深基坑与高边坡复合支护设计优化

2022-11-21林久卿华润水泥南宁有限公司

门窗 2022年6期

林久卿华润水泥（南宁）有限公司

1 前言

在很多项目的实施中，深基坑与高边坡施工是难点，在这些施工环节中，一旦存在技术应用不当的现象，可能会发生各种安全事故，影响正常的施工作业开展。因此，在各种工程项目建设中，当遇到深基坑与高边坡施工条件时，施工人员要根据对现场情况的调查，进行支护体系的选择和建立，以经由复合支护体系，给现场施工作业创造更为稳定的施工条件，避免因为基坑坍塌、边坡失稳所引发的工程问题。未来的工程建设中，应重视对复合支护体系的设计创新。

2 高边坡的变形破坏类型

在开展施工作业的过程中，高边坡变形和破坏问题时有发生，根据其变形破坏的机理，主要是由于岩土的物理力学性质所决定，具体来说，就是岩体结构、水文地质是影响边坡失稳规模、持续时间的重要因素。岩土体的形成是一个漫长的过程，在这一过程中，各种构造运动的出现，都是增大边坡失稳风险的关键性因素，伴随着构造的频繁运动，坡体也将同步运动，在现场开挖作业的进行中，如果缺乏有效的支护，构造运动和开挖作业对边坡土体的扰动非常大，使得土体无法维持原状，将会出现边坡土体的坍塌[1]。人工开挖环节，坡体高度与坡角大小，是决定开挖量的主要参数，如果这些参数选择不当，将会形成高陡边坡。

大量的工程经验表明，在高边坡开挖以后所形成的人工边坡，存在多种的变形破坏，如果以边坡滑动的特征作为依据划分，高边坡的变形破坏主要包含以下几种。

（1）楔形滑坡。此类滑坡在碎裂性岩质高边坡中更为常见，究其原因，主要是因为这些区域内的岩性脆硬且伴随着风化与节理发育，在频繁的构造运动下，失稳滑动很难避免。

（2）顺层滑动。对于这种高边坡而言，其岩性均一，岩层厚度不超2m，岩层倾角远远小于开挖坡角，在开挖作业的进行中，滑动现象缓缓出现，如果缺乏及时有效的控制，必将造成严重的事故。

（3）倾倒。对于山区的很多项目，在现场分布有一些陡倾的薄层状岩层，随着开挖作业的进行或者沟谷下切卸荷，边坡内的应力场无法保持原状，发生了波动，而应力的波动导致此处坡体表现相对松弛的状态，沿着结构面，这些坡体将发生一定的剪切位移，在此位移作用影响下，坡体向临空面存在变形，一旦现场涉及了高边坡的开挖环节，因为卸荷速率快，岩层将失去了原有的支撑，必然伴随着倾倒问题。

（4）错落。这种现象一般集中在陡倾斜坡路段，坡体中存在一组陡倾的结构面，在结构面以下部位，存在软弱破碎带分布，整体上呈现出基层式坡体结构的特点，受到地下水侵蚀，软弱带的抗压强度持续减小，在开挖施工时，软弱带面积减小，存在压缩变形。

3 工程概况

某工业建筑位于城郊区域，北侧为原始山坡，高度大约在7.6m～9.3m之间，坡度为40°～50°，坡顶为一自西向东向下倾斜坡度约7%的市政道路，西侧为城市规划道路，结合对现场情况的分析，地坪高26m～28m，建筑总面积25 亩。结合此工业建筑的结构设计，地上16层，裙房4层，下部连体地下室2层，地下2层为全埋式地下室，深度、周长和面积分别为7.5m、400m、6050m2，地下一层东南侧呈开敞状态，西侧与北侧同样为全埋式地下室。

因为在此工程项目的建设施工过程中，北侧路面要比场地高出7.6m～9.3m，建筑的上部结构相对复杂，为使得施工作业能够高效、有序开展，提高结构安全性，在开展结构设计的过程中，设计人员需考虑这一方面的因素，确保北侧高出场地的道路边坡覆土应与建筑物完全脱离开来，严禁直接靠在建筑物的外墙上。

根据此工业建筑的结构设计，在地下室二层周边可以覆土，而在地下一层标高以上的位置，采用永久性支护体系，但因为在支护体系的设计过程中，存在现场条件的限制，基坑边坡与永久性支护几乎保持垂直布设的状态，在基坑开挖边坡支护的过程中，也需考虑上部填方挡土墙支护。

4 场地地质条件分析

在深基坑与高边坡复合支护体系的设计过程中，为保障支护体系的合理性与科学性，需在设计前期，安排专人深入到工程现场进行地质地形等情况的调查。根据对此工业建筑现场情况的分析，该场地内的原始地貌为剥蚀残山原始地貌，现场存在坡残积岩层与花岗岩风化岩层，土层从上到下为：杂填土，呈灰黄色，松散且稍密，黏性土居多，层厚保持在0.5m～2.8m之间；坡积黏性土，为褐红色，多为可塑性土层，分布广且层厚保持在1.1m～9.6m 之间；坡积含碎石黏性土，呈褐红色，可塑为局部分布，层厚0.8m～4.6m；残积黏性土，为灰白色，可塑且普遍分布，层厚0.2m～11.8m；全风化花岗岩；碎块状强风化花岗岩。

在此项目的建设施工中，现场分布有地下水，水文条件对深基坑与高边坡施工都存在一定的干扰，结合对水文条件的调查，地下水为填土中的上层滞水、风化岩中的孔隙裂隙水、基岩裂隙水，补给方式为大气降水。通过相关人员在现场的实地调查，发现项目场地中的地下水埋深大，含水层富水性差。

5 深基坑与高边坡支护的难点

结合此工业建筑的建设要求、场地情况分析，基坑与边坡施工的难点主要表现在以下几个方面。

（1）边坡组成复杂。在边坡顶部要开展填方作业，以构建永久性边坡，下部为地下室，需通过开挖来形成临时性基坑边坡，在支护体系构建时，要结合不同区域的支护特点进行相应的设计。

（2）按照整体的施工流程，下部基坑作业中，率先组织相关人员开展开挖作业，当地下室土方回填施工作业结束后，再继续上部填方、边坡支护处理。深基坑与边坡复合支护体系的设计中，下部基坑支护体系的设计应符合临时性边坡结构强度的标准，还需考虑后续的边坡支护方式，可作为永久性边坡支护中的部分。

（3）现场条件复杂，边坡开挖后的高度大，且坡度陡。

6 基坑与边坡支护方案选型

6.1 上部永久性边坡支护方案

根据对此工程项目周边情况的调查，此边坡坡顶为道路，道路设计标高为34.6m～36.3m，坡脚设计标高为28m，填方边坡高6m～8.3m。

根据绝大多数的工程经验，在涉及填方边坡的支护设计时，重力式挡土墙的应用相对较多，但由于在此工程项目中，坡脚恰好为基坑，当对此基坑开挖并回填后，做挡土墙设计的过程中，基底将落在填土层中，很难达到高挡墙承载力、抗倾覆方面的要求[2]。

因此，为克服这方面的问题，在开展支护体系的设计时，上部永久性边坡挡土墙支护可采用桩基结构，为达到抗滑移标准，可采用锚杆拉拔的方式，但为保障桩基与挡土墙之间能够保持高效连接，应选用钢筋混凝土扶壁式挡土墙。

6.2 地下室基坑支护方案

因为此工程项目的周边环节十分复杂，为使得所构建的支护体系可满足要求，在基坑工程中，有以下几种选择：钻孔灌注桩+锚杆支护；人工挖孔灌注桩+锚杆支护；喷锚支护。

此工程场地内，东、西和南侧的场地面积大，具备锚喷支护施工的条件，且在利用这一支护施工方式时，支护结构简单且整体的施工操作便捷。由于北侧的场地面积小，分布有高边坡且周边环境十分复杂，支护结构设计的过程中，要对坡顶变形现象加以有效的控制，一旦采用喷锚支护的方式，将受到场地狭小的限制，且坡顶控制相对困难，再加上上部的永久性挡土墙需进行桩基的布设，经由多方面因素的考虑，最终选用了桩锚支护。

场地内地下水丰富，分布有孔隙-裂隙水、基岩裂隙水，如果排桩采用人工挖孔桩作业，可能会受到桩长的限制，一旦在现场遇到了地下水，施工处理起来相对复杂；桩端持力层遇水软化，使得桩端的承载力很难与实际的施工要求相一致。因此，综合考虑后，选用钻孔灌注桩+锚杆支护的方式更为合适，结合现场条件，设置两道锚杆，其中，第一道锚杆为预应力锚索，将其布设在冠梁标高位置，在整个的施工作业中，随着基坑开挖的进行，第一道锚杆可提供一定的抗拔力，对基坑变形的抑制十分有效，该锚杆布设还可为挡土墙提供足够的抗滑力，使得挡土墙的各方面结构性能都可满足相应的施工规范与要求[3]。

在下部基坑土方回填结束以后，才可进入上部挡土墙的施工环节，为使得在施工作业进行中基坑坡顶陡坎的局部稳定与安全，排桩桩顶以上的陡坎边坡，可采用喷锚临时支护结构。

7 基坑与边坡支护设计与计算

7.1 地下室基坑支护设计与计算

不论在基坑与边坡结构中采用的是哪一种支护体系，为保障支护体系的有效性，相关人员需做好支护设计与计算，以保障各个参数设置的合理性。此工程中的基坑支护采用的是桩锚支护，支护桩为钻孔灌注桩，桩径为800mm，桩端进入砂土状强风化花岗岩，布设两道锚杆。具体的支护结构设计中，引入m值法进行支护桩内力与变形等的计算与分析，根据计算，支护桩最大弯矩标准值、最大剪力标准值分别为420.18kN·m、172.91kN[4]。如果在计算的过程中采用瑞典条分法，利用这一方法所得到的整体稳定性安全系数为1.673，而此数值超过了1.300，抗倾覆安全系数1.783 也大于1.250，都满足结构安全性的要求。

7.2 上部挡土墙设计与计算

此工程中采用了钢筋混凝土扶壁式挡土墙，其中，基础为钻孔灌注桩，前排桩可直接利用已经建立的基坑支护桩，桩承载力与挡土墙基础承载力要求相一致，后排钻孔灌注桩桩径、桩中心距分别为800mm、2.0m，桩尖持力层选择的是砂土状强风化花岗岩，单桩竖向承载力特征值为1300kN，与挡土墙的设计竖向承载力标准相一致。

扶壁式挡土墙在使用的过程中，往往会受到地面超载、侧向土压力的作用，在双重作用下，滑移力为230kN/m，而挡土墙底部排桩、锚索设计的抗滑力为350kN/m，滑动稳定性安全系数为1.520，这些数据与标准情况下的设计要求加以对比，各项参数均达到了标准。

7.3 基坑与边坡支护施工与监测

施工企业在此工程项目的建设施工过程中，总体上遵循以下流程：地下室基坑支护、地下室结构施工、土方回填、上部挡土墙施工。

7.4 上部临时边坡喷锚防护

此工程项目中，基坑坡顶以上的自然陡坎基本保持在稳定状态下，但在施工作业的进行中，坡脚存在着开挖施工，后续扶壁式挡土墙基础开挖都会对这一稳定状态造成一定的干扰，因此，为保障结构稳定性，施工人员要根据开挖施工对稳定状态的影响过程和程度，适当开展一定的修坡处理，形成宽3.0m～4.0m的平台，为后续扶壁式挡土墙基础施工作业的进行创造一定的条件[5]。

在修坡完成以后，现场也就形成了临时边坡，该边坡的支护体系设计上，选择喷锚支护的方式，在具体的支护施工作业进行中，为提高整体的施工质量与安全，应按照从上到下的顺利开展施工作业。

7.5 下部桩锚支护施工

此工程现场的环境条件十分复杂，为使得施工作业可顺利进行，施工企业安排专人在工程现场开展了预应力锚索试验，根据对试验结果的分析与对比，发现锚索抗拔力与设计要求相一致。在完成了试验分析后，安排有关人员根据施工要求进行钻孔灌注桩施工作业，为提高施工质量，遵循间隔跳打的施工要求，在排桩按照有关的施工规定结束后，进入桩顶圈梁和预应力锚索的施工环节，只有当圈梁与锚索锚固体的强度达到了设计强度的80%以上时，才可锁定锚索，进入下一层土方的开挖环节，与此同时进入下一道锚杆的施工流程，直到到达了设计坑底标高后，这一步骤结束，进入基坑封底与地下室底板作业，最后进入地下室周边的土方回填，施工结束。

结合对本工程项目的分析，从2016 年5 月开始支护桩施工作业，到地下室土方回填，前后经历了8个多月的时间，为保障在施工过程中的安全和质量，施工企业在此施工时间段内，总共开展了100多次的施工监测，结合对每次监测数据的分析与对比，发现在基坑开挖的过程中，深层土体水平位移的最大值保持在18.94m～21.75m 之间，临近道路、地下管线各监测点水平累计位移最大值为3.5mm，竖向位移的最大值为0.93mm，根据将这些数据与标准设计值的对比，发现变形均处于正常范围内，说明本工程项目中所选择的复合支护体系是科学、有效且安全的。