软地基地下水处理及加固的关键技术研究.doc

软地基地下水处理及加固的关键技术研究
山西路桥集团工程项目管理服务有限公司

1 前言
软弱地基开挖前必须先进行处理和支护，太原武宿综合保税区马练营路在对该地段淤泥质土、粉质黏土软弱地基开挖时，根据本工程施工段落地质条件特点，结合以往该区域的施工经验，本项目的工程特点等各方面因素，采用管井降水处理和钢板桩支护技术进行施工，此项技术施工便捷，不仅容易保证施工质量，而且大大缩短了施工工期。
二 工程概况
马练营路道路地处太原市小店区，地下水类型为孔隙潜水与微承压水的混合水，地下水浅且丰富，静止水位埋深介于1.7-5.8M之间，场地土在勘探深度范围主要由粉质黏土、粉土组成，该土含水率平均值为22.5-28.5﹪，天然孔隙比平均值0.65-0.75，该土层标准贯入试验原始锤击数平均值为3.0-5.0击，总之，该地段土质天然含水率及孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、易液化、易扰动变形，为软弱地基。
三 水文地质参数
渗透系数K为：粉土K=3m/d 粉质粘土K=2m/d
四 管井降水处理技术
(一)基坑和单井涌水量计算
根据场地水文地质条件及含水层的渗透系数选取综合渗透系数K=3m/d，基坑降水量采用大口井计算公式，基坑降水深度以基底以下1.0m计算。基坑相关参数计算公式如下：

n =1.1×
式中： Q：基坑涌水量（）
K：地层综合渗透系数（m/d）
H：含水层的厚度（m）
R：影响半径（m）
r。：基坑引用半径（m）
n：单井出水量（）
经上式计算，基坑涌水量为Q总=4451，单井涌水量采用q=144。
(二)降水方案及施工工艺
1 降水方案
根据涌水量计算结果，管井井深采用16m、管井井距采用10m，降水周期初步定60天，视施工情况而调整。基坑边缘两侧各设一排降水井，路中设一排降水井，降水井数量随基坑长宽而定，路中降水井待降水至开挖水位后，即可关停。降水过程中根据出水量情况适当增加井数或调整出水量。管井的施工工艺应严格按照《管井施工与验收规范》进行。降水孔孔径为600mm,下入外径为400mm水泥管。过滤器为无砂管过滤器，孔隙率要求不小于15%，井管外采用外包过滤网60目一层，0m-16m。井管与管壁间填入2mm左右的碎石滤料并冲洗干净。以保证其过水畅通。钻探过程中采用泥浆护壁钻进，泥浆比重以1.1-1.2为宜。成井工艺结束后，立即采用抽水法洗井，直到将水洗清为止。
2 排水方式
从降水井抽出的水引入排水渠，排水渠几何尺寸为：宽1m,深0.8m,长按照实际情况确定的引水渠，引水渠用塑料布覆盖，根据现场施工情况加2至3台4寸泵饮水，泵水至河下游100m外，避免回灌。
3 施工工艺
（1）材料机械准备
无砂砼管（滤管）、2-4mm砂砾混合料、潜水钻机、φ50泥浆泵、φ50清水泵等。
（2）施工准备
①首先了解地质勘探资料，掌握对下土质和水位变化情况，特别是地下流砂层情况，以便钻孔工艺和准备必要的材料。
②对设置井点位置用白灰表明其位置，挖泥浆坑（每1眼井挖1个泥浆坑）。
③确定排水管位置流向，沉淀池位置以及与污水管道连接地点
（3）工艺流程
施工准备→定点放线→挖泥浆坑→循环成孔钻机就位→泥浆护壁→成孔→下管→下滤水层→上部用厚土填实→洗井→下潜水泵→抽水。
（4）工艺原理
①管井采用循环成孔钻机成孔，泥浆护壁，待钻孔到设计深度后，用吸管将其中泥浆吸净，下底座，然后下管，外填塞滤水小豆石，上部用厚土填实。
②管井的有效降水深度取决于管井深度，降水面积，含水层渗透系数以及水泵扬程，降水坡度环状形为1:10。
（5）技术要求
①定位：根据设计的井位及现场实际情况，准确定出各井位置，并做好标记。
②成孔后立即清孔，并安装井管，井管下入后，井管的滤管部分应放置在含水层的适当范围内，并在井管与孔壁间填充砾石滤料。
③安装水泵前，用压缩空气洗井法清洗滤井，冲除尘渣，直到井管内排出的水由浑变清，达到正常出水量为止。
④水泵安装后，对水泵本身和控制系统做一次全面细致的检查，合格后进行试抽水，满足要求后转入正常工作。
⑤观测井中地下水位变化，做好详细记录。
(6)注意事项
①降水深度达到设计要求，其水位线位于基坑底部下0.50-1m边坡要求稳定，基坑干燥。
②井管抽水采用扬程潜水泵抽水，泵位于井管内，距井盘底座约0.5m，用钢丝绳固定于井面，通过胶皮管将水从井中提至地面排掉。
③ 不允许出现死井，洗井一定要及时，抽水及时，从而保证降水效果良好。
④现场施工人员确保各降水井运行正常，将管井完成后进行编号，将每个降水井排水时间及时进行记录，根据日打井量增加水泵，再根据甲方管网施工进度递减水泵数量，并做好降水记录、观测井水位记录。
五 钢板桩支护加固技术
（一） 技术特点
采用拉森钢板桩有三大特点：1、施工速度快，工序简便，质量容易控制，工期短，具有很好的防水、止水功能；2、节能环保，对周围环境影响较小而且容易保证施工安全；3、相对地下连续墙、深层搅拌桩等其它支护形式，拉森钢板桩工艺支护成本较小，工程造价较低。本工程水文地质条件差，工期紧任务重，尤其是马练营路为施工节点，本工程基坑最大开挖深度约为8米，完全适用拉森钢板桩进行支护加固。
（二）简要技术说明
拉森钢板桩是一种特制的型钢板桩，用打桩机及振动锤将钢板桩压入地下构成一道连续的板墙，钢板桩结构具有质量轻、强度高、锁口紧密、水密性好、施工方便、施工速度快等优点，作为深基坑开挖的临时挡土、挡水围护结构，拉森钢板桩近年来已开始应用于各种基坑工程。
首先，拉森钢板桩工艺能通过钢板桩两侧自身锁扣互相紧密的咬合在一起而形成一道密封性非常好的桩墙，整体性非常好，从而提高了钢板桩的支护强度和止水能力，其次，钢板桩施工工艺简单，施工速度非常快，并且没有龄期限制，打完钢板桩后就能马上开挖，能缩短工期，加快施工进度。最后，基坑回填后可以将拉森钢板桩拔出进行重复利用，能降低工程造价。拉森钢板桩支护形式有悬臂式、锚拉式、支撑式，钢板桩自身有U、W、Z三种截面形式，壁厚4-7mm为轻型，壁厚8-12mm为普通型，本工程使用的拉森钢板桩为悬臂式U形截面普通型，具体规格为：对于深度5＜H≤8m的基坑，采用冷弯LWBU12A-12m拉森钢板桩支护。
（三） 悬臂式钢板桩计算
根据实际情况采用悬臂式钢板桩插入坑底，由于仅在特殊情况时打设支撑，钢板桩的稳定完全靠坑底以下两边的土压力维持。根据《市政工程施工手册》，钢板桩支撑上的土压力计算与挡土墙的计算不同，是近似的或经验性的。
1 悬臂式钢板桩简化计算示意图如下：

2 入土深度计算公式如下式所示：
（h+t）3Ka-t3Kp/K=0《式1》
式中：Ka---主动土压力系数，Ka=Tg(450-φ/2)=0.33；

A
h
D
Ea L
Ep1/K t
Ep2 B
Kp--被动土压力系数，Kp=Tg2(450+φ/2)=3；
K ---被动土压力安全系数，取1.1：
计算所得t=4.9米。
由《式1》求得钢板桩入土深度t,作为实际入土深度，再增加0.5米作为超出二部槽高度，则钢板桩总长度为：L=h+t+0.5=5+6.5+0.5=12米。
3 最大弯矩截面在基坑底深度t0计算，该截面的剪应力为0：
1
T0= Kp -1 =1/1.87=0.53 米
kAK
4 土压力计算
根据朗金理论压力计算：因紧临建筑物的安全系数为3。
则：Ea=3γh2Ka/2=3×21×5.53×2×0.45/2=3×52.3=157KN/m。
式中：γ—墙后土的重度（KN/m3）；21 KN/m3；
H—计算点距土表面的深度（m），5.53m
Ka-主动土压力系数，0.33，在此计算取0.45；
5 支护结构顶端的水平位移值计算：
S=δ×Δ×θ×Y
式中：δ—悬臂排桩上段结构柔性变形值；
Δ—下段结构在最大弯矩作用下产生的转角；
θ—下段结构在最大弯矩作用下产生的水平位移；
6 支护排桩选择及挠度验算
(1)挠度验算
按换算等值荷截计算：
q=【（157/100）×（36+13.6+36）】/2=134.2KN/m=13420 KN/cm=13694 Kg/m
弹性模量E=210000kg/cm2; 截面惯性矩 I=552cm4；
则其挠度Fa=Q14/8EI=(13694×5.534)/(8×210000×552)=12806511.65/927360000=0.014cm=0.14mm
(2)由计算可知：采用钢板桩作为本工程的支护加固结构，能满足现场条件要求，同时能满足支护结构不允许变形的施工要求。
（四） 支护方案选择
开挖深度为5m＜H≤8m段支护方式：钢板桩桩长12m，入土深度取5m，钢板桩为悬臂式LWBV-12m拉森钢板桩。个别段落开挖深度为5m＜H≤6m段支护方式：钢板桩桩长9m，支护入土深度取4m。采用36-C号工字钢作为钢板桩。
（五） 钢板桩施工方法
使用钢板桩振动打拔桩机用于打设和拔除钢板桩。打拔桩机型为EX350H,激振力800KN。钢板桩数量按1个施工段300根考虑，每一施工段基槽两边各设150根，前一施工段施工完毕拔除后，转入下一施工段，依靠反复周转使用。
1、单桩逐根打入法施打钢板桩
（1）一步槽开挖完毕先由测量人员定出钢板桩的轴线，并撒白灰现控制桩位，可每隔一定距离设置导向桩，导向桩直接使用钢板桩，然后挂绳线作为导线，打桩时利用导线控制钢板桩的轴线。
（2）准备送桩：打桩机吊起钢板桩，人工扶正就位。
（3）单桩逐根连续施打，不许垂直施打，注意桩顶高程不宜相差太大。
2、拔桩与桩孔填砂
（1）原则上土方回填后方可拔桩，桩经整修后重新利用。
（2）先用打拔桩机夹住钢板桩头部振动1min-2min,使钢板桩周围的土松动，产生“液化”，减少土对桩的摩阻力，然后慢慢的往上振拔。拔桩时注意桩机的负荷情况，发现上捌困难或拔不上来时，应停止拔桩，先振动1min-2min后下锤0.5m-1.0m再往上振拔，如此反复可将桩拔出来。
（3）钢板桩拔出后应及时回填桩孔；回填桩孔时应采取措施填实。本工程采用中粗砂灌填，冲水助沉。
（六）钢板桩的施工中遇到的问题及处理
由于地质结构复杂，钢板桩打拔施工中常遇到一些难题，常采用如下几点办法解决：
1、钢板桩杂填土地段挤进过程中到石块等侧项挤压作用力大小不同容易发生偏斜，采取以下措施进行纠偏：在发生偏斜位置将钢板桩往上拔1.0m-2.0m，再往下锤进，如此上下往复振拔数次，可使大的块石振碎使其发生位移，让钢板桩的位置得到纠正，减少钢板桩的倾斜度。
2、钢板桩沿轴线倾斜度较大时，采用异形桩纠正，异形桩一般为上宽下窄和宽度大于或小于标准宽度的板桩，异形桩可根据实际倾斜度进行焊接加工；倾斜度较小时也可以用卷扬机或葫芦和钢索将桩反向拉住再锤打。
（七）．钢板桩插打的主要施工技术要求
1、采用单根打入法插打钢板桩，桩顶标高±100mm，轴线偏差±100mm，垂直度偏差1%.
2、对距离堤坡及已有建筑物近的位置，单根钢板桩打桩持续时间应小于20min，打桩的顺序首先从建筑物最近点附近开始。
六 总 结
综上所述，软弱地基地下水处理采用管井降水技术，加固采用钢板桩支护技术，施工过程中严格按照《岩土工程勘查报告》、《建筑基坑支护技术规程》、《深基坑支护技术施工手册》 、《公用用水管井技术规范》执行，取得了良好的实践效果，同时，也为软地基地下水处理及加固技术提供了一种新的借鉴。