砂性土地基超深基坑支護(hù)技術(shù)研究

王紅偉

河南省昊鼎建筑基礎(chǔ)工程有限公司

砂性土地基超深基坑支護(hù)技術(shù)研究

王紅偉

河南省昊鼎建筑基礎(chǔ)工程有限公司

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加快，城市土地資源問題日益突出，人們越來越重視城市地下空間的利用，因此推動(dòng)了基坑開挖深度的加大，促使了超深基坑工程的產(chǎn)生。這些超深基坑往往位于城市的中心位置，附近環(huán)境較為復(fù)雜，也有較高的保護(hù)要求，所以受到了學(xué)術(shù)界與工程界的重視。就砂性土地基超深基坑來說，下臥承壓水可能會(huì)將上覆土層沖進(jìn)基坑之中，導(dǎo)致基坑突涌破壞，對周邊環(huán)境造成嚴(yán)重的影響，因此，一定要重視砂性土地基超深基坑支護(hù)技術(shù)的研究工作。

砂性土地基；基坑；支護(hù)技術(shù)；圍護(hù)結(jié)構(gòu)

1.緒論

1.1砂性土地基超深基坑支護(hù)技術(shù)研究概述

最近幾年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，我國的城市化進(jìn)程也不斷加快，城市土地資源緊張問題日益嚴(yán)重，為了使得城市土地利用率得以有效提升，確保城市可持續(xù)發(fā)展，開始不斷提升城市地下空間的利用率，比如說：高層建筑多層地下室、軌道交通地下車站等，基坑挖掘的深度逐漸增加，推動(dòng)了超深基坑的產(chǎn)生，比如說杭州地鐵一號(hào)線之中的富春路站基坑的挖掘深度最高達(dá)至25.31米等。與此同時(shí)，這些超深基坑往往處于城市的中心，附近都是各種各樣密集的建筑，而且密集分布著各種地鐵隧道、交通干道以及地下管線等構(gòu)筑物，附近環(huán)境條件較為復(fù)雜，基坑的施工場地較為緊張，施工條件較為惡劣，而且在施工中還需要考慮其對附近環(huán)境產(chǎn)生的影響，要確保對附近人們的城市生活不會(huì)造成過大的影響。除此之外，基坑深度的加大也提高了對工程建設(shè)的要求，尤其是在地下水位較高的砂性土地基施工中，所以，對地下水的控制變成了基坑工程施工安全的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

1.2砂性土地基超深基坑支護(hù)的關(guān)鍵問題分析

通常而言，砂性土地基超深基坑支護(hù)主要有兩個(gè)方面的關(guān)鍵問題，分別是：基坑變形控制與地下水控制。下面分別對其進(jìn)行簡要介紹：（1）基坑變形主要內(nèi)容有：基坑周邊土體位移、坑底隆起以及維護(hù)結(jié)構(gòu)體的變形。其中基坑周邊土體位移主要是由于受到坑底土體隆起與維護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響而產(chǎn)生的；坑底隆起是由坑外土體荷載與坑底土體卸荷回彈而導(dǎo)致的；圍護(hù)體的水平變形是由維護(hù)結(jié)構(gòu)兩邊之間的壓力差所導(dǎo)致的。除此之外，基坑過度變形還會(huì)對附近道路燈、管線以及建筑物等產(chǎn)生一定的危害，其兩者間并非是純粹的影響和被影響的關(guān)系，在基坑變形對附近建筑物產(chǎn)生危害的同時(shí)，附近建筑物所產(chǎn)生的附加符合也會(huì)在一定程度上影響附近土體應(yīng)力場，進(jìn)而對基坑變形產(chǎn)生一定的影響。（2）砂性土地基地下水豐富而且水位較高，因此砂性土地基超深基坑支護(hù)關(guān)鍵問題不僅是基坑變形控制，而且還包括地下水的控制。地下水的控制主要包括兩方面內(nèi)容：潛水控制與承壓水控制，地下水控制可以采用降水或止水等措施。所謂的止水措施就是通常而言的布置止水帷幕，也就是在開挖基坑時(shí)，為了避免地下水橫向滲流而采用豎向止水措施，或?yàn)榱吮苊馔挥慷捎盟酱胧?，這一措施對確?；訚B流穩(wěn)定具有非常重要的作用?，F(xiàn)在止水措施中，主要應(yīng)用豎向止水帷幕，包括懸掛式與落底式兩種。懸掛式由于含水層過厚無法徹底穿通含水層而用于隔開上層滯水、潛水與帷幕深度中承壓水平向滲流，拓展了承壓水的滲徑；而落底式則直接穿透透水層從而深入下臥層的一定深度，將基坑內(nèi)外水之間的聯(lián)系予以直接切斷，雖然能夠取得較好的效果，但是僅僅適合于較淺的基坑。對于砂性土地基超深基坑而言，承壓水控制是非常重要的內(nèi)容，超深基坑的挖掘深度常常可以達(dá)至數(shù)十米，而砂性土地基下臥承壓含水層的含水量往往較為豐富，承壓水頭較高，往往開挖基坑時(shí)承壓水壓力會(huì)超過覆層的自重，容易導(dǎo)致基坑突涌現(xiàn)象的產(chǎn)生。而基坑突涌具有突發(fā)性，可能會(huì)致使基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p毀甚至倒塌、坑外出現(xiàn)大面積地面沉陷、破壞附近地下管道與建筑物，更甚者會(huì)致使施工工作者傷亡。除此之外，承壓水降水導(dǎo)致的基坑附近地表沉降也會(huì)對附近建筑物的正常使用造成一定的影響，也是需要重視的一個(gè)問題。

2.常用基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型與分析方法

2.1常用基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型

經(jīng)過長時(shí)間的發(fā)展，基坑工程已經(jīng)積累了許多的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)前圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用已經(jīng)比較成熟了?；訃o(hù)主要包括：放坡開挖、水泥土重力式擋墻、土釘墻與復(fù)合土釘墻、拉錨式圍護(hù)結(jié)構(gòu)、懸臂式圍護(hù)結(jié)構(gòu)等。

2.1.1放坡開挖

一般而言，放坡開挖通常用于淺基坑，而且還應(yīng)用于一些深基坑上層開挖之中。放坡開挖屬于開敞式開挖施工，其具有施工進(jìn)度快、造價(jià)經(jīng)濟(jì)以及工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，不過也具有要求基坑土質(zhì)好，施工場地與放坡場地足夠的缺點(diǎn)。

2.1.2水泥重力式擋墻

所謂的水泥土重力擋土墻就是指應(yīng)用噴漿施工的方法，強(qiáng)行攪拌地基土與水泥材料所形成的水泥土加固土的擋墻。（1）水泥重力式擋墻的優(yōu)點(diǎn)主要包括：①能夠運(yùn)用重力式擋墻的水泥土樁構(gòu)成密封型的止水帷幕，具有較強(qiáng)的止水性能；②應(yīng)用之后所遺留下的地下障礙物處理起來較為容易；（2）水泥重力式擋墻的缺點(diǎn)主要包括：①圍護(hù)結(jié)構(gòu)需要占用較大空間，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形較大，位移控制能力較弱；②在墻體較厚時(shí)，高壓旋噴樁或水泥土攪拌樁對附近環(huán)境具有較大的影響；（3）適用條件主要有：如果基坑附近環(huán)境保護(hù)要求較高，基坑開挖的深度就不應(yīng)該大于5m，如果要求不高時(shí)，可以適當(dāng)?shù)膶㈤_挖深度放寬到7m。

2.1.3土釘墻與復(fù)合土釘墻

（1）土釘墻

土釘墻通常是由密集在原位土體之中的土釘、土釘間的被加固土體以及覆蓋在土體表面之上的鋼筋混凝土面層等構(gòu)成，其具有一定的自穩(wěn)能力。①土釘墻的優(yōu)點(diǎn)主要包括：土釘墻憑借群錨功能維持坑壁的穩(wěn)定；適用于各種形狀的基坑；設(shè)備移動(dòng)靈活、占據(jù)空間?。煌ǔ２徽紦?jù)基坑的內(nèi)部空間，有效確?；娱_敞式外撅，挖土與運(yùn)土條件好；密封性好，能夠覆蓋土坡表面，從而有效避免地表水與地下水對坑壁產(chǎn)生的侵蝕；柔性較高，破壞之前會(huì)經(jīng)過相應(yīng)的變形過程，擁有較強(qiáng)的抗震性與延展性；開挖與支護(hù)同時(shí)進(jìn)行，能夠運(yùn)用監(jiān)測數(shù)據(jù)與開挖外露的土層情況對土釘?shù)氖┕?shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，有助于開展信息化施工；②土釘墻的缺點(diǎn)主要包括：若土釘較長就會(huì)超過用地的紅線；由于土釘要和挖土開展交換施工，因此其對施工組織管理水平具有較高的要求；③土釘墻的應(yīng)用范圍：開挖的深度往往要低于12m，附近環(huán)境要求較低的基坑工程，經(jīng)人工降水后或者地下水位之上的人工填土、弱膠結(jié)砂土以及黏性土。其不適用與下列情況：地層之中具有膨脹土、軟弱土層或者淤泥質(zhì)土；過度干燥、黏聚力較小與均勻度較高而且相對密度較小的砂層；附近環(huán)境保護(hù)的要求較高的工程以及周圍具有地下建筑物的工程等。

（2）復(fù)合土釘墻

①土釘墻+預(yù)應(yīng)力錨桿

較之于一般的土釘墻，這種復(fù)合土釘墻在變形控制與基坑穩(wěn)定性方面更為有利。這一圍護(hù)形式主要適用于那些對基坑變形要求較高的基坑施工之中。

②土釘墻+止水帷幕

較之于一般的土釘墻，這種圍護(hù)形式添加了止水帷幕，能夠降低坑內(nèi)降水對坑外環(huán)境產(chǎn)生的影響。也可以對坑壁土體進(jìn)行預(yù)加固，降低基坑變形與加大坑壁的穩(wěn)定。這一圍護(hù)形式往往使用與那些地下水位較高，并且降水對附近環(huán)境影響較大的工程，此外還適用于開挖深度較淺、土質(zhì)較差的工程。

③土釘墻+微型樁

運(yùn)用微型樁超前支護(hù)能夠大大降低基坑的變形。這一圍護(hù)形式主要適用于軟塑狀粘性土、填土等較為軟弱的土層，開挖面臨自立性能以及需要豎向構(gòu)件提高復(fù)合體強(qiáng)度與整體性的工程。

綜上分析可知，復(fù)合土釘墻就是土釘墻和別的支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)成的組合，所以不僅具有上述特點(diǎn)，而且土釘墻的使用條件與特點(diǎn)也大體在復(fù)合土釘墻上適用。

2.1.4拉錨式圍護(hù)結(jié)構(gòu)

所謂的拉錨式圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要是由拉錨系統(tǒng)與擋土結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的基坑圍護(hù)系統(tǒng)，其擋土結(jié)構(gòu)和內(nèi)撐式或懸臂式圍護(hù)結(jié)構(gòu)一樣。在拉錨系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合下，土體與圍護(hù)體構(gòu)成一個(gè)有機(jī)、統(tǒng)一的整體。拉錨式圍護(hù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)主要包括：①側(cè)向位移小、構(gòu)件尺寸小、整體剛度大；可以應(yīng)用于附近環(huán)境以及場地地質(zhì)允許的條件下。②適用于開挖面積較大的基坑之中，可以開敞式開挖，從而給地下水與挖土結(jié)構(gòu)施工提供一定的方便，能夠大大減少工期，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。③錨桿需要憑借土體本身的強(qiáng)度來提升錨固力，所以土體的強(qiáng)度越大，達(dá)到的錨固效果就越好，反而言之，土體強(qiáng)度越小，錨固的效果就越差，所以其通常不適于在軟弱土層中應(yīng)用。④如果錨桿的施工質(zhì)量較差，可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)較大的地面沉降現(xiàn)象。

2.1.5懸臂式圍護(hù)結(jié)構(gòu)

所謂的懸臂式圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要指擁有相應(yīng)剛度的板式支護(hù)體，比如說：地下連續(xù)墻、鉆孔灌溉樁、鋼板樁、型鋼水泥土攪拌墻以及型鋼等。經(jīng)常應(yīng)用在必須敞開式開挖，而且對圍護(hù)體的占地尺寸具有一定制約條件的基坑工程之中。單排懸臂鉆孔管改裝支護(hù)形式通常應(yīng)用于淺基坑，而在實(shí)際工程施工中，以為內(nèi)其變形較大，而且材料性能充分發(fā)揮難度較高，經(jīng)濟(jì)性較差，應(yīng)用范圍較為有限。格形地下連續(xù)墻與雙排樁等構(gòu)成的懸臂式支護(hù)系統(tǒng)的剛度較大，變形較小，往往應(yīng)用于那些中等開挖深度，并且對圍護(hù)變形具有相應(yīng)控制條件的基坑工程之中。

2.2常用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算方法

2.2.1等值梁法

這一方法將擋土結(jié)構(gòu)主要分成上、下兩段，并且以虛設(shè)鉸為界；上段是簡支梁，下段是一次超靜定結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)彈性結(jié)構(gòu)的連續(xù)梁對擋土結(jié)構(gòu)的支撐軸力、彎矩與剪力進(jìn)行求解。通常假設(shè)鉸Q點(diǎn)與土面距離深度是y，其值的通常是開挖深度的0.1-0.2倍。

2.2.2數(shù)值分析方法

（1）有限元法。這一方法是一種較為科學(xué)、有效的模擬開挖的分析方法，其將土層的分層情況與土的性質(zhì)、土層開挖與支護(hù)結(jié)構(gòu)布置過程以及支撐系統(tǒng)分布與性質(zhì)等因素都予以考慮。通常而言，有限元法分析軟件主要有：ABAQUS、FLAC2D/3D、PLAXIS、EXCAV等。（2）有限差分法。這一方法主要是將求解域劃分為差分網(wǎng)絡(luò)，通過對有限網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用來替代連續(xù)的求解域，然后再運(yùn)用Taylor級別開展等方法，把控制公式之中導(dǎo)數(shù)運(yùn)用網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的函數(shù)值的差商來替代予以離散，將在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)之上的值的代數(shù)方程組建立起來，其相當(dāng)于一個(gè)把微分問題轉(zhuǎn)換成代數(shù)問題的求解方法。

2.3基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

所謂的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗(yàn)算主要指的是：對基坑附近土體或者土體和圍護(hù)系統(tǒng)共同保持穩(wěn)定性的能力，其在基坑工程設(shè)計(jì)計(jì)算之中具有非常重要的作用。通常而言，基坑穩(wěn)定性驗(yàn)算主要包括：整體穩(wěn)定驗(yàn)算、抗隆起穩(wěn)定驗(yàn)算以及地下水滲流穩(wěn)定驗(yàn)算，下面分別對其進(jìn)行簡要介紹：

2.3.1基坑整體穩(wěn)定驗(yàn)算

（1）邊坡穩(wěn)定分析。針對放坡開挖予以相應(yīng)的邊坡穩(wěn)定分析，通常使用的方法為在極限平衡理論基礎(chǔ)上的條分法，這一方法在力學(xué)理論上是超靜定的，需要對條間里予以多種假定。可以將邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)表示為：

（2）坑底有軟弱夾層土坡穩(wěn)定分析。如果基坑底部存在博軟弱夾層時(shí)，基坑邊坡非?？赡軙?huì)隨著負(fù)荷滑動(dòng)面予以滑動(dòng)，其是由直線與圓弧所構(gòu)成。負(fù)荷滑動(dòng)面穩(wěn)定性分析具有一定的復(fù)雜度，在實(shí)際工程操作中經(jīng)常會(huì)使用簡化的方法予以分析。

2.3.2抗隆起穩(wěn)定分析

①過去，通常使用根據(jù)承載力模式的極限平衡方法，對粘土基坑不排水條件下的抗隆起穩(wěn)定予以分析。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，近代數(shù)值分析方法也取得了不斷進(jìn)步，當(dāng)前有限元方法也已經(jīng)應(yīng)用于基坑抗隆起穩(wěn)定分析之中。②極限分析方法是粘土基坑抗隆起的主要分析方法之一。極限分析理論是巖土工程應(yīng)用研究之中的較新的一個(gè)領(lǐng)域，這一方法憑借其較為嚴(yán)格的塑性理論依據(jù)，取得了巖土穩(wěn)定研究工作者的關(guān)注。極限分析理論之中主要應(yīng)用的理論是極限分析上限理論。

2.3.3抗?jié)B流穩(wěn)定分析

據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，軟土區(qū)域極少會(huì)出現(xiàn)管涌破壞情況，而更多的是流土破壞情況，就流土破壞通常要開展抗?jié)B流穩(wěn)定驗(yàn)算，而抗?jié)B流穩(wěn)定性驗(yàn)算通常需要滿足下列條件：

r' iyw

上述公式之中的y'與yw分別是土體浮重度以及地下水的重度；而i是指滲流出口位置的水力坡度。

3.砂性土地基超深基坑工程地下水控制

3.1地下水控制的必要性

隨著當(dāng)前我國地鐵與高層建筑逐漸增多，基坑施工的深度也日益增加，尤其是城市地區(qū)，基坑降水已經(jīng)變成有效確保基坑開挖安全的必要措施?，F(xiàn)在，由于地下水的不恰當(dāng)處理導(dǎo)致的坑壁土體坍塌、坑底突涌、管涌以及流砂等基坑工程事故仍然有很多，所以基坑降排水技術(shù)仍然需要不斷的予以改進(jìn)。除此之外，我國的水資源較為有限，單單追求降排水必然會(huì)導(dǎo)致水資源浪費(fèi)，而且也會(huì)只是附近地面出現(xiàn)不均勻沉降等問題，因此，我們在采用基坑降排水措施時(shí)一定要遵循按需降水的相關(guān)原則，在滿足工程需求的條件下，使得地下水資源得以最大限度的節(jié)約。

3.2地下潛水控制

3.2.1止水

當(dāng)前止水帷幕具有眾多的種類，主要包括：①普通水泥攪拌樁，這一攪拌樁的功率較為有限，極少在砂性土地基之中使用，通常用于僅有一層的地下室基坑之中；②三軸水泥攪拌樁，這一攪拌樁較之于普通水泥攪拌樁的功效大的多，而且處理的深度也較深，在當(dāng)前工程之中的應(yīng)用較為廣泛，其當(dāng)前主要應(yīng)用于2-3層地下室基坑的施工；③高壓旋噴樁，這一方法在過去的應(yīng)用較為廣泛，由于其止水效果比三軸攪拌樁差，但造價(jià)卻較高，因此其應(yīng)用呈現(xiàn)減少的趨勢，但是高壓旋噴樁的應(yīng)用靈活性較高，適宜應(yīng)用于堵漏的地方或者局部施工環(huán)境較差的區(qū)域；④地下連續(xù)墻，其當(dāng)做止水帷幕具有較高的質(zhì)量，但其造價(jià)也相對較高，通常應(yīng)用于高于3層的地下室基坑施工之中。

3.2.2基坑降排水

現(xiàn)在應(yīng)用的基坑降排水方法主要有三種，分別是：疏干降水、導(dǎo)滲法以及集水明排。降排水的作用主要包括：①避免基坑的坡面與地面漏水，確?；邮┕きh(huán)境的干燥性；②避免坑底或邊坡出現(xiàn)流砂，加大坑底與邊坡的穩(wěn)定性；③有效增強(qiáng)基坑的穩(wěn)定性與土體的抗剪強(qiáng)度。對開挖邊坡，能夠使得邊坡穩(wěn)定性提高；對開挖支護(hù)，能夠通過降低主動(dòng)區(qū)壓力而增加被動(dòng)區(qū)壓力的方法降低壓力差，進(jìn)而降低支護(hù)變形，使得支護(hù)體系的穩(wěn)定性得以有效提高；④降低開挖土體的含水量，為開挖施工作業(yè)提供一定的便利。

3.3承壓水控制

3.3.1承壓水的危害

通常而言，砂性土地基之中的承壓水壓力是不大于覆土層自重應(yīng)力的，但地基基坑開挖卻將這一狀態(tài)做出了改變，隨著基坑開挖深度的加深，承壓水含水層之上的覆土層自重應(yīng)力會(huì)逐漸降低，就超深基坑而言，其開挖的深度常常達(dá)至數(shù)十米，這可能會(huì)致使承壓水壓力超過上覆層的自重壓力，在這一情況下承壓水會(huì)土坡上覆土層滲入基坑之中，導(dǎo)致涌土、突水或者涌砂現(xiàn)象的發(fā)生，這就是基坑突涌現(xiàn)象。由于基坑突涌突發(fā)性較強(qiáng)，會(huì)致使基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)倒塌或受到嚴(yán)重?fù)p壞、對附近地下管道與建筑物造成破壞、坑外會(huì)出現(xiàn)大規(guī)模的地面沉陷，更甚者會(huì)致使施工工作者傷亡。因此，由基坑突涌所引發(fā)的工程事故的損失通常較大，而且無法挽回，產(chǎn)生的社會(huì)負(fù)面影響巨大，因此必須予以重視。

基坑突涌破壞模式主要包括：①圍護(hù)結(jié)構(gòu)與隔水層交界處周圍在承壓水頭的影響下剪切應(yīng)變超過體積應(yīng)變，通常會(huì)導(dǎo)致剪切損壞；②在承壓水的影響下，隔水層向上隆起變形，其中基坑中央產(chǎn)生的變形最大，但是其隨水位的提升，最后導(dǎo)致剪切破壞與復(fù)合拉剪破壞；③含水層與隔水層界面位置的體積應(yīng)變較高，通常會(huì)導(dǎo)致水壓楔裂作用的產(chǎn)生。

3.3.2承壓水的防治措施

通常而言，承壓水控制需要符合下面的兩個(gè)基本要求：①把控制承壓水位低于安全埋深；②按需降水，從而有效避免由于過量抽水而致使附近地面出現(xiàn)大面積的沉降。當(dāng)前針對基坑承壓水的防治措施主要具有三種：分別是：封底法、降壓法與隔斷法。

結(jié)束語：

綜上所述，我們可知砂性土地基超深基坑支護(hù)技術(shù)對于當(dāng)前城市地基支護(hù)建設(shè)具有非常重要的作用。隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加快，城市土地資源日益緊張，基坑的深度也不斷加深，因此發(fā)展深基坑支護(hù)技術(shù)具有非常重要的作用，對于沙性土地基超深基坑支護(hù)技術(shù)的而研究仍然需要相關(guān)人員進(jìn)行不懈的努力。

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