李 波 解美英

1 概述

随着社会经济发展,修建地下室的需求越来越大,因此基坑的设计就更多。基坑工程具有很强的区域性、个别性,是系统工程,且其综合性极强;基坑的大小和形状对基坑稳定和变形影响较大,具有较强的空间效应。基坑设计正如太沙基所说的:“岩土工程与其说是一门科学,不如说是一门艺术(Geotechnology is an art rather then a science)”岩土工程很大程度上取决于工程师的判断,具有很强的艺术性。在软土地区,尤其是珠三角这种水网密布的地区其土体含水量高,强度低,易发生压缩性变形导致基坑失稳,地面沉降。这样基坑,特别是深基坑其安全可靠性要求更高;设计施工难度也更高。本文将介绍一个场地距离珠江边仅100多米,开挖深度达11.5 m的基坑设计,与读者共同探讨软土地区深基坑的设计。

2 工程概况

1)本工程位于广州市荔湾区,场地位置原来是1949年前建造的2层～4层民房,现已拆除。本工程距离珠江边仅100多米。2)本工程地下3层(局部2层),场地地面标高-0.500 m～-1.500 m,基坑底标高为-11.900 m,这样基坑开挖深度为11.500 m。3)本工程主体结构设计特点:a.本工程地下室部分为3层,局部为2层,所以地下室侧壁承受的水平力不能通过楼板的支撑作用取得平衡,造成基坑支护的水平支撑不能全部避开主体结构的梁板;地下室逆作法设计和施工不能实施。b.本工程塔楼采用钢骨混凝土柱,考虑钢骨混凝土柱施工的合理性,钢骨尽量多层同时吊桩。支护结构的水平支撑和竖向支撑应尽量避开钢骨柱。c.本工程采用人工挖孔灌注桩,考虑合理的施工顺序,基坑开挖完毕后才施工桩,所以基坑暴露时间较长。

3 环境条件

1)基坑周围环境的情况。基坑东侧及北侧为1949年以前修建的2层～4层民居,据现场了解此处房屋基础形式为无筋扩展基础,埋深大概为-1.500 m;南侧为9层～10层钢筋混凝土结构办公楼,钻孔灌注桩基础,桩端持力层入中风化岩1 m,桩端埋深约为14 m～18 m,距离基坑最近为5 m;西南侧为5层及 8层办公楼,锤击灌注桩基础,桩端持力层为砾砂或强风化岩,桩端埋深约为11 m～14 m,距离基坑最近为5.3 m;西侧为城市道路,路宽约15 m。2)根据建设单位提供的《广州市综合地下管线图》,该场地3倍基坑深度范围内(约36 m)无燃气管线、无强电及弱电管线、无供水系统管线。

4 荷载取值

1)作用于支护结构的土压力和水压力,对于人工填土、第四季海冲积层采用水土分算原则;对于基岩(K)采用水土合算原则。

2)对于地面附加荷载:a.对于地面空旷处:出土边取地面附加荷载30 kN/m2(标准值);非出土边取地面附加荷载20 kN/m2(标准值)。b.对于建筑物的附加荷载按每层15 kN/m2(标准值)取值,对于南侧8层办公楼(锤击灌注桩基础)则计算附加荷载按下述原则计算:桩台底处占20%,桩端占80%。

5 基坑支护设计

5.1 基坑支护设计原则

1)围护结构设计以地质勘察资料为依据。2)基坑开挖完成后,暴露时间不应超过一年。3)由于地下连续墙入中风化不小于1.5 m,抗倾覆稳定性满足GJB02-98广州地区建筑基坑支护技术规程要求。4)基坑开挖施工时,应将基坑边缘变形位移控制在环境允许的范围内。根据GJB 02-98广州地区建筑基坑支护技术规程,基坑支护结构设计的最大水平位移容许值为28 mm。5)结构计算模式的确定,应符合结构的实际工作条件,并反映结构与周围地层的相互作用。

5.2 基坑支护方案选择

1)由于场地周边环境比较复杂,周边有众多的低层民居以及同时考虑工程地质条件恶劣,勘察报告反映,拟建场地淤泥质土、淤泥质粉细砂深厚,基坑开挖面基本上在淤泥质土和淤泥质粉细砂中,基坑开挖深度约11.500 m。设计主要需解决的问题是稳定和控制变形,产生稳定和变形问题原因是水土压力。因此,支护结构需要有挡水和挡土功能;为确保周边环境的安全,基坑需要采取刚度大,变形协调能力强的支护结构才能保证基坑开挖和周边建筑的安全。2)基坑采用逆作法施工是利用逐层浇筑的地下室结构作为支护结构地下室连续墙的内部支撑,由于地下室结构与临时支撑相比刚度大得多,所以连续墙在侧压力的变形就小得多。但是本工程地下室存在错层地下室结构不能有效作为内部支撑,所以不能采用逆作法施工。3)基坑采用正作法施工:采用地下连续墙+钢筋混凝土内支撑,地下室外墙与基坑支护墙采用两墙合一的形式,一方面省去了单独设置的支护墙,另一方面可在工程用地范围内最大限度扩大地下室面积,增加有效使用面积;即相同的使用面积,减少开挖土方量,同时,周围环境的建筑管线离基坑边更远些。4)由于基坑地下连续墙离工程桩(人工挖孔桩)较近,所以地下连续墙的设计除满足上述5.1的设计原则外,还应满足和工程桩相邻的槽段,其底标高和工程桩底标高不应相差太大。5)基坑连续墙墙顶局部挡土结构采用双排水泥土搅拌桩,另外对基坑周边采用土体加固。经计算比较连续墙墙厚选取为800 mm比较合适。

5.3 基坑的钢筋混凝土内支撑设计

1)经分析计算比较本基坑设置三层内支撑,本工程地下三层(局部两层),经分析研究,内支撑错开地下室全部楼层是不可能的。所以,一层,二层内支撑的部分区域构件作为永久构件使用。2)本工程主楼采用“钢骨柱”(钢管柱应尽量一次吊桩至首层),内支撑的位置应尽量避开钢骨柱的位置。3)根据实际情况布置的内支撑立柱(钻孔灌注桩)间距较大,本设计设置吊柱加大首层内支撑构件截面减少立柱间距,同时,增强了内支撑的空间整体性。4)温度对内支撑构件轴力的影响,由于本工程地下室施工时间长(同时经历夏冬季节),温度(包括混凝土收缩)对内支撑的影响是很大的,根据工程经验,本设计对钢筋混凝土内支撑设计值考虑1.0 N,1.0 m,1.0 V及1.5 N,1.0 m,1.0 V组合。5)基坑水平支撑平面布置见图1。

6 计算方法

本支护工程的分析和计算软件为北京理正软件设计研究院编制的《理正深基坑支护结构设计软件》,主要用于连续墙各剖面的计算;中国建筑科学研究院编制的SATWE,主要用于支护结构在竖向力作用下内力计算;韩国浦项集团编制的Midas/GEN建筑结构通用分析系统,主要用于支护结构在水平力作用下内力配筋计算。同时采用理正连续梁程序对腰梁、冠梁进行配筋验算。

7 计算结果

经过多次不同模型的计算比较优化,本工程最后采用本支护方案。各杆件弯矩图见图2。其中第一层支撑最大弯矩为冠梁处,其值为1 304 kN·m;第二层支撑弯矩最大为腰梁处,其值为2 036 kN·m。水平支撑构件在水平力作用下基本轴心受压构件相应变形为轴向变形。连续墙最大位移为21 mm,符合相关规范规定,且有合理的富余。

8 结语

基坑工程尤其是软土地区的深基坑影响基坑稳定和变形的因素很多,很复杂;具有很强的工程个性。从场地分析、土压力的选用,围护形式的合理选用,到围护结构的变形控制的每一环节,都需要设计人员的仔细分析比较判断才能做到设计的经济合理安全,作为设计人员也只有做好这些分析比较,不断从摸索中积累经验,从实践中不断学习,才能不断提高认识,提高设计水平。

[1]周书东,王小霞,张志民.软土地区基坑工程设计统计分析[J].山西建筑,2008,34(2):131-132.