孟憲偉，劉玉峰，劉勝梅，齊閣，李小倩

(1.青島瑞源工程集團(tuán)有限公司，山東 青島 266555；2.山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；3.青島市勘察測(cè)繪研究院，山東 青島 266032)

0 引言

濱海地區(qū)地下水位較高，工程性狀較差的軟土、粉細(xì)砂等分布較廣，給基坑支護(hù)帶來(lái)很大不利影響。特別是在建成區(qū)進(jìn)行基坑施工，周邊環(huán)境條件比較復(fù)雜，如果基坑支護(hù)措施不當(dāng)，往往會(huì)造成不可估量的損失。

樁錨支護(hù)是常用的一種支護(hù)形式，該支護(hù)形式能夠有效地控制基坑變形。其原理是鉆孔灌注樁和錨桿共同作用，共同抵擋樁后土體的壓力。此支護(hù)形式受力明確，施工方便，但在濱海地區(qū)高水位地層中施工錨桿時(shí)存在如下問(wèn)題：①淤泥等軟弱土抗剪強(qiáng)度較低，提供的抗拔力較小，計(jì)算得出的錨桿錨固段非常長(zhǎng)。但大量試驗(yàn)結(jié)果表明，錨固段長(zhǎng)度超過(guò)某個(gè)數(shù)值后，抗拔力并不能得到相應(yīng)明顯提高[1-2]，即單純依靠增加錨固段長(zhǎng)度提高的抗拔力是有限的。②飽水砂土中錨桿施工極易造成涌砂冒水現(xiàn)象。隨著砂土的流出，支護(hù)體系外側(cè)出現(xiàn)空洞，導(dǎo)致基坑周邊地面塌陷，危及周邊建(構(gòu))筑物的安全。③錨桿施工不可避免地破壞止水帷幕，影響帷幕止水效果。

為了克服傳統(tǒng)錨桿在支護(hù)施工中存在的缺陷，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。Mickovski 等[3]通過(guò)對(duì)洋蔥等植物根系對(duì)砂土的錨固機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，得到了其抗拔力與深度和直徑成正比的規(guī)律。胡建林等[4]、陳維華、季樹凱[5]、孫濤等[6]對(duì)擴(kuò)大頭錨桿的抗拔承載力進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得出擴(kuò)大頭錨桿較普通錨桿的承載力平均提高20%～30%，最大為66%。

采用擴(kuò)大頭錨桿可以顯著提高錨桿的抗拔力，減小錨固段長(zhǎng)度，減少錨桿道數(shù)，較好地解決了濱海高水位砂土地層中基坑支護(hù)施工時(shí)出現(xiàn)的涌砂冒水問(wèn)題。但由于一般只在水位以上設(shè)置一道擴(kuò)大頭錨桿，在水土壓力作用下，與之相匹配的樁的彎矩比較大，配筋也比較大。為了解決這一問(wèn)題，本文提出了結(jié)合控制性降水措施的擴(kuò)大頭錨桿樁錨支護(hù)技術(shù)，將基坑外的水位控制在某一深度，在確?；又苓吔ㄖ锇踩那疤嵯驴梢杂行Ы档椭ёo(hù)樁的彎矩。

近幾年來(lái)，工程技術(shù)人員對(duì)周邊存在位移敏感建筑物條件下的控制性降水進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，目的是既要保證降水效果，又能有效控制降水引起的周邊環(huán)境變形。繆俊發(fā)等[7-8]、劉軍等[9]、姚天強(qiáng)等[10]對(duì)降水和由此引起的地面沉降作了大量研究。研究表明，合理、可行的降水方案能夠兼顧降水效果與周邊環(huán)境變形要求。下面將結(jié)合工程實(shí)例對(duì)結(jié)合控制性降水措施的擴(kuò)大頭錨桿樁錨支護(hù)技術(shù)進(jìn)行介紹。

1 工程概況

擬建污水泵站主要包括一座污水泵站及進(jìn)水轉(zhuǎn)折井、進(jìn)(出)水閘門等配套設(shè)施。污水泵站基坑周長(zhǎng)約100 m，開挖深度約10.7 m。

1.1 基坑周邊環(huán)境

擬建地下室外墻距基坑北側(cè)原有泵站約8.8 m；東、西兩側(cè)距現(xiàn)有建筑物距離均大于10 m，但1 倍基坑深度范圍內(nèi)有多條暗渠、污水管道等，南側(cè)緊臨東海路，管線較多(見(jiàn)圖1)。

1.2 工程地質(zhì)條件

工程場(chǎng)區(qū)地形平緩，地貌類型屬濱海淺灘，后經(jīng)人工改造。場(chǎng)區(qū)第四系厚度約12.6 m，第四系由全新統(tǒng)人工填土層、海相-海相沼澤化沉積層、洪沖積層及上更新統(tǒng)洪沖積層構(gòu)成。場(chǎng)區(qū)基巖為燕山晚期花崗巖，局部穿插后期侵入的細(xì)?；◢弾r巖脈。巖土層的物理力學(xué)性質(zhì)如表1 所示。

場(chǎng)區(qū)地下水穩(wěn)定水位埋深約2.5 m，地下水類型主要為第四系孔隙潛水-弱承壓水。

2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 方案比選

2.1.1 傳統(tǒng)樁錨支護(hù)體系與擴(kuò)大頭錨桿樁錨支護(hù)體系

兩種支護(hù)體系均設(shè)計(jì)鉆孔灌注樁樁徑1000 mm，樁心距1500 mm，樁頂標(biāo)高-1.50 m；錨桿水平間距1500 mm。計(jì)算采用理正深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件Fspw6.0，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

圖1 基坑周邊環(huán)境平面圖

表1 各巖土層物理力學(xué)指標(biāo)匯總表

由表2 可以看出，①經(jīng)濟(jì)性：普通錨桿需要4道，錨桿總長(zhǎng)為82 m；而擴(kuò)大頭錨桿只需1 道，長(zhǎng)度為20 m。雖然方案2 比方案1 的灌注樁配筋要大，但由于錨桿的總長(zhǎng)度大大減少，綜合測(cè)算工程造價(jià)方案2 比方案1 降低了約25%。②工期：由于減少了錨桿道數(shù)，方案1 錨桿施工需要的時(shí)間是方案2 的4 倍，且方案2 對(duì)土方的分層開挖要求大大降低?？梢?jiàn)，采用擴(kuò)大頭樁錨支護(hù)技術(shù)可以大幅度縮短工期。③施工：方案1 的第2、3、4 道錨桿的施工均在水位以下，錨桿施工難度較大，成孔時(shí)易引起塌孔、涌砂、冒水等現(xiàn)象，容易造成基坑周邊地面、建(構(gòu))筑物、地下管線的開裂、坍塌、沉陷，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致支護(hù)體系失穩(wěn)。方案2 的錨桿在水位以上施工，而且擴(kuò)大頭錨桿采用跟管鉆進(jìn)工藝，降低了上述問(wèn)題發(fā)生的可能性。因此，在本工程中采用擴(kuò)大頭錨桿樁錨支護(hù)技術(shù)具有造價(jià)低、工期省、施工方便的優(yōu)點(diǎn)，故最終選用方案2。

2.1.2 不降水方案與控制性降水方案

降低地下水位可以有效降低水土壓力，提高土體黏聚力和內(nèi)摩擦角，降低支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大剪力和彎矩，利于基坑穩(wěn)定；但降水會(huì)引起周邊環(huán)境的附加沉降，對(duì)基坑周邊的建(構(gòu))筑物及管線帶來(lái)不利影響。故設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)必須綜合考慮上述兩方面因素，對(duì)水位降深和周邊沉降進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)選擇最優(yōu)水位降深。

(1)降水沉降計(jì)算：計(jì)算參數(shù)如表3 所示，考慮降低鉆孔灌注樁的彎矩和剪力的同時(shí)保證降水時(shí)基坑周邊建筑物、地下管線的安全，按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》方法，采用《基坑工程手冊(cè)》公式，使用理正降水沉降分析軟件進(jìn)行驗(yàn)算，得出降深與辦公用房和地表的最大沉降量關(guān)系曲線(如圖2)。

圖2 降水與建筑物、地表沉降的關(guān)系

由圖2 可以看出，建筑物最大沉降量和地表最大沉降量均隨水位降深的增加而增大，由于建筑物距離基坑較遠(yuǎn)(約15 m)，由降水引起的建筑物附加沉降不大，地表最大沉降量均大于建筑物最大沉降量。當(dāng)水位降深≤3 m 時(shí)，建筑物最大沉降量曲線比較平緩，由降水引起的建筑物最大沉降小于0.2 cm；當(dāng)水位降深≥3 m 后，建筑物最大沉降量曲線變陡，當(dāng)水位降深為5 m 時(shí)，建筑物最大沉降達(dá)0.6 cm。當(dāng)水位降深≤2 m 時(shí)，地表最大沉降量曲線比較平緩，由降水引起的地表最大沉降小于0.60 cm，當(dāng)水位降深≥2 m 后，建筑物最大沉降量曲線變陡，當(dāng)水位降深為5 m 時(shí)，地表最大沉降達(dá)1.9 cm。

表2 兩種錨桿計(jì)算結(jié)果對(duì)比表

表3 降水沉降計(jì)算參數(shù)表

(2)內(nèi)力計(jì)算：計(jì)算采用理正深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，對(duì)基坑周邊不采取降水措施和不同水位降深情況分別進(jìn)行計(jì)算，得到每種情況下灌注樁的最大彎矩和最大剪力。圖3 為水位降深與灌注樁最大剪力關(guān)系圖，圖4 為水位降深與灌注樁最大彎矩關(guān)系圖。

圖4 降水與灌注樁彎矩關(guān)系圖

由圖3、圖4 可以看出，隨著水頭的降低，鉆孔灌注樁的最大剪力和彎矩均不斷減小。當(dāng)水位降深由0 m 增加到2 m，鉆孔灌注樁的最大彎矩和最大剪力均顯著下降，此后，曲線呈平緩下降狀態(tài)。這表明當(dāng)水位降深大于2 m 后，灌注樁的最大彎矩和最大剪力變化不明顯，繼續(xù)降低水頭意義不大。

2.2 支護(hù)設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)以上綜合比選，最終確定基坑的東、南、西側(cè)采用擴(kuò)大頭錨桿樁錨支護(hù)形式，其外側(cè)布置井點(diǎn)，水位降深控制在2 m。

設(shè)計(jì)鉆孔灌注樁樁徑1000 mm，樁心距1500 mm，樁長(zhǎng)15.2 m。配19 根Φ28 三級(jí)螺紋鋼主筋。設(shè)計(jì)錨桿桿體材料為6φs15.2 鋼絞線，錨桿長(zhǎng)度20 000 mm ，間距1500 mm，鉆孔直徑150 mm，錨固段長(zhǎng)度10 000 mm，其中擴(kuò)大頭段長(zhǎng)度5000 mm，直徑800 mm，入射角度30 °，錨桿預(yù)應(yīng)力鎖定值360 kN，錨桿內(nèi)力設(shè)計(jì)值720 kN。基坑支護(hù)剖面見(jiàn)圖5。

圖5 基坑?xùn)|、南、西側(cè)支護(hù)剖面圖

基坑北側(cè)毗臨地下室，無(wú)法采用樁錨支護(hù)形式，故采用旋噴樁水泥土重力式擋墻支護(hù)。設(shè)計(jì)水泥土墻寬度7 m，嵌固深度6.5 m，格柵狀布置。設(shè)計(jì)旋噴樁樁徑1200 mm，樁心距1.0 m，采用三重管工藝。

3 基坑監(jiān)測(cè)

為了動(dòng)態(tài)獲取基坑開挖和使用過(guò)程中支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊建(構(gòu))筑物的受力及變形信息，確?；娱_挖使用過(guò)程中的安全，在基坑周邊布置了支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移、垂直位移監(jiān)測(cè)、預(yù)應(yīng)力錨桿軸力監(jiān)測(cè)、地下水位監(jiān)測(cè)和周圍環(huán)境沉降監(jiān)測(cè)等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置如圖6。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置圖

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平、垂直位移監(jiān)測(cè)

圖7 為基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移曲線圖，反映了水平位移在整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程中的變化。由圖7 可知，基坑北側(cè)SP1 測(cè)點(diǎn)水泥土重力式擋墻部位在開挖初期位移沒(méi)有變化，在開挖接近基底時(shí)位移有所發(fā)展，但位移量很小，且很快趨于穩(wěn)定。基坑?xùn)|側(cè)SP3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)在開挖初期位移變化明顯，隨后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，SP2 則在開挖初期位移很小，在開挖接近基底時(shí)位移變化速率變大?；幽蟼?cè)SP4 在開挖過(guò)程中位移一直在變大，在使用階段后期趨于平穩(wěn)?；游鱾?cè)SP5、SP6 位移變化與SP4 類似?？傮w來(lái)說(shuō)，基坑水平位移均未超過(guò)報(bào)警值，其變化呈階梯狀，與土方分層開挖有較好的對(duì)應(yīng)性，基坑開挖至基底后10 天內(nèi)，各測(cè)點(diǎn)位移基本不再增大，趨于定值，圍護(hù)結(jié)構(gòu)處于安全穩(wěn)定的狀態(tài)。

監(jiān)測(cè)期間，基坑整體垂直位移變化不大，最大位移發(fā)生在基坑西側(cè)，變形量為2 mm，其它地段變化較小。

在整個(gè)監(jiān)測(cè)期間內(nèi)，周邊環(huán)境垂直位移較小，未到達(dá)報(bào)警值，保證了周圍建筑物和管線的安全。

3.2 預(yù)應(yīng)力錨桿軸力監(jiān)測(cè)

為了監(jiān)控基坑施工期間預(yù)應(yīng)力錨桿內(nèi)力狀態(tài)，分別在基坑?xùn)|(E-1)、南(S-1)、西側(cè)(W-1)進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力錨桿軸力監(jiān)測(cè)。在監(jiān)測(cè)錨桿端部設(shè)置振弦式錨桿軸力計(jì)。軸力計(jì)量程根據(jù)錨桿設(shè)計(jì)軸拉力確定，最大量程大于設(shè)計(jì)軸拉力值的120%。測(cè)得錨桿軸力變化數(shù)據(jù)如表4 所示，錨桿軸力變化曲線如圖8。

表4 錨桿軸力監(jiān)測(cè)表 kN

圖8 錨桿軸力變化曲線圖

由表4 和圖8 可知，錨桿張拉后其鎖定值均小于設(shè)計(jì)鎖定值400 kN。其原因可能有兩個(gè)方面：①錨桿鎖具在張拉過(guò)程中存在自鎖現(xiàn)象，導(dǎo)致軸力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)小于千斤頂油壓表顯示張拉數(shù)據(jù)；②錨桿張拉后未鎖定到位，產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力松弛現(xiàn)象。圖9 表明，E-1、S-1 錨桿軸力隨基坑開挖而略有增加，但增加幅度不大；而W-1 則出現(xiàn)明顯應(yīng)力松弛現(xiàn)象，鎖定后預(yù)應(yīng)力損失超過(guò)63 kN。鑒于以上分析，錨桿設(shè)計(jì)鎖定值應(yīng)以軸力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)；考慮預(yù)應(yīng)力松弛現(xiàn)象普遍存在，張拉過(guò)程中可適當(dāng)進(jìn)行超張拉，以保證鎖定值滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果總結(jié)

本工程基坑四周整體水平位移較小，平均位移小于2 mm。最大位移發(fā)生在基坑西側(cè)北段，可能與此處受細(xì)?；◢弾r巖脈的影響，鉆孔灌注樁施工未達(dá)到設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)有關(guān)。在基坑開挖及使用過(guò)程中，基坑北側(cè)、南側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部垂直位移變化不大。最大垂直位移2 mm 出現(xiàn)在基坑西側(cè)，遠(yuǎn)未達(dá)到報(bào)警值，說(shuō)明支護(hù)結(jié)構(gòu)是安全穩(wěn)定的?；颖眰?cè)垂直位移一直變化不大，說(shuō)明毗鄰地下室部位采用水泥土重力式擋墻支護(hù)型式是可靠的。基坑周邊建筑物最大沉降量1 mm，說(shuō)明基坑開挖及降水對(duì)周邊建筑物的影響不大。

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，基坑位移，錨桿軸力均小于設(shè)計(jì)值?？紤]本工程周邊環(huán)境條件較為復(fù)雜設(shè)計(jì)安全系數(shù)較大，擴(kuò)大頭錨桿抗拔承載力遠(yuǎn)未發(fā)揮；此外，可能與設(shè)計(jì)計(jì)算中未考慮降水引起基坑周圍土層物理力學(xué)參數(shù)的提高有關(guān)。

4 結(jié)論

(1)在濱海地下水位較高且存在飽水砂層的情況下，可通過(guò)設(shè)置擴(kuò)大頭錨桿來(lái)解決在地下水頭較高的部位設(shè)置多道錨桿引起的涌砂冒水的問(wèn)題。

(2)控制性降水可有效減小作用于支護(hù)體系上的水壓力，對(duì)支護(hù)體系的安全起積極作用。

(3)通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)選擇控制性降水的最優(yōu)降深，既可以有效降低水頭，又能達(dá)到保證基坑周邊建(構(gòu))筑物、地下管線的使用安全的目的。