高水位弱透水层深基坑降水与支护365JT技术探讨
摘 要：本文针对兰州化工厂306循环水改造软弱地基的高水位、弱透水性，在深基坑降水围护开挖方面结合工程实际进行了一些探索。
关键词：基坑 井点 降水
1．引言
近20年是我国高层建筑的发展高峰期，多数高层建筑都有一至三层地下室，基坑工程成为中要组成部分，深基坑围护结构和降水方案的365JT设计与365JT施工直接关系到工程成本和工期，关系到能否保证形成地下施工空间及施工安全，顺利保证基坑空间内地基及桩基的安全，保证空间外围安全。但岩土工程还是不够成熟的一门技术，经典理论都在某些简化假定的前提下确定的，具有一定的局限性，一些权威专著规定的应用条件及采用的系数不尽合理，无法正确指导实际施工需要，我们结合中铁十八局职工培训中心工程基坑施工，考虑各种施工荷载及相关因素，根据以往经验进行深入研究分析，对建筑施工手册，地基与基础等专著中规定界限有较大的突破，成功的在高水位，弱透水性深基坑降水围护进行应用，以最低的投入取得很好的实际效果.
二.工程概况
兰州化工厂306循环水改造位于兰州市西固区，主要包括半地下式泵房、地下式水池、冷却塔和变配电三层楼房等。其中，地下水池部分槽地标高-0.8m，挖深5.45m，其地层为第四系全新统及更新统地层属软弱场地土，地下水位埋深1m左右，土层分述如下:
1. 素填土:以粘性黄土为主，含有少量砖渣，厚度为2.5m，强度低且不均匀。
2. 粉制黏土:灰黄色，饱和，可塑状态，大量锈染，顶部少量黑褐色粉制黏土，土质不均夹灰色软芯.厚度为3.26m，土层底板埋深5.12m左右。
3. 粉制黏土:灰色，饱和，软塑状态，有较多锈染，夹有机物厚度为4.57m，土层底板埋深9.69m左右。
4. .粉土:灰色，饱和，中密状态，土质不均，夹黏土斑，本土层厚度为7.5m，底板埋深12.5m。
基坑施工必须采取边坡支护及降水，特别是主楼东西两侧是附楼施工的主要通道.由于场地的狭窄，无法放坡大开挖，更需重点加强。
三.支护及降水设计
(一) 地质报告建议支护方式
经天津市地址工程勘察院研究和计算，建议基坑开挖时，采用砼灌注桩长度12.5m.
1. 基坑边坡防护设计
根据拟建物基坑开挖深度H=5.0m，假设护坡桩总长度为11.0m.按规定的统计方法及地区经验，对11.0m范围内土层的C，φ值及容重r值进行厚度加权平均值计算，其统计结果见下表.
埋深(米) C (Kpa) Ф (0) R (KN／m3)
0.0----11.0 10.84 19.20 19.40
5.0----11.0 10,.52 14.40 19.42
根据朗金土压力理论，护坡桩所受土压力如图所示
其主动土压力参数:
Ka=tg2(450-Ф／2)=0.51
被动土压力参数:
Kp=tg2(450+Ф／2)=1.66
临界深度:
Z0=2Cr(Ka)1/2
单宽主动土压力为:
Ea=1/2r(H+t)2Ka-2C(H+t)Ka1/2+2C/r
=442.2(KN/m)
单宽被动土压力为:Ep=Ep1+Ep2=1/2rt2KP+2C(H+t)Kp1/2
=884.25(KN/m)
现将主动土压力Ea，被动土压力Ep分别对桩端e点取矩，要求被动土压力Ep对e点产生的力矩安全系数K=1.5，则Ea，Ep对e点取矩的平衡条件为:
1/3(H+t-Z0)Ea=1/K(1/3tEp1+1/2tEp2)
经计算得t=6.21(m)
则:L=H+t=5.0+6.21=11.21(m)
经计算求得t=6.25m，护坡桩实际入土深度一般要比计算值增加20%则护坡桩长度:L=H+1.2t≈12.5(m)
2. 基坑开挖施工及降水
根据勘察结果，基坑开挖后，基坑下为粉土，为确保基坑不受扰动，并保证干场作业，需做好降水工作，建议采用砼桩围护，桩长12.5m.本场地地下水位埋深约1.0m，水位降幅较大，根据场地条件及地区经验，建议采用井点降水方案，且先降水，后开挖，以保证干场作业.
3. 基坑开挖砼桩围护方案工程造价为256万元.
(二).现场支护方案选择.
为了采用最简单便捷的方法，最少的投入形成安全，稳定的空间，使地下结构的施工得以顺利完成，我们选择了土层锚杆，砼灌注桩壁(结合支护壁)，钢板桩，水泥深层搅拌桩等几种深基础方案进行比较，认为水泥深层搅拌桩围护结构:
1. 经济技术指标比其他方案具有明显的优势.
2. .由于深层搅拌帷幕墙改善了边坡土层的物理力学指标，较大幅度降低实际弯矩值Ma.
3. 改善了施工条件，保证了工程质量.
4. 起到围护，防水方案统一的效应.
5. 速度快，工期短，一个台班可成桩400m.
6. 施工时无震动，无噪音，无污染.
7. 早期桩体强度增长快.
(三).深层搅拌桩围护结构设计
1. 技术原理
本工程水泥搅拌桩围护结构是以水泥作为固化剂，水泥掺入量为15%，水灰比0.55，用高压将其输送到软弱地层中.通过GZB-600型双头深层搅拌机的钻头，在原位强制均匀搅拌，使水泥颗粒，土颗粒与土中孔隙水等物质相互作用的三相化学反应，在土颗粒或团粒周围包络，并逐渐凝结硬化，凝结成具有整体性，水稳定和一定强度的桩状水泥土骨架结构，从而提高其受弯受剪承载力，达到土体稳定，基坑围护安全的目的.
2. 设计与计算
在目前的基坑工程设计中，无论是悬臂支护结构，还是支撑的围护结构，土压力的计算多沿用于挡土墙的Rankine土压力理论，但水泥搅拌桩围护基坑工程中的土压力明显区别与刚性挡土墙的土压力.对于刚性挡土墙，是先筑墙，后填土.而在基坑工程中，是先在土中成桩，再开挖卸载，墙背后是原状土.特别是在墙后土压力作用下，基坑支护结构将产生不同于刚性土墙的水平位移形成.这时作用在结构上的土压力将由静止逐渐变为主动土压力减小，被动土压力增大，并引起土压力重新分布.因此，影响基坑工程中的土压力的因素更为复杂.我们依据新的情况深入研究，全面分析影响因素，科学的利用土体自身控制土层位移的潜力.
根据公式:
ezjk=σzjkKai-2Cik(Kai)1/2
σzjk=σrk+σok+σik
σrk=γmhZj
σok=q0
σ1k=q1+b0/(b0+2b1)
Kai=tg2(450-φik/2)
Kpj=tg2(450-φik/2)
计算得到:
e0ajk=10.44
e1.45ajk=24.43
e2.76ajk=36.95 e2.76pjk=40.25
e5.5ajk=47.45 e5.5pjk=115.62
εEai=181.11 εE=218.77
墙体厚度设计值b≥Kn[2(1.2γ0haεEai-hpεEpi)γcs(h+hd)得b≥1.46m为了达到极限应力
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状态，准确描述施工状况，最大限度降低造价，考虑软土的流变性及土体的粘，弹，塑性及包括施工因素在内的各种影响系数，制订与开挖方式，空间，地层,土性条件，加固条件及环境有关的函数，为了便于工程应用，采用一等效的水平抗力系数Kn来综合反应土体抵抗变形的能力,Kn=0.4796，得b=0.7m
经验验算压应力:1.25γ0γcs+M\W≤fcs
拉应力:M\W-γcsz≤0.06fcs
剪应力:(Ea-W1u)\2b＜(σtgΦ+C)\K
满足要求.
滑动稳定验算:KHL=(wtgφ0+C02b+Eb)\EA≥1.2
倾覆稳定性验算:Kq=(wb+Ephp)\EAhA≥1.1
(四)降水设计及计算:
现场地下水位在地表下0.8m，基坑深度开挖为4.45m，降水深度约为地表下5.00m左右.为了改善坑壁的土性，减小土的流变变形，比较多种降水方案，选择无砂管井点降水方案.
水位降低值S=4.45m
土壤渗透系数K=2.3×104cm/s=0.2m/d
b/a=(100+3.6)/27.6=3.75<10
井深H=H1+h+iL+1=11m
抽水影响半径R=1.95S(HK)1/2=12.87m
井点管间距D=2(L+B)/(n-1)=2×(105.6+29.6)/(18-1)=19.5m
取井间矩14m
共设无砂管井18口，孔径Φ700，管径Φ400，深度11m，布置位置详图所示.
四.基坑支护及降水的施工.
水泥搅拌桩围护及降水井布置如下图(略).
(一) 围护桩施工
1. 施工工艺:
桩位放样→就位对中→制备水泥浆→预拌下沉→喷浆搅拌提升→复搅下沉→复搅喷浆提升至孔口→关闭搅拌机→清洗→移至下一根桩.
2. 施工参数:桩径Ф700mm，咬合200mm，有效桩长5.5m(两山墙处6.5m).425号普通硅酸盐水泥，掺量15%，用量73.5Kg/m水灰比0.55，水泥浆量1.15m/根，灰浆经输浆管到达喷浆口的时间45s，注浆压力0.45Mpa，提升速度0.5m/min，下钻速度0.8m/min，转速60r/min，钻杆垂直度≤1%桩长，桩位偏差≤50mm.
3. 质量控制:水泥搅拌桩成孔----喷浆----搅拌三道工序均在地下隐蔽完成，其质量状态在目前设备上无直观的随机放映，因此，施工过程中要抓住工序管理管理中的质量控制点:
(1) 施工人员必须即时准确的做好原始记录，工地技术负责人必须逐日检查，确保设计要求和具体措施真正落实；
(2) 水泥质量应符合设计要求，在采购，进厂和使用时有人把关；
(3) 在喷浆搅拌过程中，要保证送粉系统运转的连续性，以确保成桩质量，若遇到较硬土层，可采取使钻杆缓慢打入硬土层，在下钻过程中直接进行喷浆；
(4) 打桩过程中应避免移机，以免影响围护桩的垂直度；
(5) 尽量避免爆管，断桩现象，喷浆口球阀的间隙应适中，不得堵塞，及时清洗.
(6) 采用水泥土侧限抗压强度实验，或轻型触探实验，水泥土取芯抗压强度实验，小应变动测实验，对工程桩的整体性，均匀性及各个龄期的强度进行了检测，各项指标均符合设计和规范要求；
(7) 进行桩位变形量测，及时反映变形速度，一边采取应急措施；
(8) 相临柱体搭接200m，每一施工段宜连续施工，相临柱体施工间隙不得超过24小时。
(二) 井点降水施工
1. 施工工艺:
泥浆护壁冲击式钻成孔，孔径700mm，孔深11m→注入清水，开启离心式泥浆清孔→移钻机→从井底开始往上设置无砂大孔透水管(每米一节)透水管周围用麻布包裹→井底填50cm烁砂，管孔间填土石屑→将Ф75潜水泵送入井底即可抽水→在开槽前十天昼夜降水至基础施工完毕；
2. 施工时注意事项:
(1) 昼夜进行降水；
(2) 每周一次进行沉降观测，发现周围建筑物沉降数大时及时通知设计单位共同协商解决；
(3) 防止雨季大量的地面水流入槽内；
(4) 基坑开挖时，防止土块掉入井中；
五.实际效果与评价.
地下水池工程于1998年2月16日破土动工，约完成2.6万土石方，在基坑支护及降水上，做到因地制宜，科学创新，监测预控，比勘察报告建议的节省约200万元，于11月20日成功完成2000m3地下室砼施工，受到有关方面和专家的高度评价。
六.结论
1. 土的非线性抗剪强度
Rankine土压力理论以Mohr-Coulomb抗剪强度为基础，内摩擦角和内聚力是它的两个重要土性力学指标.可是粘性土压力计算中，人们发现当压力水平较小时计算结果会出现负的恻向土压力，而土体事实上并不能承受拉应力.这表明在应力水平较小时Mohr-Coulomb准则是不合适的.考察Mohr-Coulomb准则可以发现，该准只适合较小一段应力,水平范围.在应力水平较大时Mohr-Coulomb准则都过高的估计了土体的抗剪能力，这对工程应用是不利的.对主动土压力情况是这样，对被动土压力情况也是如此.在深基坑开挖工程中，不仅要涉及计算应力水平较小的浅层压力，而且设计计算应力水平较高的深层土压力，因此必要研究不同应力水平下的土压力计算问题.
2. 支护结构水平位移土压力的影响
经典的Rankine土压力理论存在着两个明显的弱点,:一是要求土体变形达到极限状态的临界值条件.但在基坑过程中，过大的位移量尤其是被动状态的位移量是很难实现也不允许出现的.二是Rankine土压力理论本身是在挡土墙条件下得出来的.挡土墙刚性很大，只允许产生平移或转动，不允许产生变形.而广泛用于基坑支护的连续墙，挖孔桩属于一种轻型的挡土结构，在荷载作用下，其工作状态一般为弹性嵌固.它与刚性墙的特点不同，由于内支撑系统及入土段土体的约束，在墙后土体的压力下，墙体产生挠曲变形，引起土压力重新分布.针对这两个弱点，在考虑支护结构水平位移因素时，需着重解决以下两个问题:
(1) 悬臂式支护体系的基坑工程中的土压力与支护结构的位移之间的关系.
(2) 悬臂式支护体系的基坑工程的土压力沿深度方向的分布形式.
3. 基坑支护的空间效应对土压力的影响
基坑本身是一个具有长，宽和深的三维空间结构，因而其支护系统的设计是一个复杂的三维空间受力问题.大量的工程实践证明，基坑坑壁中央范围土压力和位移均大于两坑壁一定范围的土压力和位移值.这是因为在基坑两端壁处存显著的空间效应，抑制了其临近区域的土压力和位移的发展.在不同的部位处于不同的状态，因此有必要考虑非极限状态.
目前，基坑支护问题常忽略其空间效应带来的影响，视其为一个二维的平面问题，多借助传统的Rankine土压力理论进行支护系统的设计.虽然这偏于安全，但同时也造成了很大的浪费.
4. 土的性质和土压力的影响
(1) 软土具有流变性质，它的变形和强度都随时间而变化，在相对小的减切应力作用下，虽不增加应力，变形可长期发展，是其蠕变特性，变形速度是应力的函数，是其流动的特性或粘滞特性，变形恒定，应力随时间减小，是其应力松弛特性，在长期受荷条件下，强度随时间而变化，是其长期强度特性.在软土地区的基坑设计和施工中，如果忽视它的流变性，仅用一般方法计算，就可能发生工程事故，或造成很大的浪费.
(2) 土具有结构性，这一特点对土的工程型号子有极其重要的影响.结构受到扰动将降低内聚力，降低的程度取决于受扰动的程度，对内摩擦角也有响应的影响,.所以，土的灵敏度也会影响土压力的大小.
5. 地下水对土压力的影响,
目前，在基坑开挖过程中，一般要采用一些降水措施.，降低地下水位，以防止基坑开挖过程中产生流砂或管涌等现象，保证基坑干燥，便于施工.基坑降水会引起基坑内外地下水渗流，地下水状态随之改变，同时，也会引起土的物理，力学性质的改变，直接影响着土压力的大小.
另外，传统的水土合算和水土分算是两种极端的处理方式，研究与含水量，饱和度相关的土压力计算方法将具有实际意义.
从以上讨论可以看出:基坑工程中土压力计算的影响因素十分复杂，经典土压力理论面临着严峻的挑战.国内外诸多学者对此作了大量的理论和实验研究，对经典土压力理论所存在的缺陷和基坑工程中土压力计算的主要影响因素目前已有一定的共识，但还没有一个简单，实用的理论公式能真正用于实践.本工程的实践成功，对土压力及支护理论的研究与发展，将产生重要影响对多层建筑深基坑施工具有重要指导意义.
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