临时支护与永久支护相结合设计在某工程中的应用

2020-04-22刘情情黄昌乾黎良杰潘启辉

岩土工程技术 2020年2期

刘情情黄昌乾黎良杰潘启辉吴兰

(中航勘察设计研究院有限公司，北京 100098)

0 引言

边坡支护按照工程使用年限分为临时支护和永久支护两类，两类支护设计的安全等级及依据的设计规范均不同。在工民建项目中，临时支护通常为基坑支护，设计依据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)，设计使用年限一般为1～2年，服务于基槽开挖期间，待基槽回填后，基坑支护的服务功能终止[1]；永久支护为使用年限大于2年的边坡支挡结构，设计依据《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330-2013)，当临近建筑物时，设计使用年限同临近建筑物的使用年限，通常为50年，服务于整个建筑物使用期[2]。这两类支护通常分开设计。

在山地项目中，常常出现建筑物两侧土压力不平衡的情况，通常在一侧设置永久性的支挡结构来承担不平衡的土压力，当建筑物同时有地下室需要进行基坑开挖时，还需设置基坑支护结构，如果两种支护体系有一定的水平距离，可分别设置、单独计算；但山地项目常常受场地空间条件限制，此时临时支护与永久支护需要相结合设计，即通过一种支护结构来满足两种工况的要求，设计时应统一计算分析，既保证工程安全可靠，又经济合理。本文所述的工程案例就是这种临时支护与永久支护相结合设计的情况。

1 工程概况

拟建项目位于北京市门头沟区永定镇，场地位于西山山前，永定河洪冲积扇上部，现状地形起伏较大，地面标高为98.00～112.95 m。

本工程场区建筑总平图如图1所示，拟支护边坡位于场区南侧，边坡总长度约200 m，沿场区南侧用地红线分布，坡脚临近拟建建筑物，拟建建筑物南、北两侧设计地坪标高相差近10 m。建筑物基础外边线距离用地红线约5 m，支护结构位于用地红线与建筑基础外边线之间，在有限的空间内，既满足开挖至建筑物基底标高时临时基坑支护的要求，还要承担永久工况下建筑物南北两侧的不平衡土压力。

图1 总平图

1.1 场区环境条件

拟支护位置现状地形为天然斜坡，坡顶现状标高113.4～109.8 m，坡底标高105.2～98.2 m，场区周边为现状及规划道路，无临近建筑物，坡顶沿用地红线有一排电线杆(可拆除)。坡顶红线为规划道路，道路宽度20 m，道路规划标高116.1～107.7 m，西侧高、东侧低，道路南侧为临近项目规划用地(未开发)。本工程开工时，道路路面结构已施工完成。

1.2 水文工程地质条件

根据勘察报告，本工程场地地层分为人工填土层、一般第四系沉积土层、侏罗系龙门组基岩。人工填土层包括：碎石填土①层，杂填土①1层，黏质粉土填土①2层。一般第四系沉积土层包括：碎石②层(局部为块石，夹粉质黏土②1、黏质粉土②2薄层及透镜体)，粉质黏土②1层，黏质粉土②2层，碎石③层，粉质黏土—重粉质黏土③1层。侏罗系龙门组基岩包括：强风化粉砂岩④层,中等风化粉砂岩⑤层。

本工程在钻孔深度以内观测到一层地下水，地下水类型为潜水，稳定水位标高为90.60～94.56 m，历年最高地下水位均接近自然地面。施工前根据临近基坑开挖情况已知本基坑开挖范围内无地下水。

2 两种工况下的边坡高度

2.1 临时工况下边坡高度

坡顶规划道路路面设计标高116.1～107.7 m，坡脚拟建建筑物基底标高93.4 m，基坑开挖后临时边坡高度14.3～22.7 m。

2.2 永久工况下边坡高度

永久工况下的边坡高度需要通过分析建筑结构两侧不平衡土压力对建筑结构的影响后确定。

(1)建筑物不平衡土压力计算

建筑物南北两侧地坪标高相差10 m，如果不采取任何支护措施，不平衡土压力将直接作用在结构体系上。按照静止土压力计算不平衡力的大小，计算公式见式(1)、式(2)。

(1)

K0=1-sinφ

(2)

式中：E0——土压力，kN/m；

K0——静止土压力系数；

γ——土体重度，kN/m3；

H——边坡高度，m；

φ——土的内摩擦角，(°)。

土体重度取19 kN/m3，不平衡土体高度H为10 m，土体等效内摩擦角取为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压力为475 kN。

(2)抗滑移验算

R=μ·∑G

(3)

(4)

式中：R——抗滑力，kN/m；

μ——摩擦系数；

∑G——结构每延米重，kN/m；

K——抗滑移安全系数。

结构每层重按照15 kN/m2计算，∑G=1880 kN/m，地基土为碎石土，摩擦系数μ=0.4，代入式(3)求得R=752 kN/m。

将R、E0代入式(4)求得K=1.58>1.35，建筑物满足抗滑移整体稳定性的要求。

(3)结构体系计算分析

将不平衡土压力加在结构体系上进行计算，发

现整个结构体系的变形很大，不满足设计要求。同时考虑到地震工况下不平衡土压力对结构体系影响的计算方法尚不成熟，如果将不平衡土压力由结构体系承担，会给整个结构体系带来很大的风险。

综上所述，结构专业提出采用支挡结构承担建筑结构南北两侧不平衡土压力，结构体系完全不考虑不平衡土压力的作用。要求肥槽仅回填至103.00 m标高，103.00 m标高以上部分为永久性边坡，永久边坡高度4.7～13.1 m。为避免南侧土压力向建筑结构传递，在永久性支护结构与建筑外墙之间设置永久性结构空腔，空腔顶部采用结构外挑盖板封闭。

3 支护方案选择与设计

3.1 方案选型

按照建筑及结构单位的要求，支护结构与道路及建筑物的高程关系如图2所示。此外要求支护结构顶部留不小于3 m覆土的空间，满足预埋管线的要求。

图2 支护结构与道路及建筑物高程关系典型剖面(单位：m、mm)

本工程临时支护高度14.3～22.7 m，采用常规的桩锚支护体系能够满足本工程的要求。肥槽回填后永久支护高度4.7～13.1 m，比临时支护高度小9.6 m，一般来讲，这种情况下临时工况是控制性工况，满足临时工况，永久工况自然就满足了。但是由于本工程地层条件为土层，临时支护选用了预应力锚索，根据相关文献[3-7]和北京地区工程经验，土层中的预应力锚索随着时间的延长会发生预应力损失，永久工况要满足50年的服务期限，预应力锚索的作用大打折扣，为保证工程安全，永久工况设计计算时应不计锚索的作用。

临时工况初步选用传统的桩锚支护体系，护坡桩桩径800 mm，桩间距1.6 m，配置多道预应力锚索；永久工况下不计预应力锚索的作用，按照悬臂桩支护结构进行复核计算。对于永久边坡高度8 m以下的情况，桩径800 mm，桩间距1.6 m的排桩体系只需要增大护坡桩的配筋就能满足要求；当边坡高度8～13.1 m时，桩径800 mm的护坡桩按悬臂桩构件计算无法满足支护要求，若为此增大悬臂桩的桩径，则对于临时支护是不经济的，施工上也不便利，综合考虑，采用双排桩支护体系，前排桩借用临时支护的护坡桩，只需增设后排桩。增设后排桩后，考虑后排桩的作用临时工况变化为双排桩桩锚支护体系，较常规情况下的单排桩桩锚体系可适当优化锚索的工程量。

综上所述，各种工况下的计算模型汇总于表1。

表1 各工况计算模型

3.2 桩顶标高的确定

支护结构与建筑外墙之间设置永久性空腔，空腔顶部用结构外挑盖板封闭，结构盖板一侧固定在结构外墙牛腿上，一侧搭在支护结构上，因此支护结构顶标高应同结构盖板板底标高。结构盖板的板底标高全长范围内分为7段，由于结构盖板的标高分段较多，为减少支护剖面数量，便于机械打桩施工，将桩顶标高合并为3种，分别为110.00 m、109.65 m、105.65 m，桩顶设置小挡墙，通过调整小挡墙的高度，满足结构盖板标高的要求。小挡墙的高度0.84～2.40 m，厚度400 mm，锚固在冠梁上，小挡墙按照悬臂梁构件进行计算配筋，做法如图3所示。

图3 桩顶小挡墙做法(单位：mm)

3.3 设计参数

(1)第一类典型剖面

临时工况下基坑深度14.3～17.6 m，对应永久工况下边坡高度4.7～8.0 m。临时工况按照桩锚支护体系设置，选用直径800 mm的护坡桩，排桩间距1.6 m，嵌固段4.5 m，设置3道预应力锚索。永久工况下按照悬臂桩进行复核计算，增大护坡桩的配筋，能够满足要求。典型剖面设计参数如图4、图5所示。

图4 第一类临时工况典型剖面(单位：mm)

图5 第一类永久工况典型剖面(单位：mm)

(2)第二类典型剖面

临时工况下基坑深度17.6～22.7 m，对应永久工况下边坡高度8.0～13.1 m。临时工况按照双排桩桩锚支护体系设置，前排桩桩径800 mm，桩间距1.6 m，桩长21.6 m，后排桩桩径800 mm，桩间距1.6m，桩长18.6 m，排间距3.0 m，设置4～5道预应力锚索。永久工况下按照悬臂双排桩进行复核计算，调整护坡桩的配筋。典型剖面设计参数如图6、图7所示。

图6 第二类临时工况典型剖面(单位：mm)

图7 第二类永久工况典型剖面(单位：mm)

3.4 桩间土支护

103.00 m标高为永久工况和临时工况的分界线，永久工况采用挡土板作为桩间支护，临时工况采用钢筋网+喷射混凝土作为桩间支护。考虑挡土板0.5 m的嵌固深度，以102.50 m标高作为两种做法的分界线。

102.5 m标高以上设置永久性的挡土板，板厚度200 mm，配置双层双向钢筋，考虑到工程的美观性，将挡土板设置在桩的外侧，通过L型植筋与桩体连接，做法如图8所示。102.5 m标高以下采用常规的钢筋网喷射混凝土支护，喷射混凝土厚度50 mm。

图8 永久工况桩外挡土板做法

3.5 腰梁

虽然永久工况下，不考虑锚索的作用，但是由于锚索的预应力是随着时间逐渐损失的，并会保留一定的残余应力，仍可作为安全储备，因此103.00 m标高以上的预应力锚索按照永久锚索的要求设置，做防腐处理、设置混凝土腰梁及封锚。103.00 m标高以下的预应力锚索按临时工况的要求设置，做钢腰梁，肥槽回填后，锚索服务终止。

3.6 嵌固段问题

由于本工程肥槽回填后，肥槽内土体为永久性边坡支护桩的嵌固段，回填土密实程度至关重要。设计要求：肥槽回填土应采用3∶7灰土，分层夯实碾压，压实度不小于0.95，施工中应严格控制回填土的施工质量，确保回填土的密实度；必要时也可考虑采用混凝土回填肥槽。

4 施工工艺及工序

本工程支护桩采用旋挖钻机干成孔作业施工工艺，预应力锚索采用套管钻机施工工艺。

采用逆作法施工：开挖至桩顶标高(桩顶标高与道路之间采用土钉墙支护)——施工前排桩和后排桩——凿桩头、施工冠梁处预应力锚索(第1道)、绑扎冠梁、连梁钢筋——开挖第一层土——施工第2道预应力锚索——绑扎第一段挡土板及腰梁的钢筋、浇筑挡土板及腰梁混凝土——开挖第二层土，重复上述步骤直至开挖至基底。

5 工程监测

边坡监测方案按临时工况与永久工况来考虑。监测内容为坡顶水平位移及沉降、桩顶水平位移及沉降、坡顶地面沉降、支护结构深层水平位移、锚索拉力监测。

目前本工程已开挖至基底，临时工况接近完工状态，根据基坑监测的结果：坡顶土钉墙最大水平位移18.6 mm，最大沉降20.68 mm；桩顶最大水平位移为14.4 mm，最大沉降为14.16 mm；坡顶地面沉降最大值18.15 mm；深层水平位移最大值2.26 mm，锚索拉力均在控制值范围内，选取典型剖面分析锚索应力随时间的变化规律，如图9所示。监测结果表明：临时工况下支护体系安全可靠，双排桩桩锚支护体系的桩顶变形、深层水平位移较常规单排桩桩锚支护体系控制较好；锚索在150天施工工期时间内已有一定的预应力损失。