不良地质环境中基坑边坡加固技术分析及其应用.doc

第 28卷增刊 岩 土 力 学 Vol.28 Supp. 2007年 10月 Rock and Soil Mechanics Oct. 2007 收稿日期2007-04-28 作者简介张向阳,男, 1973年生,硕士,副研究员,主要从事岩土工程领域静载和动载方面的模型试验研究。 文章编号1000-7598-2007增刊-0663-06 不良地质环境中基坑边坡加固技术分析及其应用 张向阳,李欢秋,吴祥云,庞伟宾 总参工程兵科研三所,河南 洛阳 471023 摘 要结合现有边坡加固理论和加固经验,对一紧临道路和 8层老楼房且下部有厚度达 14 m淤泥软弱土层的基坑边坡进 行了复合加固设计。通过对边坡稳定性计算、分析,加固后的边坡满足最小安全系数的要求。按照本设计进行施工后,基坑 边坡的变形和周围建筑物的沉降均在安全允许的范围之内, 保证了地下室结构部分的顺利施工。 所提供的加固技术对同类深 基坑支护工程具有重要的参考价值。 关 键 词淤泥;基坑;复合加固技术 中图分类号TU 452 文献标识码A Analysis and application of reinforcement technology of deep excavation and slope under bad geological conditions ZHANG Xiang-yang, LI Huan-qiu, WU Xiang-yun, PANG Wei-bin The Third Scientific Research Institute of the Corps of Engineers of PLA, Luoyang 471023, China Abstract Based on the slope reinforcement theory and experiences, the reinforcement scheme of a slope that is close to a road and an old building with eight-floor in the silt soil with deep fourteen-meters is designed. By means of stability calculation and analysis of the slope, the smallest security coefficients in the reinforced slope are analyzed. During the excavation of the reinforced slope based on this design, the displacements of the slope and the settlements of surrounding buildings are in the scope of security and requirement, and the successful construction of basement structures are guaranteed. The technology provided in this paper serves as a useful reference to the similar engineering. Key words silt soil; base slope; comprehensive reinforcement 1 引 言 淤泥土俗称“橡皮土”,它具有强度低、流 ∼软塑、高灵敏性等特点,是地基基础、基坑边坡所 遇到的最难以进行治理的软弱土体之一 [1]。当边坡 土体尤其是边坡下部土体为淤泥时,由于其承载力 非常低,如果边坡支护方法不得当,基坑底板下土 体常常变形过大甚至隆起,从而造成边坡产生深层 滑移,使基坑周边环境遭到破坏,坑中的工程桩被 推歪或推断 [2]。如果采取合理、有效的加固措施, 则可以减小土体变形, 使淤泥质土质边坡保持稳定, 使周边环境保持安全状态。 2 工程概况 2.1 周边环境 某两栋 31层的综合住宅楼位于武汉汉口新华 路附近,设 1层满铺地下室,地下室为长方形,面积 约 60905 400 m2,地下室开挖深度为 4.8∼5.8 m。 地下室边线东侧距 19层楼约 15 m,西侧距 8层老 楼房 5 m,南侧紧临道路,北侧距 3层楼房约 8 m。 整个地下室基坑周边环境见图1所示。 2.2 地质情况 根据地质报告 [3],与基坑安全有关的土体由 3部分组成上部土体为杂填土,含有建筑垃圾,结 构松散;中部土体为淤泥质土体,饱和,流塑;下 部土体为稍密、饱和的粉土、粉砂。与基坑边坡安 全相关的土体参数见表 1。 2.3 地下水情况 场地水文地质特征是上部人工填土层赋存上 层滞水,下部粉细砂层中的地下水为孔隙承压水。 1上层滞水主要赋存于杂填土中,地下水 岩 土 力 学 2007年 注说明3个代表性测点 m 1、 m 2、 m 3分别为位移、位移和沉降 图 1 地下室基坑周边环境及支护平面图 Fig.1 Environment and reinforcement plan of the deep excavation 表 1 土体参数 Table 1 parameters of soil 层号 土层 名称 平均厚 度 /m 重度 /kN⋅m −3 黏聚力 /kPa 摩擦角 / 压缩模量 /MPa 承载力 /kPa ① 杂填土 1.85 18.5 10 8 4.0 80 ② 淤泥 2.15 17.6 6 5 2.5 60 ③ -1 淤泥质粉质 黏土 5.1 18.2 10 4 3.5 80 ③ -2 淤泥质粉质 黏土 7.05 18.0 12 8 4.0 100 ③ -3 粉土 1.5 19.1 0 16 9.0 120④ 粉砂夹粉土 1.55 19.2 0 20 12.0 160⑤ -1 粉砂夹粉土 1.0 18.7 14 18.6 8.0 130⑤ -2 粉砂 5.3 19.4 15 20.55 13.5 170 位埋深 0.5∼1.1 m左右,受大气降水和地表水的补 给,主要反映在地下水排泄与补给直接影响上层滞 水的水位升降。 2孔隙承压水地下水位埋深 4.0 m左右, 上部以淤泥层为相对隔水层顶板,下部以志留系粉 砂质页岩页岩、泥质粉砂岩为隔水层底板;在上、 下隔水层之间赋存砂性土层中的地下水,具有承压 水性质,承压性与长江水有着密切互补关系;洪水 期江水补给地下水,枯水期地下水补给江水。 由于下部淤泥土层为相对隔水层且厚度有 10 m左右, 不会发生承压水上涌的情况, 无需对地 下承压水进行治理。 3 边坡加固方案设计 3.1 加固方案选择 虽然该基坑深度只有 4.8∼5.8 m, 但由于基坑周 边环境复杂,地质条件很差,因此根据文献 [4],将 本基坑重要性等级定为一级。因为淤泥质土承载力 较低,为减小土压力,如现场条件允许,可以对边 坡土体进行适当挖坡卸载。为防止坡脚土体上隆, 在基坑下部可以采取对坡脚进行反压,或采取加固 措施。为了给加固方案选择提供依据,首先根据基 坑距周边构筑物的距离,初步采用的基坑边坡的坡 面形式为上部 1.5 m高的土体按 10.2的坡度开 挖, 用以减载, 然后留一宽 3.5 m、 高 3.3 m的土台, 用以反压坡脚。就该方案运用 FLAC 岩土工程专用 程序对该坡面形式的边坡进行了数值模拟,分析时 土体采取摩尔 -库仑破坏准则, 并在边坡顶部地面上 作用的附加荷载 10 kPa。经过计算,得到了如图 2所示的自然边坡滑移面和边坡变形趋势,图中黑粗 线即为滑移面,下同 。 从图中可以看出,自然边坡 存在着深层滑移面,深层滑移面下端越过坡脚而延 伸到了距坡脚一定距离的基坑底板下土体内图 2 a , 从而形成基坑底板下土体上隆, 最后导致牵 引式滑坡的产生, 图 2b 为基坑边坡变形矢量图。 如用毕肖普条分法计算,得到的边坡最小安全系数 664 增刊 张向阳等不良地质环境中基坑边坡加固技术分析及其应用 在 0.5左右见图 2b ,远远没有达到一类基坑 边坡所要求的最小安全系数 1.32。图 2计算结果表 明虽然卸载后坡高只有 3.3 m,但仅采取卸载和压 坡脚不能保证该基坑边坡稳定。 a b 图 2 无支护边坡滑移面和最小安全系数单位m Fig.2 Sliding face and the smallest security coefficients in unsupported slopesunit m 为保证边坡安全,采取的加固措施需满足两个 要求① 将坡脚下深层滑移面截断,使边坡体内的 滑移面不再向基坑底板下土体内延伸,从而形不成 上隆趋势; ② 减少边坡土体变形,防止出现因边坡 变形过大而引起周围建筑物的开裂。对于存在上述 破坏形式的软土地基边坡,采用的边坡加固方法 有桩排钻孔灌注桩或人工挖孔桩和静压桩加锚 杆或加钢撑、地下连续墙加锚杆、水泥土墙加锚杆 等方法。由于锚杆杆体通过注浆体与土体紧密结合 在一起,尽可能的保持、最大限度地利用基坑边壁 土体的固有力学性质,变土体荷载为支护结构体系 的一部分为基本原理的,它与支护桩结合起来应 用,将满足上述两个要求。再加上桩锚联合加固方 案与其它方案相比,具有安全,经济,施工速度快 等优点,因此结合基坑周边情况,本次基坑加固设 计采用上部 1.5 m高土坡采取喷锚支护方案,下 部 3.5 m宽, 3.3 m高的土台采取桩锚支护或双排桩 支护方案。 3.2 支护桩参数选择 一般情况下,采用一排抗滑桩或加桩间锚杆加 固形成排桩加锚杆支护体系,即可满足支护安全要 求, 但在 8层楼房侧, 考虑到尽量不扰动楼房基础, 因此该侧不考虑采用锚杆加固。数值计算表明,在 8层楼房侧,基坑深度为 5 m,由于基坑底部淤泥 土层厚度较大,楼房荷载取 81590 kPa,一排支 护桩不足以将深层滑移面截断如图 3所示。图中的 竖向黑线为支护桩,下同,因此该侧采用双排抗滑 支护桩,桩顶冠梁顶面距地面下 1.5 m,两排 桩排距为 2.2 m,第一排桩间距 1.1 m,第二排桩间 距 3.3 m,两排桩用混凝土梁相连接。计算结果显 示,双排抗滑支护桩彻底地将土坡内的滑移面截断 在土坡土体内,滑移面不再向基坑底板底下的土体 内延伸。基坑底板底下的部分浅层土体在开挖初期 进入塑性状态,但由于桩的加固效应,经过应力调 整后,该部分土体又重新进入弹性状态,因此 8层 楼侧基坑支护采用双排桩可以满足安全性要求,见 图 4。二排桩的具体设计参数见表 2。 图 3 单根桩情况下的滑移面 Fig.3 The sliding face adopting one row pile 图 4 双排桩情况下的滑移面 Fig.4 The sliding face adopting two-row piles 表 2 抗滑支护桩设计参数 Table 2 Designing parameters of the resisting sliding pile 参数 桩径 /m 桩长 /m 桩间距 /m 混凝土强度 C30 主筋 /mm 箍筋 /m 定位筋 /m 量数值 0.8171.1 0 18φ22 φ8200φ162000 665 岩 土 力 学 2007年 弹簧浆体 剪切刚度 锚单元 开挖面 注浆体 局部放大 轴向刚度 滑块浆体 粘结强度 锚单元节点 y s F x σx u d x x σσd x d x x u u s F x 在数值计算中,桩采用摩擦桩受力模型。桩身 受的水平力为桩后土体的主动土压力,桩周所受摩 擦力为 tan c τσϕ, 其中 c 为接触面黏聚力; σ为接触面法向应力; ϕ为接触面摩擦角。桩与周围 土体之间的接触面计算参数,如摩擦角、黏聚力等 参数,由于桩的加固作用,计算值均大于该层土体 相同的相应参数的 20 。 该计算方法与常用的弹性抗力法相比,能考虑 抗滑桩与土体的共同作用,计算得到的桩身内力、 桩的变形及其加固效果更能符合实际情况。抗滑支 护桩的加固效果具体体现在边坡位移量的减少及最 小安全系数的提高,详见表 3。 表 3 双排桩加固效果比较 Table 3 Contrast of the reinforcement of piles 位 移 效果参数 参数值 坡顶水平 /mm 坡顶垂直 /mm 平台水平 /mm 平台垂直 /mm 最小安 全系数 自然边坡 2 000 4 500 4 000 8 000 0.6 单排桩加固边坡 60 80 40 60 1.061双排桩加固边坡 22 20 15 12 1.325 桩锚 30 40 22 32 1.3233.3 桩间锚杆参数选择 由于基坑南侧距明渠路只有 7 m多,而基坑深 度为 5.8 m,由表 3可以看出,尽管采用单排支护 桩已使基坑的水平位移大幅度减少,最小安全系数 值大幅度提高,但是,由于该基坑土质差,塑性变 形大,仅采用悬臂桩,边坡的变形仍大于所规定的 最大水平位移为 40 mm。因此,该侧基坑边坡还需 采用锚杆加强加固措施,以减少其位移。在软土中 采用桩锚支护结构,一般采用强桩弱锚型。 具体措施为在上部 1.5 m高的边坡上,设置 一排锚杆,主要用于加固该部分的杂填土层;在 3.3 m高的土台,支护桩之间设置一排预应力锚杆, 预应力吨位为 50 kN。 该排锚杆外端部用 20号槽钢 连接在一起,为抗滑桩提供一个支撑点,减少抗滑 桩的水平位移,从而减少边坡土体的位移。由于第 二排锚杆桩间锚基本位于第二层淤泥土层中, 为了使锚固段位于下部相对较好的土层内,提供较 大的锚固力,该排锚杆的下倾角较大,为 20。由 于淤泥质土的结构性强,为避免钻孔向外排土而造 成对该土的扰动, 该排锚杆成孔采用 “跟管钻进法” 将规格为 φ 634 mm钢管挤压入土体内;然后在钢 管内放置一根 φ 25 mm钢筋,作为杆芯。最后注浆, 注浆体会通过钢管上的出浆孔渗入土体中,形成锚 固体。锚杆设计参数见表 4。锚杆和抗滑桩的联合 加固效果见表 3及图 5。由于桩间锚杆的作用是限 制桩身位移,因此,桩间锚杆的受力是按锚杆结构 与土体共同作用的方法来进行计算的,其原理示意 图如图 5所示。 表 4 锚杆设计参数 Table 4 Designing parameters of the bolt 位置 长度 /m水平间距 /m 杆体材料 倾角 /预应力 /kN 第一排 6.0 1.5 φ 48钢管 10 0 第二排 25.0 1.1 φ 634Φ 25 20 50 图 5 锚杆与土体相互作用示意 Fig.5 Sketch map of mutual effect of bolt and soil 图 6 锚杆受力模型 Fig.6 Mechanical model of bolt 锚杆的受力机理是锚杆杆体与周围土体上存在 着切向相对位移,该切向相对位移引起了锚杆与土 体之间平行于锚索轴线方向上的摩阻力或剪应 力 [5 , 6] 。当锚杆结构与周围土体产生相对位移时, 锚杆结构体周边受到了来自土体的摩擦力,取长度 为 d x 的一段锚杆结构体作为研究对象,如图 6所 示,则可得到 X 方向的平衡方程为 2r 2d 0d x x u AE k u u x − 1 式中左侧第一项为锚杆结构体所受的轴力;第二 项为锚杆结构体所受到的摩擦力。 A 为锚杆结构体 的横截面积; x u 为锚杆结构体轴向位移; r u 为土体 沿锚杆轴向方向的位移; E 为锚杆结构体的弹性模 量; b E 为锚杆杆体弹性模量; b A 为锚杆杆体横截 面积; g E 为注浆体弹性模量; g A 为注浆体横截面 积; r E 为土体的弹性模量; k 为锚杆与土体间的剪 切刚度 [7], r r EE k E E 2 锚杆结构体与孔周边土体之间的极限黏结应力 取为max tan c τσϕ,其中 c 为注浆体与土体间 666 增刊 张向阳等不良地质环境中基坑边坡加固技术分析及其应用 的黏聚力; σ为注浆体与土体间接触面的法向应力; ϕ为注浆体与土体间接触面的摩擦角,本计算模型 没有考虑锚根效应 [8]。由于锚杆结构体的刚度远大 于桩后面的土,当土体变形时,土体便受到了来自 锚杆结构体的限制土体向基坑方向变形的摩阻力, 使土体变形减小,这提高了土体的力学参数,如变 形模量等。应用该锚杆与土体相互作用理论,对支 护桩之间采用锚杆再加固的基坑边坡进行了计算, 计算得到的变形值及安全系数列于表 3。 从上述图表中可以看出,经过桩锚联合加固 后,边坡土体的变形及最小安全系数均满足相关规 定。对于无支护边坡,由于处于破坏状态,其位移 值已没有实际意义,但为比较,也将其计算数值列 于表中。典型支护设计剖面图见图 7。 a 8层楼位置支护剖面图 b 明渠路侧支护剖面图 图 7 典型支护设计剖面图单位mm Fig.7 Typical reinforcement sectional drawingunit mm 4 边坡加固施工 4.1 桩施工 桩的抗滑加固作用对于整个基坑边坡的稳定起 着关键作用, 重点是保证桩要嵌入较好土层的深度, 为提高支护桩的整体性,在桩的顶部施工一道钢筋 混凝土冠梁, 冠梁尺寸为 900 mm500 mm。 开挖边 坡时,应避免开挖机械碰撞已施工的桩和扰动桩附 近的土体。 4.2 锚杆施工 在基坑边坡开挖时,根据锚杆设置高度控制土 体分层开挖高度并及时施工锚杆,以免土体变形过 大,保证边坡土体与锚杆共同发挥支护作用,具体 是每层土体的开挖深度比该层锚杆头部标高深 30 cm左右。锚杆施工是加固施工的重要环节,其 中锚杆长度和注浆质量是保证边坡土体内活动区和 稳定区成为一个整体的决定因素。在施工中要严格 按照设计进行施工。 5 边坡加固效果 图 8给出了明渠路侧和八层楼侧支护桩顶 m 1、 m 2点变形时程曲线和 8层楼距基坑边最近点 m 3沉 降时程曲线。从时程曲线可见,基坑边土方是按 2∼3层挖除的,第 1层挖至冠梁顶,施工 6 m长锚 杆并网喷支护后,变形趋于稳定;双排桩侧第 2层 土体挖至承台底, 在挖土过程中支护桩有少量变形, 但挖到标高后,变形便停止,而明渠路侧第 2层土 体挖至桩间锚杆位置下 0.3 m,施工桩间锚杆后变 形趋于稳定;明渠路侧第 3层土体挖至底标高过程 中,支护桩顶变形比挖第 2层土体变形小,而且这 种变形很快趋于稳定,说明桩间锚杆比较好地起到 了控制变形的目的。从地面宏观情况来看,虽然挖 土和支护过程中地面出现了一些微细的裂缝,但没 有异常沉降、裂缝等问题发生,没有影响基坑周边 道路的正常通车和相临建筑物的正常使用。 图 8 关键点位移沉降时程曲线 Fig.8 The time-course curve of displacement of key points L 18 m φ 48钢管 φ 481φ 1614121086420−2−4−6 d /m m 667 668 岩 土 力 学 2007 年 6 结 论 （1）针对下部土体为淤泥质软弱土体的边坡， 采用上部喷锚支护，下部桩锚支护或双排桩支护的 设计方案是科学合理的，有效的，施工是可行的， 它可比较好地控制基坑变形，对周边环境影响比较 小。 （2）护桩采用摩擦桩计算模型，能考虑抗滑桩 与土体的共同作用，计算得到的桩身内力、桩的变 形及其加固效果更能符合实际情况。 （3）在淤泥质土环境中建议采用强桩弱锚支护 形式，为有效发挥锚杆的加固效果，锚杆施加的预 应力值不应过大，一般取设计值的 30 ∼50 。 （4）锚杆施工简单，受力明确，成本低廉，预 应力施加完毕后能够迅速提供支护力，改善和提高 土体的力学参数和应力状态，有利于发挥土体的固 有强度，限制土体的变形发展，提高软弱土体边坡 的稳定性。 [8] [6] [7] [5] [2] [3] [4] [1] 参 考 文 献 李欢秋， 张福明， 赵玉祥. 淤泥质土中锚杆锚固力现场 试验及其应用[J]. 岩石力学与工程学报，2000，19（增 刊） 922－925. 龚晓南. 基坑工程实例 1[M]. 北京 中国建筑工业出版 社，2006，11. 107－112. 中国建筑技术开发总公司远东花苑工程勘察报告[R]. 北京中国建筑技术开发总公司，2003. 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