系统工程,因此基坑开挖与支护必须更新观念,要从传统的参数设计转变到概念设计,全面考虑土质,水文地质,周围环境,基坑挖深,施工条件等因素,并用动态设计方法,反馈信息,以便及时调整或加固结构.近年来国内大量基坑开挖实践表明,概念设计和动态设计不仅是设计概念的更新.而且是保证基坑开挖成功的关键.实例七 新会某大厦设一层地下室,基坑需挖深 45m,但要达到设计地面高程,尚需在现场地面再填土 2.2m.场地范围开阔,上部为填土及耕植土
15、,厚约 2.Om,其下为厚约12.Om 淤泥,一 80.189.3%.设计者经多方面综合考察比较后,选择放坡加反压荷载方案.(见图 4,图 5)J 件-一斗 f厂一一一一一一一一1L 一-1,-? ?-?-JL.J图 I 救坡歼挖范围平面图对于该工程,地下室施工后,不仅要填平开挖边坡,而且还要在现地面上填土 2.2m.考虑到填土引起的软土侧压力必将导致主楼顶应力管桩基础的损坏,为此,采用在主楼周围基坑开挖边坡范围内,做架空地板方案.这样只需回填少量土.设计者不仅对基坑边坡稳定进行了分析计算;而且还综合考虑了基坑开挖中桩的水平位移及弯矩;采用架空地板方案建筑物抵抗水平荷载的能力;基础桩在水平位移
16、条件下受上部结构垂直,水平荷载作用时的抗弯能力等内容.并在基坑开挖中对边坡软土及工程桩的水平位移进行了监测,实测值稍小于计算值.此为用系统工程方法处理基坑开挖,并取得成功的范倒.T.18 地基处理第 8 卷第 4 期结语7.00.7.60l.ooI5.oo垫:田 5 放坡开挖剖面田(引自陆培炎等新会某大楼基坑开挖稳定性及开挖对工程桩的影响分析)1.在淤泥区开挖基坑,应对其不利因素有深刻认识.即坑底淤泥提供的被动土压力报小 I易发生整体滑移或坑底隆起 I淤泥易触变,易流变.这些因素往往是导致基坑失事的.症结.2.针对淤泥抗剪强度极小及呈流塑状态的特性,基坑支护首先宜充分考虑加固固结方案,以喷粉拄(水泥系,石灰系),压力注浆等方法为佳 I 对于较深基坑则
