地面動超載對深基坑穩(wěn)定性影響分析

張恒志

(常州市中元建設(shè)工程勘察院有限公司，江蘇常州 213001)

深基坑設(shè)計過程中荷載的確定是保證支護結(jié)構(gòu)設(shè)計安全、經(jīng)濟的關(guān)鍵工作之一。錢力航等在對深基坑坍塌事故進行分析時發(fā)現(xiàn)，深基坑失穩(wěn)的一個重要原因是基坑支護設(shè)計過程中勘察工作不仔細，導(dǎo)致計算荷載不準確[1]，尤其是隨著基坑工程的開挖面積、深度越來越大，基坑形狀、地質(zhì)條件及施工環(huán)境也越來越復(fù)雜，施工過程中的各種臨時動超載對基坑穩(wěn)定性影響常被忽略，導(dǎo)致基坑支護結(jié)構(gòu)變形過大甚至失穩(wěn)。

本文以常州市某不規(guī)則設(shè)備基坑工程為背景，針對由自然放坡、土釘墻、鉆孔灌注樁加錨桿組成的復(fù)合支護，采用多種參數(shù)驗算分析了工程全過程中地面動超載對基坑的穩(wěn)定性影響。

1 工程概況

常州市新北區(qū)V＆M二期項目基坑工程由3個設(shè)備基礎(chǔ)組成，其深度按設(shè)備基礎(chǔ)要求自然分為3個區(qū)域(Ⅰ區(qū)，Ⅱ區(qū)，Ⅲ區(qū))，基坑平面布置見圖1。其中Ⅰ區(qū)深度為3.3 m～6.4 m，Ⅱ區(qū)深度為5.75 m ～10.5 m，Ⅲ區(qū)深度為10.08 m ～15.75 m。

根據(jù)設(shè)備要求，基坑面積約5 000 m2，外圍周長約350 m，其Ⅰ區(qū)基坑工程構(gòu)造形狀極度不規(guī)則，存在多處銳角邊界，易于形成應(yīng)力集中。通過對設(shè)備安裝要求仔細論證發(fā)現(xiàn)，項目主體施工時，需在基坑周邊架設(shè)200 t的大噸位吊車進行吊裝作業(yè)，由吊車行走路線可知吊車中心距深基坑北側(cè)邊緣的最小距離(斷面1—1)為22 m;距離基坑?xùn)|側(cè)邊緣的最小距離(斷面2—2)為6.5 m;距基坑南側(cè)邊緣的最小距離(斷面3—3)為8.8 m。吊車行走荷載值遠大于設(shè)計規(guī)范規(guī)定的地面活荷載取值。

2 工程地質(zhì)條件

基坑擬建場地屬濱海平原地貌類型，場地內(nèi)地勢較為平坦?；又ёo及開挖涉及的地表下30 m范圍內(nèi)自上而下土層分布情況及物理力學(xué)性能見表1。由表1可知，基坑土以粘土及粉砂為主，地下水主要為淺部土層中的潛水及承壓水。淺部土層潛水的補給來源主要為大氣降水與地表徑流，水位變化幅度較大;承壓水的補給源主要為長江水和運河水的側(cè)向補給，以越流方式排泄。

表1 基坑土層物理力學(xué)性質(zhì)

3 基坑支護方案

根據(jù)設(shè)備基礎(chǔ)要求及周圍環(huán)境條件，基坑Ⅰ區(qū)，Ⅱ區(qū)工程安全等級定為二級，Ⅲ區(qū)工程安全等級定為一級，要求地面最大沉降量小于0.1%H，圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移小于0.14%H(H為基坑深度)。

在支護結(jié)構(gòu)選型方面，結(jié)合常州地區(qū)深基坑工程支護實踐，考慮將各種支護形式“取長補短”，組合成復(fù)合支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想[2，3]，針對本工程三個區(qū)域形狀不規(guī)則及設(shè)備要求深度各異，設(shè)計對不同深度分別采用自然放坡、土釘墻、鉆孔灌注樁加錨桿組合成復(fù)合支護形式。

按設(shè)備基礎(chǔ)參數(shù)及規(guī)范要求進行設(shè)計計算得到的設(shè)計基坑支護方案如下:

Ⅰ區(qū)深度為3.3 m～6.4 m，設(shè)計支護形式主要為放坡+復(fù)合土釘墻，其坡比為 1∶0.6，土釘長度為 4.5 m ～6.0 m;距吊車行走路線較近的關(guān)鍵位置采用強度為C30鉆孔灌注樁+錨樁的支護形式，灌注樁與錨樁樁長均為10 m。

Ⅱ區(qū)深度為5.75 m～10.5 m，深度小于6.8 m處采用放坡+復(fù)合土釘墻的支護形式，坡比為1∶0.6，土釘長度為4.5 m ～9.0 m，深度大于6.8 m處采用自然放坡+C30鉆孔灌注樁+錨桿的支護形式，灌注樁樁長為12 m～16 m、錨桿長度為12 m～20 m，錨桿豎向間距設(shè)為3 m，水平間距設(shè)為1.8 m。

Ⅲ區(qū)深度為10.08 m～15.75 m，局部采用放坡+復(fù)合土釘墻的支護形式，坡比為1∶0.6，土釘長度為 6.0 m ～9.0 m，主體部分采用自然放坡+C30鉆孔灌注樁+錨桿的支護形式，灌注樁樁長為19 m～23 m、錨桿長度均為20 m，錨桿豎向間距設(shè)為3 m，水平間距設(shè)為1.8 m。

圍護結(jié)構(gòu)平面布置見圖2。

4 臨時重荷載對深基坑穩(wěn)定性影響分析

基坑支護設(shè)計時對于地面荷載的確定按規(guī)范取均布荷載為20 kPa[4]，未考慮施工過程中重型吊車行走的荷載，而針對吊裝過程中增設(shè)的重型吊車作用效果未予考慮。

重型吊車行走的動荷載與地面構(gòu)件的堆積荷載組合后，將會增大基坑支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移，構(gòu)成影響基坑穩(wěn)定的重要不利因素，因此有必要分析該重荷載對基坑支護的穩(wěn)定性影響。

通過對重型吊車荷載信息進行仔細收集，可知200 t的重型吊車履帶觸地面積為9.11 m(長)×1.2 m(寬)×2，吊車寬度為7.2 m。將吊車按履帶所占面積折算，累加工作時的吊裝荷載，最終形成的等效面荷載達98.9 kPa，考慮到動荷載的影響，荷載取100 kPa。

由圖2中吊車行走路線可知，基坑北側(cè)斷面1—1、東側(cè)斷面2—2及南側(cè)斷面3—3的基坑邊緣與吊車行走路線最近，為最不利荷載位置。

對三個斷面設(shè)計支護進行簡化后的計算模型見圖3，吊車荷載信息見表2。

表2 吊車作用等效荷載參數(shù)

計算斷面1—1，2—2，3—3在吊車重荷載作用下的支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移和穩(wěn)定性參數(shù)(增荷)，與原設(shè)計值(常載)對比結(jié)果見表3。

表3 穩(wěn)定性驗算結(jié)果

由計算結(jié)果可知:

1)三個最不利荷載斷面中，斷面1—1由于深度最深，樁身最大，側(cè)向位移達17.09 mm，但吊車距離基坑主體灌注樁相對較遠，故其樁身側(cè)向位移雖然最大，而吊車重荷載作用對其樁體側(cè)向位移影響則最小。斷面2—2，3—3在吊車重荷載作用下變形量均增加約25%，影響效果顯著，應(yīng)在吊車工作期間加強信息化監(jiān)測。

2)重型吊車行走增荷后，各斷面的穩(wěn)定性系數(shù)均有所降低，其中對斷面1—1支護結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力影響最大。

5 結(jié)語

工程實施后，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，重型吊車吊裝作業(yè)期間，在吊車臨時重荷載及多種不確定性因素的耦合作用下，基坑支護結(jié)構(gòu)變形速率急劇增長，對基坑的穩(wěn)定性影響顯著。超前驗算基坑周邊各種臨時重荷載對穩(wěn)定性的影響，對施工過程進行信息化監(jiān)測是確?；影踩挠行侄?。

[1] 錢力航.深基坑工程的穩(wěn)定問題[J].施工技術(shù)，2011(7):13-16.

[2] 楊志銀，張 俊，王凱旭.復(fù)合土釘墻技術(shù)的研究及應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報，2005，27(2):153-156.

[3] 胡德軍.復(fù)合支護體系在深基坑施工中的應(yīng)用[J].建筑，2011(11):69-70.

[4] JGJ 120-99，建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程[S].