邯郸市艺术中心基坑支护优化设计与施工加固.docx
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邯郸市艺术中心基坑支护优化设计与施工加固
邯郸市艺术中心基坑支护优化设计与施工_加固
引言
边坡稳定性分析是岩土工程的一个重要研究内容，而引起边坡破坏的因素错综复杂，大量实践经验证明，邯郸地区居大多数边坡失稳的产生都与其内部的各种软弱结构面引起的破坏密切相关，尤其是IV、V级结构面组合形成引起的破坏甚为严重，由于这些结构面在边坡上具有出露位置不确定性及相应的不同组合形式和规模、延伸范围不连续性等特点，导致基坑边坡稳定性分析和加固方案的制定成为目前工程中的一个难题。
本文对此提出的基坑边坡稳定性分析和加固设计优化与施工方法，可为工程的加固设计提供参考依据。
2工程概况
邯郸市地处北纬3620-44，东经11403-40，位于河北省南部和晋冀鲁豫四省交界的中心地带；邯郸市艺术中心地处太行山东麓山前丘陵向华北冲洪积平原的滏阳河阶上，地形平坦，地表主要为苗圃和树林；属暖温带半湿润半干旱大陆性季风气候区，四季分明，雨热同期；具有春季干旱多风，夏季炎热多雨，秋季天高气爽，冬季寒冷少雪等特征。
由于场地内地势低洼，雨季易于积水下渗，自然排水条件不好。
地下水静止水位埋深为5.96~7.38m。
70.0米深范围内揭露地层以第四系冲洪积地层为主，主要以粘性土、粉土为主，偶见砂土，根据其岩性及物理力学性质自上而下可分为16层，估算得场地内ZK3的等效剪切波速（Vse）为167.8m/s，为中软土场地。
而基坑深最浅处为-8.0m，最深处为大剧院主舞台部分-17.0m，基坑开挖深度范围内主要为素填土、粘性土、粉土和粉细砂层为主，且局部夹淤泥质土，土质松软，稳定性和结构性差，地下水位较高。
基坑支护设计各土层参数见表1
表1基坑支护设计参数
Table1Parametersoffoundationpitsupportdesign
地层编号及名称
土层厚度
重力密度
三轴试验总应力
三轴试验有效应力
h（m）
（KN/m3）
Ccu（KPa）
cu（度）
C（KPa）
（度）
1层素填土
0.70
18.0
――
――
――
――
2层粉土
2.02
17.0
18.5
11.7
21.0
9.8
2层粉质粘土
0.70
18.6
27.1
12.7
27.8
10.6
3层粉土
1.75
18.3
15.9
16.0
16.0
14.0
4层粉质粘土与粘土
6.20
19.1
28.0
16.1
31.5
14.1
4层粉土
1.02
19.5
35.0
25.4
43.0
20.1
4层粉细沙
1.17
20.0
37.0
5层粉土
1.44
20.5
31.1（UU法）
18.0（UU法）
――
――
6层粉质粘土与粘土
3.79
20.1
43.0（UU法）
14.6（UU法）
――
――
3基坑边坡的组成和搜索
边坡稳定性是一个复杂的问题，主要表现在系统规模庞大，评价指标的类型及度量标准不同，指标描述的方式不同，评价信息不完整等。
一般认为邯郸地区边坡失稳主要是气候的季节性循环和周期性变化造成土体内的裂隙发展，继而裂隙张开、延伸、扩展、贯通，致使土抗剪强度呈现明显下降趋势和变动性。
由于上述现象导致土坡内滑动面上的剪应力分布不均匀，各点不能同时达到破坏，造成结构面上应力集中，抗剪强度降低，结构面互相连接成为较大的潜在滑动面。
为了克服邯郸地区边坡稳定分析的随意性和不确定性，本文运用定量描述分析。
首先利用统计测线法对边坡各区段分层，并对各层结构面不确定的出露位置进行实测，找出基坑结构面的发育和分布情况，见表2。
表2邯郸市文化艺术中心各区段结构面分布实测数据
Table2CulturalArtsCenterofHandansurfacedistributionstructureofeachsectionmeasureddata
区段
结构面发育和分布实测状况
1
倾向0～18.3；3.8～15.7
倾角22.1～38.6；27.2～48.7
2
倾向12～32.5；5.3～29.5
倾角19～40.8；21.4～45.7
3
倾向7.2～27.6；14～41.3
倾角11.1～31.6；18.9～35.7
由表1可知，结构面每一几何参数的概率分布情况，根据表2可以建立反映土体结构面空间分布几何特征参数的概率统计模型，见表3。
表3邯郸市文化艺术中心开挖边坡中结构面倾向、倾角、迹长、间距的统计成果
Table3CulturalArtsCenterofHandanCity,inthestructureoftheexcavatedslopesurfaceinclination,dip,tracelength,spacing,statisticalresults
朗读
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统计指标
区段
概率模型
平均值
标准差
间距
1
负指数
0.07
0.07
2
0.06
0.06
3
0.07
0.07
倾向
1
正态分布
2.6
1.51
2
17.7
1.17
3
9.6
1.05
倾角
1
5.15
0.55
2
5.36
0.26
3
2.74
0.37
迹长
1
对数正态分布
0.16
0.08
2
0.09
0.07
3
负指数
0.06
0.06
4基坑边坡ansys分析计算
根据ansys模拟原理，把土坡当成变形体，取X轴为开挖边坡的走向方向，长度为边坡的长度；Y轴为由坡外指向坡内，长度取15m；Z轴向上，高度按边坡土层的厚度。
建模完成后按照土的变形特性，将变形体划分成许多单元体，计算出模型内的应力分布，将应力水平较高的点连接起来作为计算边坡中潜在的滑动面并再划分成若干个小弧段li，小弧段li上的应力等于弧段中点所在的单元的应力，表示为，，。
由小弧段li与水平线的倾角为，可求得作用在弧段上的法向应力和剪应力分别为：
再根据莫尔库伦强度理论，该点土的抗剪强度为，将滑动面上所有小弧段的剪应力和抗剪强度分别求出来以后，以该面上抗剪强度的总和与各单元沿滑动方向的剪应力总和的比值作为安全度量指标，对抗剪强度指标进行一定的强度折减或荷载放大，通过上式分析计算得出为安全系数为1.36。
然后按照块体理论随机搜索的方法在ansys模拟图上，切取一边坡开挖面，求取结构面与边坡开挖面的交线（结构面在边坡开挖面上的迹线），结合边坡面上各组结构面出露迹线的相互交切和组合情况，通过表3和安全系数可算出可能滑动破坏面的失稳情况。
其计算参数和稳定分析结果如表4所示。
表4边坡稳定性分析选用的计算参数级分析结果
Table4Calculationofslopestabilityanalysisparametersselectedlevelresults
编号
摩擦系数f
内聚力（CMPa）
失稳土体
失稳平均深度
失稳土体体积
失稳率
1
0.45
0.04
13块
4.0m
8m
2.56
2
0.45
0.04
28
7.6m
9m
2.92
3
0.50
0.00
39
9.4m
9m
2.84
5边坡加固的优化分析
从表4以看出，该边坡存在不稳定的边坡块体滑动面，因此，我们采取采用系统锚杆的方法进行加固。
首先建立与影响锚杆布置的参数对应的投入与效益的功利函数[5]，功利函数表示为：
（b）
式中：
为锚杆加固费用；为边坡失稳造成的生命财产损失；为社会影响损失；为误工费用；为加固修复费用。
考虑到不同的因素，其权重不同。
因此给每一因素以不同的权值，并按可能的失效概率计算对应的损失费用。
根据收益最大的原则确定最佳的锚固工程量。
根据最大获益准则，对五种锚杆布置方案进行风险分析：
（无锚固方案）、（4m4m）（3m3m）、（2m2m）、（1m1m）等。
不同锚固方案在删节稳定系数为1.15时，边坡土体的滑动面分布及风险损失计算结果如表5、表6所示。
从上述两表可以看出，随着锚杆密度的增加，不稳定滑动体的个数、体积明显减少，尤其是体积较大的滑动体更为明显。
各土层的锚固方案取2m2m时的总功利最大。
由边坡土体的平均深度确定带锚杆长度为4.0m。
表5不同锚固方案下边坡失稳土体的统计表（模拟次数为50次）
Table5Differentanchoringsoilslopefailureundertheprogramtables（simulationtimesto50times）
N/
MV/m
N/
MV/m
N/
MV/m
N/
MV/m
N/
MV/m
247
6235
101
2226
35
836
24
412.2
11
210
表6不同锚固方案风险决策权衡表
Table6DifferentbalancesheetanchorRiskDecision
锚固方案
塌方量
W
个
m
万元
万元
万元
万元
万元
万元
0
784.5
0
72.12
36.08
71.02
36.08
215.3
1
278.2
0.81
25.6
12.63
25.6
12.75
76.58
2
104.6
1.45
9.63
4.82
9.62
4.82
30.34
3
51.5
4.33
4.74
2.35
4.69
2.36
18.47
4
26.4
12.9
2.31
1.22
2.31
1.22
19.96
6基坑支护施工
锚杆支护的工艺流程为：
放线定位－钻孔清孔锚杆杆体的组装与安放注浆端头保护钢板垫片安装张拉--锚具锁定。
具体如下：
6.1钻孔和锚杆杆体的组装与安放
放线定位后根据土层条件采用岩芯钻进，作业面设排水沟，宽度大于4m；导杆、立轴与钻杆倾角应在同一轴线上，以防埋钻、卡钻；并配备足够数量的长度为0.5-1.0m的短套管保证跟管钻进。
制作锚杆时，沿轴线方向每隔1.02.0m设置一个定中架。
安锚时，注浆管随锚杆一同放入孔内，管端距孔底为50-100mm，杆体放入角度与钻孔倾角应保持一致，使杆体始终处于钻孔中心，防止杆体扭曲、压弯。
6.2注浆和土层锚杆防腐
注浆用水泥：
砂=1：
2，水灰比0.380.45的水泥砂浆并加入一定量的外加剂。
注浆时，注浆量不得小于计算量，其充盈系数为1.11.3；管口应始终处于浆面以下，随时活动注浆管，边灌注边拔，待浆液溢出孔口时全部拔出。
若浆液硬化后不能充满锚固体时，应进行补浆措施。
对于一般腐蚀环境，锚固段内杆体采用水泥浆封闭防腐，杆体周围设2.0CM厚的保护层。
严重腐蚀环境，锚固段内杆体用纹管外套，管内孔隙用环氧树脂水泥砂浆充填，套管周围保护层厚度不得小于1.0cm。
临时性锚杆锚固段杆体用水泥浆封闭防腐，杆体周围保护层厚度不得小于1.0cm。
锚杆外露头必须先涂以沥青等防腐材料，再采用混凝土密封，外露钢板和锚具的保护层厚度不得小于2.5cm。
6.3张拉、锁定和封锚
必须待锚孔内的砂浆及地梁钢筋砼的强度达到设计强度后，方可进行锚杆预张拉。
每次张拉前，应对测试仪表进行校核，随后分次分级按对称原则进行张拉，直至张拉吨位。
每次分级张拉时，除第一级需稳定1015分钟外，其余每一级需要稳定25分钟。
对于预应力损失超过设计张拉力的10％时，应进行补偿张拉；补偿张拉要在锁定值的基础上，一次张拉至超张拉荷载，超张拉力不超过设计张拉力的l15％。
锁定时用机械切除多余钢筋，严禁电割、氧割，并应留10cm以防滑脱，最后用混凝土或水泥砂浆封锚。
封锚后应保持外观整洁美观。
7结术语
本文针对邯郸市中心基坑边坡为例，应用数理统计理论确定结构面分布规律、分析了边坡失稳机理及其特点。
用ansys软件研究边坡稳定性，用风险设计理论以收益最大的原则建立了锚固优化设计的方法。
在基坑支护施工过程中，由于切实采取技术措施，在施工过程中杜绝了失稳的产生，为工程的加固设计提供参考依据。
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