劉情情 黃昌乾 黎良杰 潘啟輝 吳 蘭

(中航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100098)

0 引言

邊坡支護(hù)按照工程使用年限分為臨時(shí)支護(hù)和永久支護(hù)兩類，兩類支護(hù)設(shè)計(jì)的安全等級(jí)及依據(jù)的設(shè)計(jì)規(guī)范均不同。在工民建項(xiàng)目中，臨時(shí)支護(hù)通常為基坑支護(hù)，設(shè)計(jì)依據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ120-2012)，設(shè)計(jì)使用年限一般為1～2年，服務(wù)于基槽開(kāi)挖期間，待基槽回填后，基坑支護(hù)的服務(wù)功能終止[1]；永久支護(hù)為使用年限大于2年的邊坡支擋結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)依據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330-2013)，當(dāng)臨近建筑物時(shí)，設(shè)計(jì)使用年限同臨近建筑物的使用年限，通常為50年，服務(wù)于整個(gè)建筑物使用期[2]。這兩類支護(hù)通常分開(kāi)設(shè)計(jì)。

在山地項(xiàng)目中，常常出現(xiàn)建筑物兩側(cè)土壓力不平衡的情況，通常在一側(cè)設(shè)置永久性的支擋結(jié)構(gòu)來(lái)承擔(dān)不平衡的土壓力，當(dāng)建筑物同時(shí)有地下室需要進(jìn)行基坑開(kāi)挖時(shí)，還需設(shè)置基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，如果兩種支護(hù)體系有一定的水平距離，可分別設(shè)置、單獨(dú)計(jì)算；但山地項(xiàng)目常常受場(chǎng)地空間條件限制，此時(shí)臨時(shí)支護(hù)與永久支護(hù)需要相結(jié)合設(shè)計(jì)，即通過(guò)一種支護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)滿足兩種工況的要求，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)統(tǒng)一計(jì)算分析，既保證工程安全可靠，又經(jīng)濟(jì)合理。本文所述的工程案例就是這種臨時(shí)支護(hù)與永久支護(hù)相結(jié)合設(shè)計(jì)的情況。

1 工程概況

擬建項(xiàng)目位于北京市門頭溝區(qū)永定鎮(zhèn)，場(chǎng)地位于西山山前，永定河洪沖積扇上部，現(xiàn)狀地形起伏較大，地面標(biāo)高為98.00～112.95 m。

本工程場(chǎng)區(qū)建筑總平圖如圖1所示，擬支護(hù)邊坡位于場(chǎng)區(qū)南側(cè)，邊坡總長(zhǎng)度約200 m，沿場(chǎng)區(qū)南側(cè)用地紅線分布，坡腳臨近擬建建筑物，擬建建筑物南、北兩側(cè)設(shè)計(jì)地坪標(biāo)高相差近10 m。建筑物基礎(chǔ)外邊線距離用地紅線約5 m，支護(hù)結(jié)構(gòu)位于用地紅線與建筑基礎(chǔ)外邊線之間，在有限的空間內(nèi)，既滿足開(kāi)挖至建筑物基底標(biāo)高時(shí)臨時(shí)基坑支護(hù)的要求，還要承擔(dān)永久工況下建筑物南北兩側(cè)的不平衡土壓力。

圖1 總平圖

1.1 場(chǎng)區(qū)環(huán)境條件

擬支護(hù)位置現(xiàn)狀地形為天然斜坡，坡頂現(xiàn)狀標(biāo)高113.4～109.8 m，坡底標(biāo)高105.2～98.2 m，場(chǎng)區(qū)周邊為現(xiàn)狀及規(guī)劃道路，無(wú)臨近建筑物，坡頂沿用地紅線有一排電線桿(可拆除)。坡頂紅線為規(guī)劃道路，道路寬度20 m，道路規(guī)劃標(biāo)高116.1～107.7 m，西側(cè)高、東側(cè)低，道路南側(cè)為臨近項(xiàng)目規(guī)劃用地(未開(kāi)發(fā))。本工程開(kāi)工時(shí)，道路路面結(jié)構(gòu)已施工完成。

1.2 水文工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘察報(bào)告，本工程場(chǎng)地地層分為人工填土層、一般第四系沉積土層、侏羅系龍門組基巖。人工填土層包括：碎石填土①層，雜填土①1層，黏質(zhì)粉土填土①2層。一般第四系沉積土層包括：碎石②層(局部為塊石，夾粉質(zhì)黏土②1、黏質(zhì)粉土②2薄層及透鏡體)，粉質(zhì)黏土②1層，黏質(zhì)粉土②2層，碎石③層，粉質(zhì)黏土—重粉質(zhì)黏土③1層。侏羅系龍門組基巖包括：強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖④層,中等風(fēng)化粉砂巖⑤層。

本工程在鉆孔深度以內(nèi)觀測(cè)到一層地下水，地下水類型為潛水，穩(wěn)定水位標(biāo)高為90.60～94.56 m，歷年最高地下水位均接近自然地面。施工前根據(jù)臨近基坑開(kāi)挖情況已知本基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)無(wú)地下水。

2 兩種工況下的邊坡高度

2.1 臨時(shí)工況下邊坡高度

坡頂規(guī)劃道路路面設(shè)計(jì)標(biāo)高116.1～107.7 m，坡腳擬建建筑物基底標(biāo)高93.4 m，基坑開(kāi)挖后臨時(shí)邊坡高度14.3～22.7 m。

2.2 永久工況下邊坡高度

永久工況下的邊坡高度需要通過(guò)分析建筑結(jié)構(gòu)兩側(cè)不平衡土壓力對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響后確定。

(1)建筑物不平衡土壓力計(jì)算

建筑物南北兩側(cè)地坪標(biāo)高相差10 m，如果不采取任何支護(hù)措施，不平衡土壓力將直接作用在結(jié)構(gòu)體系上。按照靜止土壓力計(jì)算不平衡力的大小，計(jì)算公式見(jiàn)式(1)、式(2)。

(1)

K0=1-sinφ

(2)

式中：E0——土壓力，kN/m；

K0——靜止土壓力系數(shù)；

γ——土體重度，kN/m3；

H——邊坡高度，m；

φ——土的內(nèi)摩擦角，(°)。

土體重度取19 kN/m3，不平衡土體高度H為10 m，土體等效內(nèi)摩擦角取為30°，代入公式(1)、(2)求得K0=0.5，E0=475 kN/m。即建筑物每延米的不平衡土壓力為475 kN。

(2)抗滑移驗(yàn)算

R=μ·∑G

(3)

(4)

式中：R——抗滑力，kN/m；

μ——摩擦系數(shù)；

∑G——結(jié)構(gòu)每延米重，kN/m；

K——抗滑移安全系數(shù)。

結(jié)構(gòu)每層重按照15 kN/m2計(jì)算，∑G=1880 kN/m，地基土為碎石土，摩擦系數(shù)μ=0.4，代入式(3)求得R=752 kN/m。

將R、E0代入式(4)求得K=1.58>1.35，建筑物滿足抗滑移整體穩(wěn)定性的要求。

(3)結(jié)構(gòu)體系計(jì)算分析

將不平衡土壓力加在結(jié)構(gòu)體系上進(jìn)行計(jì)算，發(fā)

現(xiàn)整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的變形很大，不滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)考慮到地震工況下不平衡土壓力對(duì)結(jié)構(gòu)體系影響的計(jì)算方法尚不成熟，如果將不平衡土壓力由結(jié)構(gòu)體系承擔(dān)，會(huì)給整個(gè)結(jié)構(gòu)體系帶來(lái)很大的風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，結(jié)構(gòu)專業(yè)提出采用支擋結(jié)構(gòu)承擔(dān)建筑結(jié)構(gòu)南北兩側(cè)不平衡土壓力，結(jié)構(gòu)體系完全不考慮不平衡土壓力的作用。要求肥槽僅回填至103.00 m標(biāo)高，103.00 m標(biāo)高以上部分為永久性邊坡，永久邊坡高度4.7～13.1 m。為避免南側(cè)土壓力向建筑結(jié)構(gòu)傳遞，在永久性支護(hù)結(jié)構(gòu)與建筑外墻之間設(shè)置永久性結(jié)構(gòu)空腔，空腔頂部采用結(jié)構(gòu)外挑蓋板封閉。

3 支護(hù)方案選擇與設(shè)計(jì)

3.1 方案選型

按照建筑及結(jié)構(gòu)單位的要求，支護(hù)結(jié)構(gòu)與道路及建筑物的高程關(guān)系如圖2所示。此外要求支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部留不小于3 m覆土的空間，滿足預(yù)埋管線的要求。

圖2 支護(hù)結(jié)構(gòu)與道路及建筑物高程關(guān)系典型剖面(單位：m、mm)

本工程臨時(shí)支護(hù)高度14.3～22.7 m，采用常規(guī)的樁錨支護(hù)體系能夠滿足本工程的要求。肥槽回填后永久支護(hù)高度4.7～13.1 m，比臨時(shí)支護(hù)高度小9.6 m，一般來(lái)講，這種情況下臨時(shí)工況是控制性工況，滿足臨時(shí)工況，永久工況自然就滿足了。但是由于本工程地層條件為土層，臨時(shí)支護(hù)選用了預(yù)應(yīng)力錨索，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[3-7]和北京地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)，土層中的預(yù)應(yīng)力錨索隨著時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)發(fā)生預(yù)應(yīng)力損失，永久工況要滿足50年的服務(wù)期限，預(yù)應(yīng)力錨索的作用大打折扣，為保證工程安全，永久工況設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)不計(jì)錨索的作用。

臨時(shí)工況初步選用傳統(tǒng)的樁錨支護(hù)體系，護(hù)坡樁樁徑800 mm，樁間距1.6 m，配置多道預(yù)應(yīng)力錨索；永久工況下不計(jì)預(yù)應(yīng)力錨索的作用，按照懸臂樁支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。對(duì)于永久邊坡高度8 m以下的情況，樁徑800 mm，樁間距1.6 m的排樁體系只需要增大護(hù)坡樁的配筋就能滿足要求；當(dāng)邊坡高度8～13.1 m時(shí)，樁徑800 mm的護(hù)坡樁按懸臂樁構(gòu)件計(jì)算無(wú)法滿足支護(hù)要求，若為此增大懸臂樁的樁徑，則對(duì)于臨時(shí)支護(hù)是不經(jīng)濟(jì)的，施工上也不便利，綜合考慮，采用雙排樁支護(hù)體系，前排樁借用臨時(shí)支護(hù)的護(hù)坡樁，只需增設(shè)后排樁。增設(shè)后排樁后，考慮后排樁的作用臨時(shí)工況變化為雙排樁樁錨支護(hù)體系，較常規(guī)情況下的單排樁樁錨體系可適當(dāng)優(yōu)化錨索的工程量。

綜上所述，各種工況下的計(jì)算模型匯總于表1。

表1 各工況計(jì)算模型

3.2 樁頂標(biāo)高的確定

支護(hù)結(jié)構(gòu)與建筑外墻之間設(shè)置永久性空腔，空腔頂部用結(jié)構(gòu)外挑蓋板封閉，結(jié)構(gòu)蓋板一側(cè)固定在結(jié)構(gòu)外墻牛腿上，一側(cè)搭在支護(hù)結(jié)構(gòu)上，因此支護(hù)結(jié)構(gòu)頂標(biāo)高應(yīng)同結(jié)構(gòu)蓋板板底標(biāo)高。結(jié)構(gòu)蓋板的板底標(biāo)高全長(zhǎng)范圍內(nèi)分為7段，由于結(jié)構(gòu)蓋板的標(biāo)高分段較多，為減少支護(hù)剖面數(shù)量，便于機(jī)械打樁施工，將樁頂標(biāo)高合并為3種，分別為110.00 m、109.65 m、105.65 m，樁頂設(shè)置小擋墻，通過(guò)調(diào)整小擋墻的高度，滿足結(jié)構(gòu)蓋板標(biāo)高的要求。小擋墻的高度0.84～2.40 m，厚度400 mm，錨固在冠梁上，小擋墻按照懸臂梁構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算配筋，做法如圖3所示。

圖3 樁頂小擋墻做法(單位：mm)

3.3 設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)第一類典型剖面

臨時(shí)工況下基坑深度14.3～17.6 m，對(duì)應(yīng)永久工況下邊坡高度4.7～8.0 m。臨時(shí)工況按照樁錨支護(hù)體系設(shè)置，選用直徑800 mm的護(hù)坡樁，排樁間距1.6 m，嵌固段4.5 m，設(shè)置3道預(yù)應(yīng)力錨索。永久工況下按照懸臂樁進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，增大護(hù)坡樁的配筋，能夠滿足要求。典型剖面設(shè)計(jì)參數(shù)如圖4、圖5所示。

圖4 第一類臨時(shí)工況典型剖面(單位：mm)

圖5 第一類永久工況典型剖面(單位：mm)

(2)第二類典型剖面

臨時(shí)工況下基坑深度17.6～22.7 m，對(duì)應(yīng)永久工況下邊坡高度8.0～13.1 m。臨時(shí)工況按照雙排樁樁錨支護(hù)體系設(shè)置，前排樁樁徑800 mm，樁間距1.6 m，樁長(zhǎng)21.6 m，后排樁樁徑800 mm，樁間距1.6m，樁長(zhǎng)18.6 m，排間距3.0 m，設(shè)置4～5道預(yù)應(yīng)力錨索。永久工況下按照懸臂雙排樁進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，調(diào)整護(hù)坡樁的配筋。典型剖面設(shè)計(jì)參數(shù)如圖6、圖7所示。

圖6 第二類臨時(shí)工況典型剖面(單位：mm)

圖7 第二類永久工況典型剖面(單位：mm)

3.4 樁間土支護(hù)

103.00 m標(biāo)高為永久工況和臨時(shí)工況的分界線，永久工況采用擋土板作為樁間支護(hù)，臨時(shí)工況采用鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土作為樁間支護(hù)?？紤]擋土板0.5 m的嵌固深度，以102.50 m標(biāo)高作為兩種做法的分界線。

102.5 m標(biāo)高以上設(shè)置永久性的擋土板，板厚度200 mm，配置雙層雙向鋼筋，考慮到工程的美觀性，將擋土板設(shè)置在樁的外側(cè)，通過(guò)L型植筋與樁體連接，做法如圖8所示。102.5 m標(biāo)高以下采用常規(guī)的鋼筋網(wǎng)噴射混凝土支護(hù)，噴射混凝土厚度50 mm。

圖8 永久工況樁外擋土板做法

3.5 腰梁

雖然永久工況下，不考慮錨索的作用，但是由于錨索的預(yù)應(yīng)力是隨著時(shí)間逐漸損失的，并會(huì)保留一定的殘余應(yīng)力，仍可作為安全儲(chǔ)備，因此103.00 m標(biāo)高以上的預(yù)應(yīng)力錨索按照永久錨索的要求設(shè)置，做防腐處理、設(shè)置混凝土腰梁及封錨。103.00 m標(biāo)高以下的預(yù)應(yīng)力錨索按臨時(shí)工況的要求設(shè)置，做鋼腰梁，肥槽回填后，錨索服務(wù)終止。

3.6 嵌固段問(wèn)題

由于本工程肥槽回填后，肥槽內(nèi)土體為永久性邊坡支護(hù)樁的嵌固段，回填土密實(shí)程度至關(guān)重要。設(shè)計(jì)要求：肥槽回填土應(yīng)采用3∶7灰土，分層夯實(shí)碾壓，壓實(shí)度不小于0.95，施工中應(yīng)嚴(yán)格控制回填土的施工質(zhì)量，確保回填土的密實(shí)度；必要時(shí)也可考慮采用混凝土回填肥槽。

4 施工工藝及工序

本工程支護(hù)樁采用旋挖鉆機(jī)干成孔作業(yè)施工工藝，預(yù)應(yīng)力錨索采用套管鉆機(jī)施工工藝。

采用逆作法施工：開(kāi)挖至樁頂標(biāo)高(樁頂標(biāo)高與道路之間采用土釘墻支護(hù))——施工前排樁和后排樁——鑿樁頭、施工冠梁處預(yù)應(yīng)力錨索(第1道)、綁扎冠梁、連梁鋼筋——開(kāi)挖第一層土——施工第2道預(yù)應(yīng)力錨索——綁扎第一段擋土板及腰梁的鋼筋、澆筑擋土板及腰梁混凝土——開(kāi)挖第二層土，重復(fù)上述步驟直至開(kāi)挖至基底。

5 工程監(jiān)測(cè)

邊坡監(jiān)測(cè)方案按臨時(shí)工況與永久工況來(lái)考慮。監(jiān)測(cè)內(nèi)容為坡頂水平位移及沉降、樁頂水平位移及沉降、坡頂?shù)孛娉两?、支護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移、錨索拉力監(jiān)測(cè)。

目前本工程已開(kāi)挖至基底，臨時(shí)工況接近完工狀態(tài)，根據(jù)基坑監(jiān)測(cè)的結(jié)果：坡頂土釘墻最大水平位移18.6 mm，最大沉降20.68 mm；樁頂最大水平位移為14.4 mm，最大沉降為14.16 mm；坡頂?shù)孛娉两底畲笾?8.15 mm；深層水平位移最大值2.26 mm，錨索拉力均在控制值范圍內(nèi)，選取典型剖面分析錨索應(yīng)力隨時(shí)間的變化規(guī)律，如圖9所示。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：臨時(shí)工況下支護(hù)體系安全可靠，雙排樁樁錨支護(hù)體系的樁頂變形、深層水平位移較常規(guī)單排樁樁錨支護(hù)體系控制較好；錨索在150天施工工期時(shí)間內(nèi)已有一定的預(yù)應(yīng)力損失。

圖9 錨索軸力-時(shí)間關(guān)系圖

永久工況下的變形還需持續(xù)監(jiān)測(cè)。永久工況下肥槽回填后邊坡高度變小，樁頂變形會(huì)先變小，隨著錨索的預(yù)應(yīng)力逐漸損失，支護(hù)體系由樁錨支護(hù)體系逐步過(guò)渡到懸臂樁支護(hù)體系，樁頂變形又會(huì)逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定。對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力的持續(xù)監(jiān)測(cè)有助于研究土層預(yù)應(yīng)力錨索預(yù)應(yīng)力損失的變化規(guī)律。

6 結(jié)論

(1)該工程采用雙排樁、懸臂樁及樁錨支護(hù)體系聯(lián)合設(shè)計(jì)，同時(shí)滿足了臨時(shí)工況和永久工況的要求，安全、經(jīng)濟(jì)、合理，達(dá)到了預(yù)期的效果。這種設(shè)計(jì)理念可供后續(xù)類似工程參考。

(2)支護(hù)結(jié)構(gòu)頂標(biāo)高隨著結(jié)構(gòu)外挑蓋板標(biāo)高變化，分段較多，通過(guò)設(shè)置樁頂小擋墻，統(tǒng)一了樁頂標(biāo)高，降低了施工難度，加快了施工進(jìn)度。

(3)永久工況下，采用了外掛式的擋土板進(jìn)行樁間土支護(hù)，擋土板布置在支護(hù)樁的外側(cè)，降低了施工難度，增強(qiáng)了工程的美觀性。

(4)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)表明錨索預(yù)應(yīng)力在施工期間會(huì)發(fā)生一定的損失，但碎石土地層短期內(nèi)的損失并不大，長(zhǎng)期作用下預(yù)應(yīng)力錨索在土層中的預(yù)應(yīng)力損失規(guī)律還需要繼續(xù)研究，本工程永久工況下錨索預(yù)應(yīng)力的監(jiān)測(cè)結(jié)果將來(lái)可為后續(xù)深入研究提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。