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基坑支护设计方案的破坏风险及防治措施

322 2021-02-22 11:42:03

      深基坑工程安全质量问题类型很多,成因也较为复杂。根据工程事故案例,大致可分为基坑支护结构破坏、土体渗透破坏、基坑周边环境破坏。东南岩土将分若干期陆续介绍上述破坏风险及其防治措施,本文整理了常用支护方案的设计要点、破坏风险及防治措施等,供基坑项目设计管理同行参考。

一、常用基坑支护方案及主要设计要点




      在前期的公众号推文《浅谈基坑工程设计管理要点》中,按支护成本由低至高,或基坑边土体水平位移由大至小列举了常用基坑支护方案:放坡、土钉墙、重力式水泥土墙、排桩、桩锚、桩撑,它们的适用条件如下表:





       支护方案的计算要求和构造详见建筑基坑支护技术规程JGJ 120-2012,在此不赘述。以下分别讨论其主要设计要点和容易被忽略、疏漏的情况。


1.   放坡







       一种施工简单、经济实用的方法,在空旷地区或周围环境允许时能保证边坡稳定的条件下应优先使用。边坡稳定是放坡设计的主要关注内容,下列情况应进行边坡稳定性验算:







  • 坡顶有堆积荷载和动载;

  • 边坡坡率陡于规范允许值;

  • 尤其注意开挖深度范围内存在软弱结构面的倾斜地层;

  • 岩层、主要结构层面的倾斜方向与边坡开挖面倾斜方向一致,且两者走向的夹角小于45°。



放坡支护施工现场


2.   土钉墙、复合土钉墙







       土钉是指植入土中的钢筋、钢管,通过注浆工艺与其周围土体牢固粘结形成的复合体;土钉墙是随着基坑开挖分层设置的、纵横向密布的土钉群、喷射混凝土面层及原位土体组成的支护结构;土钉墙是土钉结合预应力锚杆(索)、微型桩、水泥土搅拌桩截水帷幕等组成的复合型支护结构。







  • 由于该类支护结构侧向刚度较小,开挖时变形较大不易控制,所以安全等级为一级的基坑禁止使用土钉墙或复合土钉墙支护;

  • 土钉墙、预应力锚杆(索)复合土钉墙的坡度不宜陡于1:0.2;对粘聚力较小的砂土、碎石土、松散填土层,确定坡度时应考虑开挖面的局部自稳能力,必要时采取超前支护措施;

  • 对松散砂土、填土或软土地层,宜采用打入式钢管土钉,避免因塌孔、缩径带来的土体扰动和沉陷,对保护基坑周边环境有利;

  • 土钉纵横间距宜取1~2m,倾角宜为5°~20°,长度应按各层土钉受力均匀、各土钉拉力与其极限承载力比值近于相等的原则确定,土层之间变形协调而不开裂。



土钉墙、复合土钉墙锚杆(索)施工现场

土钉墙、复合土钉墙面喷射混凝土施工现场


3.   重力式水泥土墙







       由水泥土搅拌桩两两搭接而形成的连续墙状的加 固体,依靠其本身自重和刚度保护侧壁,形成重力式的挡土结构,兼有截水帷幕的作用。







  • 当水泥土桩考虑抗渗作用时,桩间搭接宽度应考虑相邻桩的桩长、施工容许垂直度综合累积偏差造成搭接失效的可能;

  • 单排桩截水帷幕深度在10m内,搭接宽度不小于150mm,超过10m不小于200mm;当采用多排桩时,排间中到中距离不大于0.8倍桩径;

  • 墙顶面设置钢筋混凝土盖板,以加强支护结构整体性,减少变形,方便施工,防止地表水从墙顶渗入水泥土格栅,盖板可用混凝土抗剪键与桩体连接;

  • 计算书、图纸应根据水泥土墙体的作用(止淤、截水、挡土),提出合理所需的抗剪强度(换算抗压强度),28d无侧限抗压强度不宜小于0.8MPa。


 水泥土搅拌桩施工

重力式水泥土墙基坑开挖施工

二、基坑支护破坏风险及防治措施


1.   放坡







       1)放坡施工常见破坏风险有局部滑坡、甚至坍塌破坏。主要原因有以下几点:







  • 暴雨、久雨后地表水渗入土体,土体抗剪强度、抗压强度降低,发生滑塌事故;

  • 施工赶进度超挖或挖土过快。



边坡局部坍塌现场




       2) 防治措施

       针对以上主要原因,设计、施工管理时应重点关注以下要点,做好事前防范措施:







  • 设计应考虑渗水对岩土力学参数的不利影响,适当提高安全富余;

  • 坡面、坡顶浇筑钢筋混凝土护面,并沿基坑坡顶及坑内的四周设置排水沟,避免雨水流入坑中;

  • 雨天须及时抽排坑内积水,确保坑底无积水;

  • 挖土至坑底后及时整平,与排水沟整浇垫层至坡脚线;

  • 雨天加紧巡查,发现异常尽快修补、加固;

  • 基坑周围2倍开挖深度范围内出现裂缝,尽快用水泥浆封堵,防止地表水不断渗入;

  • 土方开挖作业必须按照“分层、分段、平衡、对称”原则,尤其是“分层、分段“应严格遵守,有利于控制边坡变形;

  • 土方分层开挖的厚度须满足同一层土钉施工要求;当土钉施工空间需要而加大分层厚度时需做好超前支护。




2.   土钉墙、复合土钉墙







       1) 在实际施工过程中,由于各种原因产生的质量安全问题,使得支护结构存在安全隐患,具体有如下几点:







  • 土钉长度未满足设计要求;

  • 注浆效果差、土钉锚固体养护不到位、土钉抗拔检测缺失;

  • 水泥土搅拌桩由于搭接不够等原因,开挖过程中出现截水帷幕渗漏水。



土钉墙、局部坍塌现场




   2) 防治措施

   针对以上主要原因,设计、施工管理时应重点关注以下要点,做好事前防范措施:







  • 当软土或粉土、粉砂中出现成孔困难、局部塌孔或注浆效果差时,可改用d48x3钢花管直接打入土中并注浆;注浆应及时、连续、饱满;

  • 注浆工艺根据实际情况调整,可首先进行低压注浆,压力控制在0.2MPa以内,待水泥浆液初凝后进行二次注浆,并提高注浆压力;

  • 当土层存在块石等障碍物影响成孔或未达到设计长度时,应知会设计单位调整土钉设计;

  • 土钉锚固体的强度需达到设计要求后才能进行下一层土方开挖,二次注浆与下层土开挖至少间隔24h;

  • 当地层复杂或缺少经验数据时,须对土钉进行抗拔检测,期间对土钉抗拔能力进行了检验,有助于设计单位定量地了解地勘数据可靠性、设计模型准确性和基坑安全度;

  • 在明确搅拌桩渗漏点范围后,采用双液注浆化学堵漏法:先在坑内筑土围堰蓄水,减少坑内外水头差,减少渗漏速度,然后在漏点范围设108mm钻孔(穿过可能出现渗漏通道的区域),再往孔中填充砾石,填堵渗漏缝隙,当坑内外水头差小于2m时,进行化学注浆;

  • 截水帷幕漏水量很大时,应直接寻找漏洞,先用棉布堵塞形成过滤包(隔砂不隔水),后引导管排水,再用沙包压实漏洞,采用“堵漏王”(凝胶材料)将沙包缝隙封死,最后用C20混凝土彻底密封漏洞并封堵导管;同时分析漏水原因,采用坑外旋喷桩或注浆加固。




3.   重力式水泥土墙







       1) 在实际施工过程中,由于各种原因产生的质量安全问题,使得支护结构存在安全隐患、截水帷幕存在渗漏隐患,具体有如下几点:







  • 由于施工组织、现场条件等原因,搅拌桩施工不能连续,不可避免地需要预留施工缝,造成水泥土墙无法有效搭接;

  • 水泥土墙施工中遇到地下障碍物,使墙体(桩体)无法施工到设计标高,出现短桩现象;

  • 由于水泥材料、土层原因、施工管理、旁站监理等原因,水泥土取芯试样的室内抗压强度达不到设计要求。






       2) 在有些项目开发过程中,存在突发情况或设计重大调整,使得原设计不能满足要求需作出设计变更,大致有如下情况:







  • 地下室建筑层高及竖向方案尚未完全确定的情况下,要求基坑支护及桩基础先行施工以抢工期,导致最终的基坑开挖深度大于设计挖深;

  • 建筑方案(集水井、电梯井)局部调整位置、坑中坑深度,同样导致基坑需要超挖;

  • 施工期间遇到雨季、长时间暴雨导致墙背水位升高,水压力突然增大,导致水泥土墙变形增大,墙后与土体交接处出现水平裂缝。



搅拌桩截水帷幕局部渗漏

 支护桩咬合位置局部渗漏




         3) 防治措施







  • 施工缝可采用高压旋喷桩进行有效搭接,预留施工缝的大小应根据拟用的高压旋喷桩的类型及其有效成桩直径确定,一般比有效成桩直径小300~400mm;

  • 当水泥土挡墙兼作截水帷幕时,应保证高压旋喷桩与水泥土墙有不小于200mm的搭接长度;

  • 局部短桩同样可采用高压旋喷桩进行接桩处理,桩平面同原设计水泥土墙,旋喷桩桩顶与水泥土墙的接桩高度不小于1m,桩底同原设计水泥土墙,搭接处一般可放置一根长2~3m的d48钢管保证其上下连续性及传力可靠性;

  • 当出现成片的连续短桩现象,同时地下障碍物较厚时,除了按上述做法接桩外,另应在墙面(地下障碍物范围内)外挂钢筋混凝土护面,必要时可设置短锚杆,以保证水泥土墙的整体性及稳定性;

  • 对水泥土墙进行钻孔取芯对芯样有一定的破坏,检测抗压强度试验不能真实反映实际桩身强度值,试验值均偏低;只用于固化软土、提高变形模量的搅拌桩,尽量不要在图纸技术要求中提强度要求,或者强度不能要求过高;

  • 当局部范围试验值略未达到设计要求时,可适当延迟开挖,利用水泥土28d后强度不断增长的特点,复检达到要求后进行开挖;

  • 当已临近土方开挖,为了提高墙体的抗变形能力及承载能力,可随着土方的开挖,在墙面增设锚杆(索),增设型钢角撑、内斜撑等措施,对工期影响较小且效果好;

  • 为减缓坑外水位上升、水土压力增大的不利影响,可在墙背进行挖方卸载,挖方深度一般为2m,宽度不小于3m;

  • 墙身增设泄水孔,一般要求在原设计坑外水位标高附近上下各设一道,孔径不小于100mm,孔距根据墙背土的渗透性确定,一般为1~2m;

  • 墙背处设置临时降水井、集水井(坑),进行集中降、排水,以降低坑外水头标高。



结语



      本文对常用基坑支护方案(放坡、土钉墙及复合土钉墙、水泥土重力式挡墙)常见的破坏风险及防治措施进行了较系统的梳理。推文不可能列举基坑施工现场发生的各类问题,但解决问题的思路、方法能对基坑设计管理、施工现场管理有一定的参考借鉴作用。

     下篇我们将继续介绍其余支护方案(悬臂排桩、双排桩、桩锚、桩撑)的设计要点、破坏风险及防治措施。




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