滨海地区基坑支护、降水及土方开挖技术的研究与应用

滨海地区基坑支护　降水　及土方开挖技术的研究与应用　口中交一航局房地产开发有限公司信强　本文根据有关研究成果和工程实践，详细分析了天津滨海地区软土工程特性和基坑及软土基坑支护的　一些问题，井简要介绍了几个基坑的设计概况。　■日团　滨海地区；软土；基坑；支护　简述　基坑工程是一个综合性和实践性很强的岩土工程问题．地区　根据土的状态和土体是否位移，土压力有静止土压力　被动　土压力和主动土压力。在支护结构计算时应充分考虑桩前被动土　压力的作用，根据天津市《岩土工程技术规程》．悬臂支护结构　的桩前后土压力分布图如下：　性特征很强，基坑工程设计应结合地区特征、工程特点和实践经　验进行，成功的基坑工程设计遵循的原则是　理论导向、量测定　量、经验判断”三者结合的原则。　依据经验和理论分析，基坑围护体系失效一般主要有三个方　面原因造成：一是因为内在设计不合理因素导致支护体系失稳而　引起基坑失稳，二是因为外界环境变化引发基坑失稳，三是因为　施工因素引发的基坑失稳。完整的基坑工程设计应该包括支护结　构、降、排水设计、土方开挖设计和施工监测设计　对于软土基　坑工程更应如此。　软土基坑支护　１、一般设计原则　基坑支护设计的基本原则是“安全、经济、合理、可行”。　基坑支护设计就是依据基坑工程要求、场地工程地质条件和水　文条件．以及场地周边环境条件等资料．首先对影响基坑围护体　系安全的主要矛盾进行量化分析　据此进行方案合理性选择和结　构稳定性的理论计算分析，并参考地区性经验判断，最终确定基　坑围护体系类型。基坑围护体系一般包括挡土体系和止水降水体　系两个部分．要求基坑支护结构体系一般能够承受土压力和水压　力，且具有一定的刚度和整体稳定性。基坑围护形式主要有放坡　图１桩前后土压力分布图　（２）土的抗剪强度指标　土的抗剪强度是指在外力作用下，土体内部产生剪应力时．　土对剪应力的极限抵抗能力。土的抗剪强度指标主要是土的内摩　开挖、悬臂支护结构　重力式挡墙结构　内支撑支护结构、组合　拱型挡墙结构等。　擦角（①。）和土的粘聚力（Ｃ　ＫＰａ）。土的抗剪强度指标根据三　轴剪切试验（或直剪试验）时的不同排水条件分为不固结不排水　剪（直剪快剪）、固结不排水剪（固结快剪）和排水剪（固结慢　剪）三种抗剪强度指标。　根据有关资料，计算主动区和被动区由于土体自重产生的土　２　注意问题　天津滨海地区软土的工程性能较差　对于天津地区软土基坑　支护应注意如下几点内容：　（１）土压力计算模型　压力时．宜采用固结快剪或固结不排水剪（三轴试验）指标较为　合适。天津市《岩土工程技术规程》中规定．土压力计算时，所　选取的抗剪强度指标测试的应力和排水饱和状态应与基坑开挖现　场土中的应力和排水状态相同。地下水位以下的饱和粘性土，按　水土分算时，采用固结不排水或固结快剪强度指标，按水土合算　时　应采用不固结不排水剪或直剪快剪强度指标。　在工程实践中　工程技术人员进行土压力计算时大都采用不　固结不排水剪或直剪快剪强度指标，这是一种较为安全、保守的　设计方法。在实际工程中，由于一般都进行坑内降水设计，土体　都经过不同程度的固结．土的抗剪强度都有所提高，但也应注意　由于室内试验对土的扰动影响。　（３）水泥搅拌桩设计注意事项　水泥搅拌桩在较软的粘性土　粉土地区应用较为广泛，一般　采用水泥搅拌桩成型的格构式挡墙或矩形墙作为浅基坑（开挖深　度＜６．Ｏｍ）的支护结构和基坑开挖的止水帷幕。其设计时应注意　以下方面内容　①天津滨海地区土质中含有一定量或局部地段土层富含渣、　盐、贝壳、有机质等成份．土与水泥的反应性（反应速度和反应　能力）和粘合性较差，水泥掺量较少的情况下．早期强度较低，　般很难达到挡墙和止水效果。经过一些试验数据统计分析　水　泥搅拌桩的水泥掺量在１５％时其Ｔ　２８＝０．８０～１．３ＯＭＰａ．这给工　程设计造成了许多不确定性因素。为此作为支护和止水帷幕设计　用途的水泥搅拌桩应控制其水泥掺量≥１　５％　采用水泥的标号不得　低于３２．５号　这也在天津市《岩土工程技术规程》中有所体现。　②一般情况下，作为支护结构的水泥搅拌桩，为提高水泥土的早　期强度．应适当掺加一定量的早强型外加剂，并适当延长水泥土　的养护龄期．水泥土的养护龄期应不少于２８天。根据工程经验　和试验数据，当水泥掺量为１５％时．在搅拌桩内掺０．０５％的三乙　醇胺早强剂，水泥土的强度Ｔ　２８Ｚ１＿２０Ｍｐａ，可以将此作为水泥　土的设计强度。③由于影响水泥土的强度因素较多　如水泥的品　种　水泥掺量、水泥标号、加固土的物理力学性质和物理化学性　质、搅拌均匀程度、养护龄期和养护温度等。故在水泥搅拌桩设　计时应充分考虑这方面的因素，并强化施工质量控制是比较重要　的。④采用水泥搅拌桩成型的挡墙的基坑一般位移变形较大．天　津滨海地区曾有桩定位移超过３０ｃｍ的记录。故对于周遍环境条件　要求较高的基坑支护结构设计应慎用水泥土挡墙，或者应采取有　效的措施来控制基坑位移。如滨海地区的美华大厦工程　基坑开　挖深度为５．２０ｍ　水泥土挡墙厚度３．２０ｍ．桩顶最大位移达到了　１７．８０ｃｍ。⑤采用水泥搅拌桩作为止水帷幕设计时应注意根据岩　土勘察报告淤泥质土层和其下层的杂质夹层及砂　粘或粉、粘土　互层（千层土）情况，虽然这些土层的渗透性较差　但夹层和互　层透水性较好，往往由于这些原因有可能导致基坑内出现流砂和　水量大等止水失败而导致基坑式稳的事故。所以水泥搅拌桩止水　帷幕应穿透该层进入其下层的不透水层　这种情况在以往的工程　Ｅ￣ｃｈａｆｌｇｅ　ＰｌｓＯｏｔｍｌ　Ｕ　中经常遇见　另外采用单排搅拌桩作止水帷幕时．应适当控制　桩问掺叠量，一般以互掺２００ｍｍ为宜　防止过大的水头压力。　（４）其他　①采用水泥搅拌桩与灌注桩互掺成一排既作为基坑支护结　构．又作为止水帷幕是一种较为经济、有效的基坑支护形式，　在其设计时应注意其掺叠形式、互掺量和成桩质量控制．由于　不同类型桩的较小的桩问互掺量导致施工较为困难。在天津市　区和滨海地区两个基坑我们就采用了这种支护形式，效果比较　好，但由于桩的垂直度较难控制，基坑局部渗水的现象较为严　重。②由于软土具有蠕变、流动等特性，其在荷载作用下土的　蠕变和流动性能加大，这对基坑的安全和稳定性影响较大．故　在基坑开挖施工期间严格控制基坑外侧的堆积荷载、动荷载和　振动荷载是非常关键的。如在滨海地区某基坑工程，由于局部　的空压机振动和车辆等动荷载效应影响　使基坑土体的位移加　剧，致使基坑一角部钢管内支撑完全失效。　３　软土基坑稳定性　前面已经叙述了软土基坑失稳主由三个方面的原因造成．　对于软土基坑支护结构应采用适合地区特征的设计理论　如同　济大学的侯学缘等教授编写的《软土深基坑工程稳定与隆起研　究》一文中提到的长形基坑和圆形基坑稳定性计算方法在天津　软土地区较为适合。对于由于施工原因造成的基坑失稳应从施　工控制的角度来加以避免．下面主要从施工控制角度方面来叙　述土方开挖对基坑稳定性的影响。　（１）作好基坑监测工程的信息化施工。通过“现场监　测——信息反馈——方案修正——监测验证”的基坑动态地信　息化施工方法，及时发现施工中的问题，从而及时改进施工技　术措施或调整设计，以取得良好的工程效果和保持周边环境的　效果　通过资料总结和分析，可以为今后改进设计、施工提供　实测的数据。　（２）基坑开挖过程中，应加强对支护结构体系和基坑稳　定性监测，作到每一深挖土步骤就要进行施工监测　然后对监　测值（桩顶位移、桩侧斜、沉降）进行分析，如果监测值是一　种渐变的递增过程，则说明基坑处于合理的稳定状态．如果监　测值发生突变或出现峰值．则说明基坑支护结构承受过大的土　压力　则需要放慢挖土速度或立即停止挖土　待基坑变形监测　值停止增长或增长十分缓慢　则可继续进行土方开挖。　（３）对于基坑变形和变形速率超过警戒值　而且变形　还处于继续快速增长，则考虑坑内回填土方、卸载等措施．　确保基坑安全。　（４）工程基础垫层应随基坑分段开挖进行，土方开挖完　毕后，应立即进行垫层旋工　以增加基坑整体的稳定性。　（５）支护结构顶和土坡坡顶周围一定范围的场地做好硬　化处理　并外倾斜坡度为２％　防止水渗入和流八基坑而影响　基坑安全。　（６）基坑挖土严格按设计要求进行挖土，控制每层挖土　厚度和放坡坡度，必要时控制挖土出土速度。　（７）基坑土方开挖过程中．禁止对支护桩脚趾部位土体　的破坏　禁止机械碰撞扰动支护桩，禁止在基坑四周堆积过大　的荷载．严禁振动荷载和动荷载长期作用影响基坑安全。　（８）合理进行施工组织，分段土方开挖完毕后　及时转　入下道工序施工，尽量缩短基坑暴露时间。　（９）雨季施工的基坑工程应密切注意天气情况　提前作　好雨水防排措施．防止雨水渗入和涌入基坑．对于由于基坑变　形过大而产生的地面缝隙应及时采用砂浆回灌堵缝　或下雨时　应采用塑料薄膜覆盖基坑。　软土基坑开挖　土方开挖是深基坑工程设计的一个重要内容　也是深基坑　工程施工的关键工序。由于基坑自土方开挖就处于动的状态　支护结构的受力状态、大小、位移变形都随着开挖深度的增加　而增加，而且由于软土流变特性　随着基坑暴露时间越久．基　坑支护体系的位移变形越大，随时可能都会发生事先估计不到　的事故．因此必须慎重对待。基坑开挖形式一般分为放坡开挖　和支护结构挡土开挖。　１　基坑放坡　基坑放坡开挖是基坑土方开挖常用的一种形式，其优点是　施工方便、造价低　一般是适用于土质较好（硬～可塑状态的　粘性土、砂性土等）的地区。对于软土地区基坑应慎用放坡开　挖　如采用放坡开挖方式时．除根据环境特征和各类工况进行　土坡稳定性分析、计算外．还应采取有效的降排水或止水措施　和安全防护措施．确保安全。软土地区采用放坡开挖方式的基　坑应注意如下问题：　（１）土坡稳定性验算所用土的物理力学指标应根据地质　条件和土的物理力学指标基本相同的原则选用，宜选用固结快　剪，十字板剪和无侧限抗压强度试验测定的抗剪强度指标。　（２）进行土坡稳定性验算，必须考虑建筑物周遍环境及　地下水　渗流等对边坡稳定性影响。　（３）进行基坑放坡设计时应考虑下卧软土层由于在荷载　作用下产生较大的流变，蠕动等的影响　致使土坡失稳或坑底　大量隆起，一般应采取降水固结或加大坡比来解决下卧软土层　的影响。　（４）合理的土坡坡度是放坡开挖的关键。基坑放坡坡度　确定除应满足土坡稳定性验算、周遍环境条件要求外还应注　意当地以往的工程经验。　（５）基坑放坡应采取有效的降、排水或止水措施。　（６）放坡开挖坡面应采取一定的防护措施，这尤其对处　于雨季施工阶段或无降排水　止水措施的基坑比较重要。坡面　防护通常采用抹一层钢丝网水泥砂浆或喷射砂浆，土体含水　量较大时．应设置一定量的排水孔。　２　基坑开挖　基坑开挖形式应重视时空效应问题．要根据基坑面积大　小、围护结构形式、开挖深度和工程环境条件等因素而定。　大体上基坑开挖形式有分层开挖、分段开挖、中心道开挖和　盆式开挖四种。对于开挖形式的确定应以利于基坑安全稳定　为原则，兼顾其他因素，基坑开挖过程中应注意减少时空效　应对基坑支护结构的不利影响。国家标准《建筑基坑支护技　术规程》中明确规定：软土基坑必须分层均衡开挖．分层高　度不宜超过１ｍ。一般基坑土方开挖都根据施工需要都采用各　种开挖方式组合的开挖方法．软土地区基坑开挖应优先采用　分层开挖形式。软土地区基坑开挖时应注意以下问题：　（１）基坑开挖之前应进行充分的降水。虽然软土的渗透　性较小，但降水对土体的固结效果较为明显．因此基坑开挖　之前尽可能提前降水和确保降水时间是非常重要的。　（２）基坑开挖应尽量减少基坑围护结构的暴露时间．必　要时应控制挖土速度，这对于采用悬臂结构和水泥土挡墙支　护形式的基坑尤为重要　一般宜采用分层开挖和中心岛开挖　组合或采用分层开挖和分段开挖组合的基坑开挖方法。　（３）对于大面积的软土深基坑开挖可采用分段、分层开　挖方法不仅便于施工组织　而且对基坑稳定性较为有益。对　于基坑较深的基坑．整体分层开挖较为困难．可采用阶梯式　分层开挖，每个阶梯台作为挖土机械接力作业平台．反铲接　力挖土如下图所示．　图２反铲接力挖土示意图　阶梯式挖土阶梯宽度要以挖土机械可以作业为度，阶梯　高度要视土质情况而定，一般高度应控制在１．５０～２．Ｏｍ之　内．阶梯坡度应以土坡稳定性要求确定。　ｆ４）基坑土方开挖时宜在围护结构前留置适量的被动土　而待基坑内侧土方开挖完毕后再挖除此部分土体．以使被动　土压力区与基坑的围护结构共同抵抗主动土压力区荷载（土　压力、水压力等），这样可部分减少基坑围护结构变形和荷　载累积。　（５）基坑土方开挖时作好基坑监测，而且应根据基坑监测数　据来控制挖土速度、挖土方式，防止基坑失稳。　软土基坑排水和降水　天津滨海地区浅层地下水的类型包括上层滞水、潜水和承压　水三种。上层滞水的埋深一般为１．Ｏ～１．５０ｍ．主要由大气降水　补给，以蒸发形式排泄．水位随季节变化明显。主要的含水层为　弱透水层～微透水性的人工填土层；潜水主要的含水层为Ｑ４２第　ｌ海相层及以上的粘性土、粉土、人工填土层，下层的粉土、砂　土层为承压水的主要含水层，一般工程中主要遇到的是上层滞水　和潜水。总体来说，在含承压水和潜水的浅层地基土层中，土的　水平和垂直渗透系数都很小，渗透性基本属于弱透水～不透水　但土的含水量较为丰富　尤其是淤泥和淤泥质土层．其含水量一　般为５０％～６０％　由于土体中的有有机质或透水性好的夹层等原　因，施工经验上的排水量一直较大，基坑降、排水一般采用井点　降水和明沟排水组合的方式。　１、降水井设计　基坑井点降水常用的降水井类型包括轻型井点、管井井点、　喷射井点和电渗井点，在基坑工程的降水设计中一般根据工程经　验、基坑规模、槽深、环境条件、各土层渗透性和降低水位的深　度等合理选择降水井类型。如滨海地区井点降水一般采用管井　基坑坑内降水深度为坑底面下０．５～１．Ｏｍ。地区性工程降水设计经　验如下　（１）管井井点降水一般采用，￣６００的大口径无砂混凝土管管　井。　（２）无砂混凝土管井的平面布置。管井井间距一般为　２０～３０ｍ左右．其距离基坑止水帷幕的距离控制在５～１Ｏｍ左右。　另外在滨海地区，若采用无砂混凝土管井进行基坑封闭性降水　时　管井间距一般控制在８～１０ｍ以内为宜。　（３）天津市区进行基坑外降水一般采用轻型井点降水方案。　２　基坑排水设计　在基坑开挖完毕后　应在基坑四周挖盲沟明排或其它措施　进行明排水。排水盲沟为３００×４００ｍｍ．内填碎石滤水，并每隔　３０ｍ左右设置集水井。　现在有在用采用塑料板排水法进行软土固结的工程实践。　实践经验证明．采用管井井点降水和明沟排水组成的基坑　降、排水体系是非常有效的。　基坑施工监测　１，基坑施工监测的必要性　由于基坑自开挖就处于动的状态．支护结构的受力状态、大　小、位移变形都随着开挖深度的增加而增加．而且由于软土的特　殊性，随着基坑暴露时间越久．基坑支护体系的位移变形越大．　随时可能都会发生事先估计不到的事故。依据国家规程《建筑基　Ｅ￣ｃｈａｎｇｅ　ＰｌａＵｏｒｍｌ一　坑支护技术规程ＪＧＪ２Ｏ一９９９　在基坑施工及地下结构施工期　间，应对周边环境和支护结构进行监测。通过监测，可以及时　掌握降水、基坑开挖及施工过程中支护结构的实际状态及周边　环境的变化情况．做到及时预报．为基坑边坡和周边环境的安　全与稳定提供监控数据．防患于未然：通过监测数据与设计参　数的对比，可以分析设计的正确性与合理性　科学合理的安排　下一步工序．必要时可及时修改设计．使设计更加合理　施工　更加安全，作到工程可预控性　通过信息反馈，总结工程经　验，促进基坑工程技术的进步。故进行基坑施工监测是很有必　要的，对于软土基坑更是如此。　即基坑开挖过程中．应加强对支护结构体系和基坑稳定性　监测，作到每一深挖土步骤就要进行施工监测　然后对监测值　（桩顶位移、桩侧斜、沉降）进行分析。　２，监测目的及监测项目　（１）基坑施工监测目的就是及时掌握降水、基坑开挖及　施工过程中支护结构的实际状态及周边环境的变化情况，为基　坑施工和周边环境的安全与稳定提供监控数据；另外通过施工　监测的结果　可以指导现场施工　确定和优化施工参数．进行　信息化施工。　（２）基坑施工监测项目包括周边环境监测、支护结构应　力监测、支护结构变形监测．以及包括周边建筑物、重要道路　及地下管线等保护对象进行系统的监测。　另外．对于采用放坡开挖的基坑．为防止由于下软卧层淤　泥质土层在上层土层的自重荷栽下产生滑移和隆起而导致的基　坑内侧工程桩的挤压位移，为此在土方开挖过程中．应对放坡　开挖影响范围内的工程桩进行桩顶位移、放坡坡顶位移和基坑　内土体隆起（反弹）进行监测。　基坑支护　降水及开挖技术的工程实践　１、天津滨海新区响螺湾天津极地海洋馆工程：天津极地　海洋馆工程基坑面积１　３０００ｍ　．基坑开挖深度４．５０ｍ，局部　６．５０ｍ基坑北侧为海河、西侧为交通干道．采用“放坡开挖和　排桩支护”的组合基坑围护形式，排桩采用０６００＠１．２Ｏｒａｔｅ　凝土灌注桩．桩长Ｌ＝８．９０ｍ．嵌固深度为４．５０ｍ．桩间采用搅　拌桩止水。局部采用采用２．２０ｍ厚的水泥土档墙支护．墙高　７．９０ｍ．基坑放坡坡比为１：０．６５．采用单排水泥搅拌桩止水．　水泥搅拌桩采用中７００＠５００　桩长为７．９０ｍ，基坑降水采用大　口径无砂混凝土管管井降水方案。　２、天津航交中心４　、５＃楼工程：本工程基坑面积约为　１２０００ｍ　，基坑开挖深度４．８０ｍ．采用了“放坡开挖和水泥　土挡墙”组合式围护结构形式．基坑放坡坡比为１：０．８，支护　部位采用厚度为１．８０ｍ的水泥土挡墙　挡墙有效嵌固深度为　２．２０ｍ，整个基坑采用中７００＠５００、桩长Ｌ＝９．Ｏｍ的水泥搅拌　桩止水帷幕，搅拌桩水泥掺量１５％，实施效果良好。国