洱海流域流砂地层下深基坑支护优化设计

方 涛 张牡峰 李 馥 刘耀鹏

(中建五局第三建设有限公司，湖南 长沙 410000)

随着现代经济的高速发展，使得区域用地日趋紧张，迫使现代建筑结构逐渐向地下化发展[1,2]，明挖深基坑施工也逐渐推广，但在复杂地质情况下的施工难免会给施工区域周围的生产、生活和环境等方面带来影响[3,4]，因此关于深基坑支护方案的设计显得尤为关键，特别是在洱海类似区域下的深化设计；以云南大理某污水处理厂工程为例，对其深基坑支护方案进行设计验算，研究满足在洱海流域流砂地层条件下深基坑支护施工的方案设计，并将相应的基坑变形、地下水位都控制在规范[5]允许的范围内，为类似工程的设计与施工提供了一定的借鉴。

1 工程概况

1.1 建设情况

某污水处理厂工程位于大理市上关镇，拟建污水处理厂为2层地埋式箱体，呈矩形，高12 m，采用钢筋混凝土结构，其中-1层设下沉广场。基坑开挖深度12.5 m～14.15 m，而因场地地质条件、地形地貌及周边环境的限制，本工程箱体基坑开挖需要进行支护。本基坑支护设计主要采用上部放坡+灌注桩(悬臂，φ1 200@1 400)+桩锚组合支护型式，止水帷幕主要为2道三轴水泥土搅拌桩(上部一排φ850@1 800，下部一排φ850@1 400)+坑内双管高压旋喷桩加固(3排～4排梅花形布设，φ600@1 000)。基坑支护平面大样示意见图1。

1.2 地质条件

1)水文地质条件。

施工区域位于小镇南部，东、西两侧均有河流走向，地下水为孔隙型潜水，主要含水层为粉砂及粉土层，而受洱海及两侧河流影响较小，主要受大气降水和地层渗透性影响，根据钻孔中测量，场地钻孔稳定水位多在0 m～0.5 m左右。

2)工程地质条件。

根据岩土工程详细勘察报告分析，场地内表层为耕土，其下为第四系冲、湖积相成因的粉质黏土，深部为第四系湖积相成因的黏土、粉土、粉砂、泥炭质黏土和有机质土等地层。具体岩土土层及其物理力学指标如表1所示。

表1 各岩土土层及其物理力学指标

2 基坑支护验算(以1—1剖面为例)[6]

地面超载q0=20 kPa，平台施工超载q2=10 kPa，土方出入口及车道超载取值q3=35 kPa，钢筋加工及材料堆场按35 kPa计，基坑坡顶5 m范围内不设堆载。本次支护结构设计取基坑外侧地下水位埋深0.5 m，基坑内侧取基坑地面下0.50 m。采用理正深基坑7.0 PB1版软件计算程序进行验算，具体计算支护模型如图2所示。各工况如图3～图7所示，内力位移包络图如图8所示。

2.1 整体稳定性验算

采用瑞典条分法进行计算，条分法中的土条宽度为1.00 m；应力状态按有效应力法考虑。其中，滑坡面数据：整体稳定安全系数Ks=1.765，圆弧半径R=24.483 m，圆心坐标(X，Y)为(-0.140，5.109)。抗倾覆安全系数按下式计算：

其中，Mp为被动土压力及支点力对桩底的抗倾覆弯矩，对于内支撑点力由内支撑抗压力决定；对于锚杆或锚索，支点力为锚杆或锚索的锚固力和抗拉力的较小值；Ma为主动土压力对桩底的抗倾覆弯矩。

工况1：开挖至5.15 m，Ks=2.829≥1.200，满足规范要求；工况2：4.65 m加撑1材料抗力1 302 kN/m，锚固力890.877 kN/m，Ks=3.470≥1.200，满足规范要求；工况3：开挖8.15 m，Ks=2.469≥1.200，满足规范要求；工况4：7.65 m加撑2材料抗力1 116 kN/m，锚固力689.641 kN/m，Ks=2.869≥1.200，满足规范要求；工况5：开挖12.50 m，Ks=1.836≥1.200，满足规范要求。

2.2 抗隆起验算

1)从支护底部开始，按下式逐层验算抗隆起稳定性：

Nq,Nc采用普朗德尔公式：

式中：Ks——抗隆起稳定性计算安全系数；

Khe——抗隆起稳定性安全系数，本工程取1.6；

γm2——坑外地表至截水帷幕底，各土层天然重度的加权平均值，kN/m3；

ld——截水帷幕在基坑底面以下的长度，m；

c——土的粘聚力，kPa；

γm1——坑内开挖面至截水帷幕底，各土层天然重度的加权平均值，kN/m3；

h——基坑开挖深度，m；

q0——地面超荷，kPa；

Nq,Nc——地基极限承载力的计算系数；

φ——土的内摩擦角。

支护底部，Ks=6.978≥1.600，满足规范要求；深度29.170 m处，Ks=1.749≥1.600，满足规范要求；深度33.170 m处，Ks=7.107≥1.600，满足规范要求；深度36.670 m处，Ks=1.876≥1.600，满足规范要求；深度39.470 m处，Ks=7.711≥1.600，满足规范要求。

2)坑底抗隆起按以最下层支点为转动轴心的圆弧条分法利用下式进行计算：

计算各土层，得：Ks=1.905≥1.600，坑底抗隆起稳定性满足要求。

2.3 流土稳定性验算

其中，K为流土稳定性计算安全系数；Kf为流土稳定性安全系数，本工程取1.5；ld为截水帷幕在基坑底面以下的长度，m；D1为潜水水面或承压水含水层顶面至基坑底面的垂直距离，m；γ′为土的浮重度，kN/m3；Δh为基坑内外水头差，m；γw为地下水重度，kN/m3；即K=(2×14.50+0.8×12.00)×10.53/14.15×10.00=2.872≥Kf=1.5。

2.4 抗承压水(突涌)验算

其中,Ky为抗承压水(突涌)稳定性安全系数，规范要求取大于1.10；Pcz为基坑开挖面以下至承压水层顶板间覆盖土的自重，kN/m2；Pwy为承压水层的水头压力，kN/m2。即Ky=38.20/30.00=1.27≥1.10。

2.5 嵌固深度计算[7]

1)满足构造要求：依据JGJ 120—2012建筑基坑支护技术规程，对于多支点支护结构，嵌固深度ld不宜小于0.2h，即ld=2.5 m；

2)满足整体滑动稳定性要求：按JGJ 120—2012建筑基坑支护技术规程圆弧滑动简单条分法计算，圆心(-35.713,59.545)，半径70.059 m，对应的安全系数Ks=1.813≥1.300，满足规范要求，即ld=0 m；

3)满足抗隆起要求：即ld=0.9 m；

4)满足以最下层支点为轴心的圆弧滑动稳定性要求：即ld=13.9 m。

综上所述，满足以上要求的嵌固深度ld计算值为13.9 m，故ld采用值为14.5 m。

3 结语

深基坑支护设计综合性强，需要进行整体稳定、抗隆起稳定、流土稳定、抗承压水等方面的验算，进而优化设计，更能全方位保证基坑施工的安全，特别是控制悬臂支护结构的水平位移；

本工程采用上述基坑支护方案，将整个基坑变形、地下水位都控制在规范允许的范围内，取得了良好的经济与社会效益，为类似工程的设计与施工提供了一定的借鉴。