砂性土地基超深基坑支护技术研究

时间：2024-04-23

王红伟

河南省昊鼎建筑基础工程有限公司

砂性土地基超深基坑支护技术研究

王红伟

河南省昊鼎建筑基础工程有限公司

随着我国城市化进程的不断加快，城市土地资源问题日益突出，人们越来越重视城市地下空间的利用，因此推动了基坑开挖深度的加大，促使了超深基坑工程的产生。这些超深基坑往往位于城市的中心位置，附近环境较为复杂，也有较高的保护要求，所以受到了学术界与工程界的重视。就砂性土地基超深基坑来说，下卧承压水可能会将上覆土层冲进基坑之中，导致基坑突涌破坏，对周边环境造成严重的影响，因此，一定要重视砂性土地基超深基坑支护技术的研究工作。

砂性土地基；基坑；支护技术；围护结构

1.绪论

1.1砂性土地基超深基坑支护技术研究概述

最近几年来，随着我国经济社会的发展，我国的城市化进程也不断加快，城市土地资源紧张问题日益严重，为了使得城市土地利用率得以有效提升，确保城市可持续发展，开始不断提升城市地下空间的利用率，比如说：高层建筑多层地下室、轨道交通地下车站等，基坑挖掘的深度逐渐增加，推动了超深基坑的产生，比如说杭州地铁一号线之中的富春路站基坑的挖掘深度最高达至25.31米等。与此同时，这些超深基坑往往处于城市的中心，附近都是各种各样密集的建筑，而且密集分布着各种地铁隧道、交通干道以及地下管线等构筑物，附近环境条件较为复杂，基坑的施工场地较为紧张，施工条件较为恶劣，而且在施工中还需要考虑其对附近环境产生的影响，要确保对附近人们的城市生活不会造成过大的影响。除此之外，基坑深度的加大也提高了对工程建设的要求，尤其是在地下水位较高的砂性土地基施工中，所以，对地下水的控制变成了基坑工程施工安全的一个重要环节。

1.2砂性土地基超深基坑支护的关键问题分析

通常而言，砂性土地基超深基坑支护主要有两个方面的关键问题，分别是：基坑变形控制与地下水控制。下面分别对其进行简要介绍：（1）基坑变形主要内容有：基坑周边土体位移、坑底隆起以及维护结构体的变形。其中基坑周边土体位移主要是由于受到坑底土体隆起与维护结构变形的影响而产生的；坑底隆起是由坑外土体荷载与坑底土体卸荷回弹而导致的；围护体的水平变形是由维护结构两边之间的压力差所导致的。除此之外，基坑过度变形还会对附近道路灯、管线以及建筑物等产生一定的危害，其两者间并非是纯粹的影响和被影响的关系，在基坑变形对附近建筑物产生危害的同时，附近建筑物所产生的附加符合也会在一定程度上影响附近土体应力场，进而对基坑变形产生一定的影响。（2）砂性土地基地下水丰富而且水位较高，因此砂性土地基超深基坑支护关键问题不仅是基坑变形控制，而且还包括地下水的控制。地下水的控制主要包括两方面内容：潜水控制与承压水控制，地下水控制可以采用降水或止水等措施。所谓的止水措施就是通常而言的布置止水帷幕，也就是在开挖基坑时，为了避免地下水横向渗流而采用竖向止水措施，或为了避免突涌而采用水平措施，这一措施对确保基坑渗流稳定具有非常重要的作用。现在止水措施中，主要应用竖向止水帷幕，包括悬挂式与落底式两种。悬挂式由于含水层过厚无法彻底穿通含水层而用于隔开上层滞水、潜水与帷幕深度中承压水平向渗流，拓展了承压水的渗径；而落底式则直接穿透透水层从而深入下卧层的一定深度，将基坑内外水之间的联系予以直接切断，虽然能够取得较好的效果，但是仅仅适合于较浅的基坑。对于砂性土地基超深基坑而言，承压水控制是非常重要的内容，超深基坑的挖掘深度常常可以达至数十米，而砂性土地基下卧承压含水层的含水量往往较为丰富，承压水头较高，往往开挖基坑时承压水压力会超过覆层的自重，容易导致基坑突涌现象的产生。而基坑突涌具有突发性，可能会致使基坑围护结构出现严重损毁甚至倒塌、坑外出现大面积地面沉陷、破坏附近地下管道与建筑物，更甚者会致使施工工作者伤亡。除此之外，承压水降水导致的基坑附近地表沉降也会对附近建筑物的正常使用造成一定的影响，也是需要重视的一个问题。

2.常用基坑围护结构类型与分析方法

2.1常用基坑围护结构类型

经过长时间的发展，基坑工程已经积累了许多的经验，当前围护结构应用已经比较成熟了。基坑围护主要包括：放坡开挖、水泥土重力式挡墙、土钉墙与复合土钉墙、拉锚式围护结构、悬臂式围护结构等。

2.1.1放坡开挖

一般而言，放坡开挖通常用于浅基坑，而且还应用于一些深基坑上层开挖之中。放坡开挖属于开敞式开挖施工，其具有施工进度快、造价经济以及工艺简单等优点，不过也具有要求基坑土质好，施工场地与放坡场地足够的缺点。

2.1.2水泥重力式挡墙

所谓的水泥土重力挡土墙就是指应用喷浆施工的方法，强行搅拌地基土与水泥材料所形成的水泥土加固土的挡墙。（1）水泥重力式挡墙的优点主要包括：①能够运用重力式挡墙的水泥土桩构成密封型的止水帷幕，具有较强的止水性能；②应用之后所遗留下的地下障碍物处理起来较为容易；（2）水泥重力式挡墙的缺点主要包括：①围护结构需要占用较大空间，围护结构变形较大，位移控制能力较弱；②在墙体较厚时，高压旋喷桩或水泥土搅拌桩对附近环境具有较大的影响；（3）适用条件主要有：如果基坑附近环境保护要求较高，基坑开挖的深度就不应该大于5m，如果要求不高时，可以适当的将开挖深度放宽到7m。

2.1.3土钉墙与复合土钉墙

（1）土钉墙

土钉墙通常是由密集在原位土体之中的土钉、土钉间的被加固土体以及覆盖在土体表面之上的钢筋混凝土面层等构成，其具有一定的自稳能力。①土钉墙的优点主要包括：土钉墙凭借群锚功能维持坑壁的稳定；适用于各种形状的基坑；设备移动灵活、占据空间小；通常不占据基坑的内部空间，有效确保基坑开敞式外撅，挖土与运土条件好；密封性好，能够覆盖土坡表面，从而有效避免地表水与地下水对坑壁产生的侵蚀；柔性较高，破坏之前会经过相应的变形过程，拥有较强的抗震性与延展性；开挖与支护同时进行，能够运用监测数据与开挖外露的土层情况对土钉的施工参数进行适当的调整，有助于开展信息化施工；②土钉墙的缺点主要包括：若土钉较长就会超过用地的红线；由于土钉要和挖土开展交换施工，因此其对施工组织管理水平具有较高的要求；③土钉墙的应用范围：开挖的深度往往要低于12m，附近环境要求较低的基坑工程，经人工降水后或者地下水位之上的人工填土、弱胶结砂土以及黏性土。其不适用与下列情况：地层之中具有膨胀土、软弱土层或者淤泥质土；过度干燥、黏聚力较小与均匀度较高而且相对密度较小的砂层；附近环境保护的要求较高的工程以及周围具有地下建筑物的工程等。

（2）复合土钉墙

①土钉墙+预应力锚杆

较之于一般的土钉墙，这种复合土钉墙在变形控制与基坑稳定性方面更为有利。这一围护形式主要适用于那些对基坑变形要求较高的基坑施工之中。

②土钉墙+止水帷幕

较之于一般的土钉墙，这种围护形式添加了止水帷幕，能够降低坑内降水对坑外环境产生的影响。也可以对坑壁土体进行预加固，降低基坑变形与加大坑壁的稳定。这一围护形式往往使用与那些地下水位较高，并且降水对附近环境影响较大的工程，此外还适用于开挖深度较浅、土质较差的工程。

③土钉墙+微型桩

运用微型桩超前支护能够大大降低基坑的变形。这一围护形式主要适用于软塑状粘性土、填土等较为软弱的土层，开挖面临自立性能以及需要竖向构件提高复合体强度与整体性的工程。

综上分析可知，复合土钉墙就是土钉墙和别的支护结构构成的组合，所以不仅具有上述特点，而且土钉墙的使用条件与特点也大体在复合土钉墙上适用。

2.1.4拉锚式围护结构

所谓的拉锚式围护结构主要是由拉锚系统与挡土结构所构成的基坑围护系统，其挡土结构和内撑式或悬臂式围护结构一样。在拉锚系统的协调配合下，土体与围护体构成一个有机、统一的整体。拉锚式围护结构的特点主要包括：①侧向位移小、构件尺寸小、整体刚度大；可以应用于附近环境以及场地地质允许的条件下。②适用于开挖面积较大的基坑之中，可以开敞式开挖，从而给地下水与挖土结构施工提供一定的方便，能够大大减少工期，具有显著的经济效益。③锚杆需要凭借土体本身的强度来提升锚固力，所以土体的强度越大，达到的锚固效果就越好，反而言之，土体强度越小，锚固的效果就越差，所以其通常不适于在软弱土层中应用。④如果锚杆的施工质量较差，可能会导致出现较大的地面沉降现象。

2.1.5悬臂式围护结构

所谓的悬臂式围护结构主要指拥有相应刚度的板式支护体，比如说：地下连续墙、钻孔灌溉桩、钢板桩、型钢水泥土搅拌墙以及型钢等。经常应用在必须敞开式开挖，而且对围护体的占地尺寸具有一定制约条件的基坑工程之中。单排悬臂钻孔管改装支护形式通常应用于浅基坑，而在实际工程施工中，以为内其变形较大，而且材料性能充分发挥难度较高，经济性较差，应用范围较为有限。格形地下连续墙与双排桩等构成的悬臂式支护系统的刚度较大，变形较小，往往应用于那些中等开挖深度，并且对围护变形具有相应控制条件的基坑工程之中。

2.2常用的围护结构计算方法

2.2.1等值梁法

这一方法将挡土结构主要分成上、下两段，并且以虚设铰为界；上段是简支梁，下段是一次超静定结构，然后根据弹性结构的连续梁对挡土结构的支撑轴力、弯矩与剪力进行求解。通常假设铰Q点与土面距离深度是y，其值的通常是开挖深度的0.1-0.2倍。

2.2.2数值分析方法

（1）有限元法。这一方法是一种较为科学、有效的模拟开挖的分析方法，其将土层的分层情况与土的性质、土层开挖与支护结构布置过程以及支撑系统分布与性质等因素都予以考虑。通常而言，有限元法分析软件主要有：ABAQUS、FLAC2D/3D、PLAXIS、EXCAV等。（2）有限差分法。这一方法主要是将求解域划分为差分网络，通过对有限网络节点的应用来替代连续的求解域，然后再运用Taylor级别开展等方法，把控制公式之中导数运用网格节点上的函数值的差商来替代予以离散，将在网格节点之上的值的代数方程组建立起来，其相当于一个把微分问题转换成代数问题的求解方法。

2.3基坑围护结构稳定性分析

所谓的基坑围护结构稳定性验算主要指的是：对基坑附近土体或者土体和围护系统共同保持稳定性的能力，其在基坑工程设计计算之中具有非常重要的作用。通常而言，基坑稳定性验算主要包括：整体稳定验算、抗隆起稳定验算以及地下水渗流稳定验算，下面分别对其进行简要介绍：

2.3.1基坑整体稳定验算

（1）边坡稳定分析。针对放坡开挖予以相应的边坡稳定分析，通常使用的方法为在极限平衡理论基础上的条分法，这一方法在力学理论上是超静定的，需要对条间里予以多种假定。可以将边坡稳定安全系数表示为：

（2）坑底有软弱夹层土坡稳定分析。如果基坑底部存在博软弱夹层时，基坑边坡非常可能会随着负荷滑动面予以滑动，其是由直线与圆弧所构成。负荷滑动面稳定性分析具有一定的复杂度，在实际工程操作中经常会使用简化的方法予以分析。

2.3.2抗隆起稳定分析

①过去，通常使用根据承载力模式的极限平衡方法，对粘土基坑不排水条件下的抗隆起稳定予以分析。随着科学技术的进步，近代数值分析方法也取得了不断进步，当前有限元方法也已经应用于基坑抗隆起稳定分析之中。②极限分析方法是粘土基坑抗隆起的主要分析方法之一。极限分析理论是岩土工程应用研究之中的较新的一个领域，这一方法凭借其较为严格的塑性理论依据，取得了岩土稳定研究工作者的关注。极限分析理论之中主要应用的理论是极限分析上限理论。

2.3.3抗渗流稳定分析

据研究发现，软土区域极少会出现管涌破坏情况，而更多的是流土破坏情况，就流土破坏通常要开展抗渗流稳定验算，而抗渗流稳定性验算通常需要满足下列条件：

r' iyw

上述公式之中的y'与yw分别是土体浮重度以及地下水的重度；而i是指渗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

随着当前我国地铁与高层建筑逐渐增多，基坑施工的深度也日益增加，尤其是城市地区，基坑降水已经变成有效确保基坑开挖安全的必要措施。现在，由于地下水的不恰当处理导致的坑壁土体坍塌、坑底突涌、管涌以及流砂等基坑工程事故仍然有很多，所以基坑降排水技术仍然需要不断的予以改进。除此之外，我国的水资源较为有限，单单追求降排水必然会导致水资源浪费，而且也会只是附近地面出现不均匀沉降等问题，因此，我们在采用基坑降排水措施时一定要遵循按需降水的相关原则，在满足工程需求的条件下，使得地下水资源得以最大限度的节约。

3.2地下潜水控制

3.2.1止水

当前止水帷幕具有众多的种类，主要包括：①普通水泥搅拌桩，这一搅拌桩的功率较为有限，极少在砂性土地基之中使用，通常用于仅有一层的地下室基坑之中；②三轴水泥搅拌桩，这一搅拌桩较之于普通水泥搅拌桩的功效大的多，而且处理的深度也较深，在当前工程之中的应用较为广泛，其当前主要应用于2-3层地下室基坑的施工；③高压旋喷桩，这一方法在过去的应用较为广泛，由于其止水效果比三轴搅拌桩差，但造价却较高，因此其应用呈现减少的趋势，但是高压旋喷桩的应用灵活性较高，适宜应用于堵漏的地方或者局部施工环境较差的区域；④地下连续墙，其当做止水帷幕具有较高的质量，但其造价也相对较高，通常应用于高于3层的地下室基坑施工之中。

3.2.2基坑降排水

现在应用的基坑降排水方法主要有三种，分别是：疏干降水、导渗法以及集水明排。降排水的作用主要包括：①避免基坑的坡面与地面漏水，确保基坑施工环境的干燥性；②避免坑底或边坡出现流砂，加大坑底与边坡的稳定性；③有效增强基坑的稳定性与土体的抗剪强度。对开挖边坡，能够使得边坡稳定性提高；对开挖支护，能够通过降低主动区压力而增加被动区压力的方法降低压力差，进而降低支护变形，使得支护体系的稳定性得以有效提高；④降低开挖土体的含水量，为开挖施工作业提供一定的便利。

3.3承压水控制

3.3.1承压水的危害

通常而言，砂性土地基之中的承压水压力是不大于覆土层自重应力的，但地基基坑开挖却将这一状态做出了改变，随着基坑开挖深度的加深，承压水含水层之上的覆土层自重应力会逐渐降低，就超深基坑而言，其开挖的深度常常达至数十米，这可能会致使承压水压力超过上覆层的自重压力，在这一情况下承压水会土坡上覆土层渗入基坑之中，导致涌土、突水或者涌砂现象的发生，这就是基坑突涌现象。由于基坑突涌突发性较强，会致使基坑围护结构倒塌或受到严重损坏、对附近地下管道与建筑物造成破坏、坑外会出现大规模的地面沉陷，更甚者会致使施工工作者伤亡。因此，由基坑突涌所引发的工程事故的损失通常较大，而且无法挽回，产生的社会负面影响巨大，因此必须予以重视。

基坑突涌破坏模式主要包括：①围护结构与隔水层交界处周围在承压水头的影响下剪切应变超过体积应变，通常会导致剪切损坏；②在承压水的影响下，隔水层向上隆起变形，其中基坑中央产生的变形最大，但是其随水位的提升，最后导致剪切破坏与复合拉剪破坏；③含水层与隔水层界面位置的体积应变较高，通常会导致水压楔裂作用的产生。

3.3.2承压水的防治措施

通常而言，承压水控制需要符合下面的两个基本要求：①把控制承压水位低于安全埋深；②按需降水，从而有效避免由于过量抽水而致使附近地面出现大面积的沉降。当前针对基坑承压水的防治措施主要具有三种：分别是：封底法、降压法与隔断法。