黃淮地區(qū)某粉質(zhì)黏土類深基坑工程變形監(jiān)測與控制

高均昭， 尚世宇

(許昌學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 許昌 461000)

黃淮地區(qū)某粉質(zhì)黏土類深基坑工程變形監(jiān)測與控制

高均昭， 尚世宇

(許昌學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 許昌 461000)

進(jìn)入21世紀(jì)以來，深基坑工程越來越重要地影響著人們的生活，但對深基坑變形的理論研究和實(shí)際情況有不小的差距。利用黃淮地區(qū)某深基坑工程，模擬了開挖深度、滲流強(qiáng)度、支護(hù)結(jié)構(gòu)等影響因素對深基坑穩(wěn)定性的影響，并對基坑進(jìn)行了變形監(jiān)測。通過對比監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果，分析了深基坑穩(wěn)定性的主要因素，評價(jià)了支護(hù)結(jié)構(gòu)，提出了同類地區(qū)深基坑安全性控制的建議。

深基坑；監(jiān)測；穩(wěn)定性

0 引 言

我國深基坑工程于20世紀(jì)末開始大量出現(xiàn)。由于基坑工程條件復(fù)雜，因設(shè)計(jì)施工不當(dāng)，很多工程事故時(shí)有發(fā)生。我國巖土領(lǐng)域的專家學(xué)者對邊坡穩(wěn)定這一課題進(jìn)行了大量研究，為深基坑領(lǐng)域的學(xué)術(shù)理論起到長足的推動(dòng)作用[1-3]。但還存在有以下問題：一是在基坑穩(wěn)定性的分析過程中，傳統(tǒng)的分析以經(jīng)驗(yàn)和理論計(jì)算為主，很多實(shí)際工程情況被忽略或理想化，與工程實(shí)例結(jié)合的不甚緊密；二是在以往的基坑穩(wěn)定性研究中，大多只考慮某一種條件對基坑穩(wěn)定性的影響，而實(shí)際情況是邊坡穩(wěn)定性受多種因素共同作用；三是基坑四周邊坡所處的條件不盡相同，各邊坡自身高度、土層性質(zhì)、支護(hù)措施等也不太一樣，因而有必要對基坑穩(wěn)定性進(jìn)行深入研究，使深基坑工程的安全性得到有效控制。

1 工程概況

擬建工程為許昌市人民醫(yī)院門診樓，位于許昌市建安大道許昌市人民醫(yī)院院內(nèi)西南角，地上6層、地下2層。建筑紅線規(guī)劃矩形50 m×200 m。本地區(qū)屬黃淮沖積平原，地貌單一。北側(cè)為6層體檢中心樓，框架結(jié)構(gòu)、噴粉樁基礎(chǔ)形式，擬建工程地下室外墻軸線距離該建筑8.0 m左右。西側(cè)為1～4層居民樓，相距約8.1～9.5 m，地下室外墻軸線距熱力管道6.0 m。南側(cè)為建安大道，地下室外墻軸線距圍墻約 10.0 m。東側(cè)為急診綜合樓，相距約8.0 m，地下室外墻軸線距醫(yī)院內(nèi)道路中心線5.8 m。 根據(jù)鉆探、靜力觸探及室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果，在勘探深度范圍內(nèi)主要為粉質(zhì)黏土與粉土。地下水主要為潛水，略具承壓性。初見水位埋深在5.5 m左右，靜止水位埋深有4.9 m左右；根據(jù)以往水位地質(zhì)資料，雨季地下水位埋深在2.0 m左右，歷史最高水位埋深1.0 m左右。距擬建工地南40 m左右有一條人工開挖河流，東西走向，河寬10～15 m，非雨季河水位平均8 m左右，雨季最高可達(dá)12 m。

2 基坑邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 理正軟件概述

理正巖土是一款專業(yè)的分析軟件，在巖土工程中運(yùn)用十分廣泛。計(jì)算結(jié)果也是經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算程序，以及結(jié)合現(xiàn)場條件計(jì)算出來的。本工程安全性分析主要用到模塊有：邊坡穩(wěn)定性分析、超級錨桿墻設(shè)計(jì)、滲流分析計(jì)算以及抗滑樁設(shè)計(jì)等。

2.2 計(jì)算方案

由上文分析可知，基坑四周邊坡以2-2邊坡穩(wěn)定性最為不利，因此，接下來以2-2邊坡為首要分析對象，并詳解其軟件分析過程，其余邊坡將必要過程及計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn)，并相互對比。先模擬無任何支護(hù)、無滲流條件下邊坡穩(wěn)定性及計(jì)算安全系數(shù)；然后模擬加錨桿支護(hù)后、無滲流條件下邊坡安全系數(shù)；建立邊坡滲流場；將建好的滲流場加入前兩個(gè)模型中，建立無支護(hù)、滲流耦合場和錨桿支護(hù)、滲流耦合場并得出安全系數(shù)；若錨桿支護(hù)、滲流耦合場得出的安全系數(shù)小于1，則加入抗滑樁條件進(jìn)行模擬；用邊坡抗滑樁設(shè)計(jì)模塊里的邊坡土體下滑力計(jì)算模塊計(jì)算得出各邊坡抗滑樁樁身后土體下滑力水平分力，以便下一步將計(jì)算結(jié)果代入抗滑樁模塊計(jì)算中；建立抗滑樁，錨桿支護(hù)模型，代入各邊坡土體下滑力及其他數(shù)據(jù)，進(jìn)行模擬計(jì)算，若計(jì)算結(jié)果顯示小于基坑監(jiān)測報(bào)警值20 mm，則視為邊坡安全；對各邊坡支護(hù)條件進(jìn)行削弱，模擬得出在邊坡安全范圍內(nèi)最節(jié)約支護(hù)成本的支護(hù)方案。

2.3 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

2.3.1 2-2邊坡無滲流、無支護(hù)時(shí)安全系數(shù)計(jì)算

計(jì)算目標(biāo):安全系數(shù)計(jì)算，滑裂面形狀假定為圓弧，不考慮地震， 2號(hào)坡面線號(hào)水平投影30 m，豎直投影0 m，超載數(shù)1，超載距離邊坡剖面邊緣7.000 m，寬6.000 m，荷載90.00 kPa，作用角度270°。不考慮水的作用。采用的圓弧穩(wěn)定分析方法是瑞典條分法，當(dāng)土條重切向分力與滑動(dòng)方向反向時(shí)當(dāng)下滑力對待，穩(wěn)定計(jì)算目標(biāo):自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑裂面，條分法的土條寬度:1.000 m，搜索時(shí)的圓心步長:1.000 m，搜索時(shí)的半徑步長:0.500 m(圖1)。計(jì)算結(jié)果:滑動(dòng)安全系數(shù)= 0.502。

圖1 2-2邊坡剖面穩(wěn)定性計(jì)算軟件界面

2.3.2 2-2邊坡無滲流、錨桿支護(hù)時(shí)安全系數(shù)計(jì)算

計(jì)算目標(biāo)、搜索半徑步長等定義條件上述相同，需要新定義的是所采用的支護(hù)錨桿的參數(shù)。其中錨桿道數(shù)為 4道，材料抗拉力為300 kN，錨固段粘結(jié)強(qiáng)度為120 kPa。需要指出的是，錨桿的粘結(jié)強(qiáng)度即為土體與錨固體之間的粘結(jié)強(qiáng)度，參考文獻(xiàn)[4-5]中土體與錨固體粘結(jié)強(qiáng)度特征值，可知粘性土堅(jiān)硬狀態(tài)下Fab取32～40 kPa，上述數(shù)據(jù)僅適用于初步設(shè)計(jì)，因此應(yīng)考慮錨桿二次注漿后的粘結(jié)強(qiáng)度變化。根據(jù)任建喜、丁洪元在深基坑模擬中的案例[6-7]，并結(jié)合本工程實(shí)例，各排錨桿(錨索)粘結(jié)強(qiáng)度均采用120 kPa。計(jì)算結(jié)果:滑動(dòng)安全系數(shù)=0.761。

2.3.3 2-2邊坡滲流場的建立

許多工程實(shí)例表明，水是影響邊坡穩(wěn)定的不可忽略的重要因素之一[8]，滲流分析計(jì)算軟件主要分析土體中的滲流問題，并可以將模擬滲流場的結(jié)果導(dǎo)入到邊坡穩(wěn)定分析模塊中，綜合分析滲流條件下邊坡的穩(wěn)定問題。理正滲流的分析方法包括公式法和有限元方法，公式方法依據(jù)文獻(xiàn)[9]提供的計(jì)算公式。適用于下列情況：一般穩(wěn)定滲流計(jì)算；雙層地基穩(wěn)定滲流計(jì)算；水位上升過程中不穩(wěn)定滲流計(jì)算；水位降落過程中不穩(wěn)定滲流計(jì)算。有限元方法是依據(jù)非飽和土理論、根據(jù)基本的滲流理論——達(dá)西定律等，采用有限元方法分析穩(wěn)定流及非穩(wěn)定流中多種邊界條件、多種材料的堤壩或土體的滲流分析。本文將采用有限元分析法進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)合本工程實(shí)際情況，各土層橫向、縱向滲透系數(shù)Kx、Ky取值如上文所述，其中α為滲透系數(shù)角，表示各向異性材料滲透系數(shù)最大的方向與水平方向的夾角，取0。計(jì)算結(jié)果：滲流量= 0.375 21 m3/d。

2.4 基坑四周邊坡剖面計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)對比表

2.4.1 基坑四周邊坡安全系數(shù)圖

根據(jù)模擬結(jié)果，對于同一邊坡，在不同條件下其安全系數(shù)為滲流、無支護(hù)(無滲流)、無支護(hù)(滲流)、支護(hù)(無滲流)、支護(hù)(圖2)，有以下結(jié)論：① 滲流會(huì)對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，在無支護(hù)條件下，四個(gè)坡面因滲流而導(dǎo)致安全系數(shù)降低平均數(shù)為0.058；在支護(hù)條件下(錨桿)四個(gè)坡面因滲流而導(dǎo)致安全系數(shù)降低平均數(shù)約0.02。② 加入錨桿、錨桿支護(hù)措施會(huì)使邊坡穩(wěn)定性提高，支護(hù)后比支護(hù)前安全系數(shù)提高了平均約0.25。③ 滲流、支護(hù)條件下安全系數(shù)大于無支護(hù)、無滲流條件下安全系數(shù)，綜上可知對邊坡穩(wěn)定性的影響中，支護(hù)措施對邊坡的有利貢獻(xiàn)大于滲流對其的不利影響[10-11]。

圖2 各邊坡剖面不同滲流、支護(hù)條件下安全系數(shù)散點(diǎn)圖

2.4.2 各邊坡滲流量表圖

邊坡的滲流量不僅與水文條件相關(guān)而且與其自身的工程地質(zhì)條件相關(guān)，在工程地質(zhì)條件中對其滲流結(jié)果影響最大的因素是邊坡的高度(圖3)。

圖3 各邊坡滲流量柱狀圖

2.4.3 各邊坡土體水平下滑力圖

1-1、2-2、3-3邊坡土體水平下滑力基本一致，而4-4邊坡土體水平下滑力為其1/3，由此可知，邊坡剖面土體水平下滑力受邊坡開挖形式影響較大(圖4)。

圖4 各邊坡土體水平下滑力柱狀圖

2.4.4 各邊坡抗滑樁支護(hù)結(jié)果

坡頂位移見表1，從前三個(gè)邊坡數(shù)據(jù)知，在抗滑樁支護(hù)條件不變的情況下，對各邊坡錨桿(錨索)支護(hù)排數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，由雙排支護(hù)到單排支護(hù)時(shí)，抗滑樁樁頂位移突然發(fā)生較大增長，超出安全允許值(20 mm)，因而前三邊坡宜采取雙排支護(hù)，在符合安全性要求的前提下最為節(jié)約經(jīng)濟(jì)。

表1 各邊坡抗滑樁樁頂位移及優(yōu)化后樁頂?shù)奈灰?mm

3 邊坡剖面分析

2-2邊坡采用樁錨支護(hù)，抗滑樁為雙排混凝土灌注樁，樁身總長22.6 m，底部嵌入深度11 m，基坑深11.6 m，樁徑600 mm，樁心間距1.5 m，混凝土強(qiáng)度等級C30；但理正軟件抗滑樁模塊只能模擬單排混凝土灌注樁，因此上文將其轉(zhuǎn)化為樁徑1 200 mm的單排灌注樁，其余數(shù)據(jù)不變。剖面采用四排錨桿支護(hù)，嵌入角度均為15°，預(yù)加拉力由上至下依次為30 kPa、150 kPa、150 kPa、160 kPa，錨固長度、自由端長度、間距等(圖5)。樁身后共計(jì)8層土，依次為雜填土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉土、黏土、黏土，各土層厚度及粘聚力、內(nèi)摩擦角可見圖7所示。因2-2剖面地面荷載最近，為6層建筑物，超荷載取值為90 kPa。

圖5 2-2邊坡支護(hù)剖面圖

3-3邊坡采用樁錨支護(hù)，抗滑樁為雙排樁徑500 mm的水泥土攪拌樁，樁心間距0.25 m，但理正軟件抗滑樁模塊兒只能模擬單排混凝土灌注樁，因此上文將3-3抗滑樁轉(zhuǎn)化為單排混凝土灌注樁，樁身總長22.6 m，底部嵌入深度11 m，基坑深11.6 m，樁徑500 mm，樁心間距1.5 m，混凝土強(qiáng)度等級C30。剖面采用四排錨桿支護(hù)，嵌入角度均為15°，預(yù)加拉力由上至下依次為30 kPa、150 kPa、150 kPa、160 kPa，錨固長度、自由端長度、間距等可見圖所示。樁身后共計(jì)8層土，依次為雜填土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉土、黏土、黏土。3-3剖面超荷載取值為30 kPa。

4 現(xiàn)場數(shù)據(jù)對比

4.1 含水量與抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系

為了測試所取土樣的含水量和抗剪強(qiáng)度的關(guān)系，分別對不同含水量的土樣分別進(jìn)行了土體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 不同含水量分級加豎向荷載抗剪強(qiáng)度變化趨勢圖

根據(jù)圖7可得不同含水量各組粘聚力和內(nèi)摩擦角變化情況，從中可以看出隨含水量的增加土體的粘聚力逐漸減小，內(nèi)摩擦角隨含水量的增加也逐漸減小，但粘聚力的變化量要遠(yuǎn)大于內(nèi)摩擦角的變化量。根據(jù)土的抗剪強(qiáng)度公式：τ=δtanφ+C由于內(nèi)摩擦角隨含水量的變化很小，因此內(nèi)摩擦角對土體抗剪強(qiáng)度的影響很小，主要是粘聚力的影響。這是因?yàn)殡S含水量的增加土體顆粒之間的結(jié)合水膜增厚，根據(jù)土力學(xué)的觀點(diǎn)，水是不能承受剪應(yīng)力的，因此粘聚力是對土體抗剪強(qiáng)度的影響呈主要作用。

圖7 含水量和粘聚力關(guān)系曲線

4.2 沉降監(jiān)測及水平位移監(jiān)測部分?jǐn)?shù)據(jù)

基坑監(jiān)測從2015年2月15日至2016年1月10日，包括各基坑邊坡沉降監(jiān)測與水平位移監(jiān)測，各50組，降水量由許昌市氣象局提供自2015年1月11日～2016年1月10日以來的相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)以及降水量統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以對模擬情況進(jìn)行對比與驗(yàn)證，以上模擬數(shù)據(jù)中的滲流量來自于許昌市氣象局公布的2015年降水量。

5 對深基坑支護(hù)方式的評價(jià)和建議

5.1 樁錨體系得當(dāng)

對于本工程，4-4邊坡因其所處位置較為開闊，坡頂無重要建筑物，坡頂超載較小，因而采取放坡開挖的形式，還采取了錨桿墻支護(hù)，面層噴射鋼筋混凝土并鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)。在此基礎(chǔ)上，4-4剖面采用了水泥土攪拌樁防滲擋水處理。其余三坡在混凝土噴射面層基礎(chǔ)上，大都采用了樁錨支護(hù)，其體系由抗滑樁、土層錨桿、冠梁等組成，錨桿取代基坑支護(hù)內(nèi)支撐，給支護(hù)排樁提供錨拉力，以減小支護(hù)排樁的位移與內(nèi)力，并將基坑的變形控制在允許的范圍內(nèi)，冠梁把護(hù)坡樁聯(lián)系到一起，增加其整體性。此外其采用了灌注樁與攪拌樁聯(lián)合支護(hù)，灌注樁作受力結(jié)構(gòu)，攪拌樁作止水結(jié)構(gòu)。

5.2 2-2剖面支護(hù)稍顯保守

根據(jù)半年來的監(jiān)測結(jié)果，基坑沉降與位移數(shù)據(jù)均未超過警戒值，沉降累計(jì)最大值為39 mm，水平位移最大值為11 mm。這說明支護(hù)結(jié)構(gòu)一直處于安全狀態(tài)。根據(jù)模擬結(jié)果表1中數(shù)據(jù)，建議剖面2-2采用3排錨桿支護(hù)，1-1剖面、3-3剖面采用2排錨桿支護(hù)即可。因在許昌地區(qū)該深基坑為目前最深基坑，支護(hù)結(jié)構(gòu)顯得保守可以理解。

5.3 其他建議

對于深基坑，不同的工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件應(yīng)采用不同的支護(hù)措施，應(yīng)具體情況具體分析，綜合評價(jià)，從而采用最有利最經(jīng)濟(jì)的支護(hù)結(jié)構(gòu)[12]。一般當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較好，周邊環(huán)境要求較寬松時(shí)，可以采用柔性支護(hù)，如錨桿墻等；當(dāng)周邊環(huán)境要求高時(shí)，應(yīng)采用較剛性的支護(hù)型式，以控制水平位移，如排樁或地下連續(xù)墻等[13]。同樣，對于支撐的型式，當(dāng)周邊環(huán)境要求高地質(zhì)條件較差時(shí)，采用錨桿容易造成周邊土體的擾動(dòng)并影響周邊環(huán)境的安全，應(yīng)采用內(nèi)支撐型式較好；當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件特別差，基坑深度較深，周邊環(huán)境要求較高時(shí)，可采用地下連續(xù)墻加逆作法[14]。

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2016-06-24；修改日期：2016-07-14

橫向委托項(xiàng)目(2015011)

高均昭(1974-)，男，河南臨潁人，碩士，許昌學(xué)院教授．

P642.22；TU463

A

1673-5781(2016)04-0508-04