基于工况因素的基坑支护方案设计研究.pdf

Green Construction 绿 色 施 工绿色建筑2023年 第3期091基于工况因素的基坑支护方案设计研究基于工况因素的基坑支护方案设计研究孙红宇（常州建筑科学研究院集团股份有限公司，江苏 常州 213000）摘要：基坑工程包括土方开挖、支护、降水等主要内容，是一项综合性较强的系统性工程，并可体现一定的区域性和个性化。以常州市某基坑支护项目为例，通过分析基坑周围的环境、工程地质条件和水文地质条件等工况因素，确定基坑支护结构安全等级，选取三种支护方案，并采用理正深基坑软件进行分析计算，研究结果表明该深基坑支护方案安全可靠，可为此类工程提供参考与借鉴。关键词：基坑支护；方案设计；工况因素中图分类号：TU222 文献标志码：A 文章编号：1674-814X（2023）03-091-060 引 言随着城市建设的不断发展，基坑工程的规模和开挖深度不断增加，基坑支护的难度也越来越大，如何合理设计基坑支护方案成为关键。基坑工程包括土方开挖、支护、降水等主要内容，是一项综合性较强的系统性工程，同时体现出一定的区域性和个性化。如果支护结构设计不合理或者施工过程控制不严，就会产生质量问题并造成安全隐患，不利于工程项目的顺利实施1-2。基坑支护的设计和施工以勘察为前提，并根据周边环境、基坑挖深、地层条件等信息个性化地选择支护体系。支护设计方案的选择与施工质量的好坏对周边建筑环境有着巨大的影响，建筑物、道路和管线的沉降、变形与开裂等都和其有着密切关系3-5。目前常见的基坑支护型式有支挡式结构、土钉墙、重力式水泥土挡墙、放坡、水泥土插型钢等。国内学者和相关设计人员都对基坑支护设计方案进行了研究。赖桥6通过支护桩体系选型、基坑支护结构内力计算、基坑降水井设计和基坑现场监测，提出一种全新的支护设计方案。吴丽萍7分别对“桩锚+高压旋喷”和“SMW工法+锚索”这两种支护型式进行二维建模，并分析这两种模型的桩顶水平位移和周围土体的沉降，以此选择一个较经济的支护型式。张中龙8围绕岩土工程深基坑支护设计的关键问题和设计要点展开分析，并阐述提升设计质量的方法。屈迪9采用理正深基坑软件双排桩支护模块进行基坑安全分析，并将预测的位移沉降值与实际监测的支护结构形变变化结果进行分析对比，以此检验设计是否合理。根据不同的工况条件，笔者分别选择三种基坑支护方案，并采用理正深基坑软件进行分析计算，研究结果表明，支护方案安全可靠，可为类似工程提供参考和借鉴。1 工程概况本基坑支护项目位于常州市武进区嘉泽镇，基坑长度约为963 m，面积约为31 483 m2。本工程绝对标高6.25 m，结合地形及地勘报告，场地标高取黄海5.50 m。基坑东侧的地下室轮廓线距用地红线约8.315.2 m，红线内部考虑布置临时施工道路（宽度约为6 m），红线外是市政道路嘉兴路，红线附近有供电、给水、路灯等多条市政管线；基坑南侧的地下室轮廓线距用地红线6.08.1 m，红线外有围挡，围挡外是市政道路嘉成路，红线距围挡约24.7 m，基坑南侧的中部位置拟建售楼处，距地下室轮廓线9.311.6 m；基坑西侧的地下室轮廓线距用地红线10.613.7 m，红线内部布置临时施工道路，红线外是人民路，红线附近有路灯、雨水、通信等多条市政管线；基坑北侧的轮廓线距用地红线6.121.9 m，红线外是空地。围挡在红线向北约146 m处，围挡外是市政道路大名路。总体而言，本基坑支护项目的周边环境相对简单。2 工程地质与水文地质条件常州市地处中纬度地区，北临长江，气候温和湿润，雨量丰沛。年平均气温为15.5，年平均降水量约为1 100 mm，绿 色 施 工 Green Construction绿色建筑2023年 第3期092梅雨期（6月20日7月20日）和台风期（89月）降雨较多，历史最高洪水位为2015年的4.51 m。2019年9月，常州市人民政府办公室发布的常州市城市防洪规划（20172035年）规定本项目拟建场地为自排区。此外，项目拟建场地位于太湖水网平原地貌区，地势较为平坦，属相对稳定地带。2.1 工程地质条件根据测试指标的离散程度以及土的沉积规律和工程特点，笔者将开挖影响范围内的土体划分为6个单元的土层，它们自上而下分别是：填土。杂色，松散至稍密，主要为黏性素土，含较多植物根茎，局部含少量碎石、砖块等建筑垃圾，正常固结。2黏土。褐黄色，硬塑，无摇震反应，切面有光泽，可见铁锰结核，韧性及干强度高。1粉质黏土夹粉土。褐灰色，软至可塑，无摇震反应，切面稍有光泽，可见铁锰结核，韧性及干强度高，局部夹薄层粉土。1-1黏质粉土。灰色，稍密至中密，湿，摇震反应迅速，切面无光泽，韧性及干强度低，具水平层理。2粉质黏土夹粉土。灰色，软至可塑，无摇震反应，切面稍有光泽，韧性及干强度中等，局部夹薄层粉土。2砂质粉土。灰色，稍密至中密，摇震反应迅速，切面无光泽，韧性及干强度低，含云母，具水平层理。2-1粉砂。灰色，中密至密实，灰色，饱和，主要为长石、石英、云母，具水平层理。1粉质黏土。灰色，中密至密实，灰色，可塑，局部软塑，无摇震反应，切面有光泽，韧性及干强度中等。基坑支护设计的岩土参数如表1所示。表 1 基坑支护设计岩土参数地层编号地层名称天然重度/(kNm3)直剪（固结快剪）含水层性质Ccq/kPacq/填土18.61411潜水含水层2黏土20.05517隔水层1粉质黏土夹粉土19.42615承压含水层1-1黏质粉土18.817212粉质黏土夹粉土19.022132砂质粉土19.115252-1粉砂19.36311粉质黏土19.23116隔水层2.2 水文地质条件本工程深度开挖范围对工程有影响的地下水，按埋藏条件主要分为潜水和承压水两类。2.2.1 潜 水填土中赋存有潜水，补给来源为自然降雨水及地表水渗入，以地面蒸发为主要排泄方式。潜水的水位埋深在地面下0.32.5 m，对应高程约为3.05.0 m。其水位、水量随季节而变化，正常情况下雨季水位上升、旱季水位下降，近年来其高水位约接近于原始地面。2.2.2 承压水第上层微承压水主要埋藏于1、1-1、2中的粉土、2砂质粉土、2-1粉砂中，受滆湖、长江、运河等区域的水系补给，以地下水侧向径流为主要的排泄方式。该承压水历史最高水位为2.5 m，近年来高水位约为2.0 m，低水位约为1.5 m，年平均水位约为1.0 m。根据室内试验渗透系数的平均值以及本地区室内渗透试验与抽水试验的分析对比，笔者建议综合渗透系数K取0.8 m/d。第下层承压水主要埋藏于2砂质粉土及1粉质黏土中的粉土中，以地下水侧向径流为主要的补给和排泄方式。根据区域水文资料可知，该层承压水稳定水头标高约为3.5 m。据调查，该承压水历史最高水位约为1.5 m，近35年高水位约为3.0 m，低水位约为4.0 m，年平均水位约为3.0 m。3 基坑支护方案3.1 基坑支护方案分析本工程地下一层的主楼区域基坑开挖深度为5.30 5.40 m，地库区域的开挖深度为4.955.40 m。根据基坑开挖的深度、基坑周边的环境以及场地的地质情况，基坑支护结构的安全等级被定为二级，其结构重要性系数为1.0，笔者选择以下三种形式的基坑支护方案。售楼处有景观堆土区域的支护型式：上部使用1 000 mm 1 000 mm的混凝土冠梁，下部使用灌注桩，灌注桩直径Green Construction 绿 色 施 工绿色建筑2023年 第3期093为0.8 m，桩间距为1.0 m，桩长为1.0 m。高压旋喷桩紧贴着灌注桩布置，其直径为0.5 m，桩间距为0.3 m，桩长为5.0 m。灌注桩高压旋喷桩的支护示意图如图1所示。图 1 灌注桩高压旋喷桩支护示意图5 300冠梁1 0001 000地下室外墙基底标高0.20与底板同标号混凝土浇筑至桩边8001 000灌注桩L=11 m6 700桩间土挂网喷浆1 000500300高压旋喷桩L=5.0 m4 4005 4004 4001 0001 000地下室外墙500 5001 00020a双拼槽钢围檩基底标高0.10与底板同标号混凝土浇筑至桩边场地标高施工道路2001141 500,L1.0 m构造土钉4502 400,L12 m,锚固段7 m，内置215.2钢绞线轴向拉力设计值70.69 kN，标准值56.55 kN，锁定值43.00 kNSP-,40017015.5钢板桩L=9.0 m临近管线且有施工道路区域的支护型式：上部一定深度采用放坡挂网喷浆进行支护，下部采用锚拉式拉森钢板桩进行支护。其中，地面下1.0 m采用10.5放坡挂网喷浆，台宽为0.5 m，坡顶处设置一排构造土钉，土钉长为1.0 m，间距为1.5 m。放坡挂网喷浆下部采用SP-拉森钢板桩，截面尺寸为400 mm170 mm15.5 mm，钢材为Q235B，桩间距为0.8 m，桩长为9.0 m，桩顶露出0.2 m，方便后期拔除回收。钢板桩顶下0.2 m设置一道锚索，锚索长度为12.0 m，腰梁采用20a双拼槽钢。放坡锚拉式钢板桩的支护示意图如图2所示。图 2 放坡锚拉式钢板桩支护示意图绿 色 施 工 Green Construction绿色建筑2023年 第3期0945 4001 4001 5001 500 1 000地下室外墙1 0001 0001 6803 0001 000施工道路泄水管(余同)基底标高0.10481 500轻型井点L6.0 m3.001:0.71:11:11101 500,L7.5m土钉，配118钢筋，注浆水泥用量55kg/m1101 000,L7.5m土钉，配118钢筋，注浆水泥用量55kg/m1101 500,L6.0m土钉，配118钢筋，注浆水泥用量55kg/m303030空地区域的支护形式：放坡土钉墙放两级坡，第一级坡的坡高为3.0 m，坡比为11，台宽为1.0 m。第二级坡的坡高为2.4 m，坡比为10.7。设三道土钉，第一道土钉钻孔直径为110 mm，入射角为30，距离坡顶1.0 m，水平间距为1.5 m，土钉长为7.5 m；第二道土钉钻孔直径为110 mm，入射角为30，距离第一道土钉1.5 m，水平间距为1.0 m，土钉长为7.5 m；第三道土钉钻孔直径为110 mm，入射角为30，距离第二道土钉1.5 m，水平间距为1.5 m，土钉长为6.0 m。放坡土钉墙的支护示意图如图3所示。图 3 放坡土钉墙支护示意图3.2 支护体系结构计算笔者采用理正深基坑支护结构设计软件分别对三种支护选型逐个验算内力位移及整体稳定性，得到如下结果。3.2.1 灌注桩高压旋喷桩支护验算（1）内力位移计算。在基坑开挖至坑底时位移最大，最大位移为29.12 mm，位置在地表处。支护桩桩身承受的最大弯矩值为133.2 kNm，支护桩桩身承受的最大剪力值为60.26 kN，均在灌注桩内力值的允许范围之内，符合强度要求。灌注桩高压旋喷桩支护的内力位移包络图如图4所示。（a）位移图 （b）弯矩图 （c）剪力图图 4 灌注桩高压旋喷桩支护的内力位移包络图（2）整体稳定验算。该支护方案中，悬臂式灌注桩支护型式采用瑞典条分法计算整体稳定性，为缩小计算误差，条分法中的土条宽度取0.500 m，滑裂面圆弧半径为16.224 m，圆心坐标x为1.206 m，圆心坐标y为8.700 m。本工程为二级基坑，计算得整体稳定安全系数Ks1.4651.300，整体稳定性符合规范要求。（3）抗倾覆稳定性验算。抗倾覆（对支护底取矩）稳定安全系数记为KOV，计算方法如式（1）所示。式（1）式（1）中，Mp为被动土压力及支点力对桩底的抗倾覆弯矩；M为主动土压力对桩底的倾覆弯矩。经验算，KOV1.3661.200，符合规范要求。（4）嵌固深度构造验算。悬臂式支护结构嵌固深度不宜小于基坑深度的0.8倍，本基坑深度为6.050 m，支护方案嵌固深度值为7.400 m4.840 m，符合规范要求。3.2.2 放坡锚拉式钢板桩支护验算（1）内力位移计算。在基坑开挖至坑底时位移最大，最大位移为5.78 mm，位置在地表处。支护桩桩身承受的最大弯矩值为47.25 kNm，支护桩桩身承受的最大剪力值为27.57 kN，均在钢板桩内力值允许的范围之内，满足强度要求。放坡锚拉式钢板桩支护的内力位移包络图如图5所示。KOVMpMkkGreen Construction 绿 色 施 工绿色建筑2023年 第3期095Nqtan(45+)2etan2 （a）位移图 （b）弯矩图 （c）剪力图图 5 放坡锚拉式钢板桩支护的内力位移包络图（2）整体稳定验算。该支护方案中，锚拉式钢板桩支护型式采用瑞典条分法计算整体稳定性，为缩小计算误差，条分法中的土条宽度取0.500 m。滑裂面圆弧半径为11.402 m，圆心坐标x为0.899 m，圆心坐标y为6.928 m。整体稳定安全系数Ks1.5701.300，整体稳定性符合规范要求。（3）绕锚拉点的抗倾覆稳定性验算。带支撑桩、墙式支护抗倾覆稳定安全系数记为Kt，计算方法如式（2）所示。KtMEPME 式（2）式（2）中，MEp为被动侧水平荷载抗倾覆力矩和，kNm/m；MEa为主动侧水平荷载倾覆力矩和，kNm/m。取Kt1.200，最小安全Kt1.9111.200，符合规范要求。（4）抗隆起验算。一是从支护底部开始，逐层验算抗隆起稳定性，结果如式（3）、式（4）、式（5）所示。式（3）式（4）式（5）Nc(Nq1)1tan式（3）、式（4）、式（5）中，KS为抗隆起安全系数；m1、m2分别为基坑外、内挡土构件底面以上土的天然重度，kN/m3；ld为挡土构件的嵌固深度，m；h为基坑深度，m；q0为地面均布荷载，kPa；Nc、Nq为承载力系数；c为挡土构件底面以下土的黏聚力，kPa；为挡土构件底面以下土的内摩擦角，。KS Kbm2ldNqcNcm1(hld)q0支护底部，抗隆起验算如下：Ks(19.1974.40010.66215.00020.721)/19.390(4.4004.400)41.7145.705Ks5.7051.600，抗隆起稳定性符合规范要求。二是坑底抗隆起按以最下层支点为转动轴心的圆弧条分法计算，结果如式（6）所示。式（6）式（6）中，K为以最下层支点为轴心的圆弧滑动稳定安全系数；ci为第i条土条在滑弧面处土的黏聚力，kPa；i为第i条土条在滑弧面处土的内摩擦角，；li为第i条土条的滑弧长度，m；qi为第i条土条顶面上的竖向压力标准值，kPa；bi为第i条土条的宽度，m；i为第i条土条在滑弧面中点处的法线与垂直面的夹角，；Gi为第i条土条的自重，kN。K2.1021.900，坑底抗隆起稳定性，符合规范要求。（5）嵌固深度构造验算。锚拉式单支点支护结构嵌固深度不宜小于基坑深度的0.3倍，本支护方案嵌固深度值为4.40 m，基坑深度为5.40 m，符合规范要求。3.2.3 放坡土钉墙支护验算整体稳定验算，笔者的计算方法为瑞典条分法，其中的土条宽度为0.5 m，计算结果如表2所示。表 2 放坡土钉墙整体稳定验算工况号安全系数圆心坐标x/m圆心坐标y/m半径R/m11.7604.7866.4392.61022.0310.40915.79313.41432.6795.4957.8758.50442.1424.1988.2419.249根据表2可知，整体稳定安全系数Ks均大于1.300，整体稳定性符合规范要求。4 设计成效分析基坑支护如果采用“灌注桩锚拉式钢板桩土钉墙”三种形式相结合的方案体系，工程造价约为48万元，相比传统的只用一种桩锚支护的方案体系，可直接降低19%的支护体系造价，且能有效缩短工期，其经济效益更为显著。组合支护方案与传统方案的成本对比如表3所示。kkcili(qibiGi)cositani(qibi+Gi)siniK绿 色 施 工 Green Construction绿色建筑2023年 第3期096表 3 组合支护方案与传统方案的成本对比支护方案支护形式项 目成本/（元/延米）综合价/（元/延米）组合方案土钉墙土钉墙3002 400钢板桩SP-,400 mm170 mm15.5 mm钢板桩L9.0 m（打拔）600SP-,400 mm170 mm15.5 mm钢板桩L9.0 m（租赁）8104502 400锚索L12.0 m200灌注桩8001 000灌注桩L11.0 m1 700冠梁1 000 mm1 000 mm1 500传统方案钢板桩SP-,400 mm170 mm15.5 mm钢板桩L9.0 m（打拔）6002 960SP-400 mm170 mm15.5 mm钢板桩L9.0 m（租赁）8104502 400锚索L12.0 m200基坑监测的内容包括垂直支护顶部和地下管线的水平或竖向位移、垂直结构深层的水平位移、坑内外地下水位、周边建（构）筑物的水平位移、沉降及裂缝等。在设计阶段，沿基坑四周灌注桩桩顶、钢板桩桩顶和土钉墙坡顶设置了37个基坑水平、竖向位移的监测点。第三方监测单位的监测结果显示：基坑土方开挖开始后，支护桩桩顶水平位移逐渐增大。待基坑底板施工结束后，水平位移趋向稳定；在监测期内，支护桩桩顶累计水平位移最大点位于出土口，累计位移达13.7 mm，但未超监测预警值35 mm。一则说明监测点水平位移受施工荷载影响，二则说明该组合支护设计不仅经济，而且确保了基坑支护结构本身、周边道路、周边建（构）筑物的安全。基坑土方开挖顺利。施工过程中，桩间未出现明显的渗水、漏水和流沙。售楼处区域采用灌注桩支护，不仅可以降低施工噪音和震动、防止施打钢板桩对售楼处产生不好的影响，而且提高了支护结构的强度，确保了土方开挖过程中每一工况的变形控制。5 结 语笔者以常州市某基坑支护项目为背景，对基坑支护方案进行了详细研究，并应用于工程实践。在基坑施工过程中，支护结构及周边环境均未出现明显的变形情况，监测数据显示变形量均在允许的范围之内。实践证明该支护方案对周边环境及建筑起到了保护作用，可缩短工期、降低工程造价，其经济效益更为显著，为今后类似环境条件下复杂的基坑支护设计积累了宝贵的经验。参考文献：1 刘建航,侯学渊,刘国彬,等.基坑工程手册M.北京:中国建筑工业出版社,2009.2 中国土木工程学会土力学及岩土工程分会.深基坑支护技术指南M.北京:中国建筑工业出版社,20123 华正阳.深基坑开挖对近距离建筑的安全影响研究D.长沙:中南大学,2014.4 何春保.南海广场深基坑支护设计及监测分析J.建筑结构,2014,44(3):75-78,50.5 杨小康,郑良锋,周铭嘹,等.深基坑支护设计及对周边环境的影响分析J.建筑结构,2021,51(增刊1):1514-1518.6 赖桥.岩土工程基坑支护设计及应用研究J.科学技术创新,2021(35):140-142.7 吴丽萍,程凡伟.北京市某基坑支护设计方案选型分析J.科学技术创新,2022(25):86-89.8 张中龙.岩土工程中深基坑支护设计方法J.建筑技术开发,2022,49(3):154-157.9 屈迪.软土地基基坑工程中双排拉森桩土压力计算方式与参数取值分析J.城市道桥与防洪,2020(7):274-277.收稿日期：2023-02-28作者简介：孙红宇，硕士研究生，助理工程师，主要从事基坑支护设计工作，现供职于常州市建筑科学研究院集团股份有限公司。通信地址：江苏省常州市钟楼区木梳路10号。