成都卵石土地區(qū)基坑開挖變形特征現(xiàn)場試驗研究

范文軍， 馮世清， 胡　熠

(1.綠地集團成都申蓉房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，四川成都 610031；2. 中國建筑西南勘察設(shè)計研究院有限公司, 四川成都 610052)

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成都卵石土地區(qū)基坑開挖變形特征現(xiàn)場試驗研究

范文軍1， 馮世清2， 胡熠2

(1.綠地集團成都申蓉房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，四川成都 610031；2. 中國建筑西南勘察設(shè)計研究院有限公司, 四川成都 610052)

為研究成都卵石土地區(qū)基坑變形特征及現(xiàn)有的基坑變形計算方法在成都卵石土地區(qū)的適用性，以成都某深基坑工程建設(shè)為依托，在現(xiàn)場選取具有代表性的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，對支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形特征進(jìn)行長期的現(xiàn)場測試分析，并將現(xiàn)場實測結(jié)果與現(xiàn)有設(shè)計理論的計算結(jié)果進(jìn)行對比，討論分析現(xiàn)有基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形計算方法在成都卵石土地區(qū)的適用性。

卵石土；基坑；樁錨結(jié)構(gòu)；變形特征

成都地區(qū)地質(zhì)條件有其獨特性，中心城區(qū)及城西為岷江一級階地，地層主要以卵石層為主。目前成都地區(qū)的卵石土基坑大多按照承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行支護(hù)設(shè)計，雖然基坑整體垮塌事故較少，但出現(xiàn)變形過大而影響周邊環(huán)境，造成建筑物沉降過大、傾斜、開裂的現(xiàn)象時有發(fā)生。其中最典型的項目為成都某廣場項目，由于基坑變形過大造成周邊建筑物開裂，經(jīng)濟賠償過億。此外，成都市區(qū)內(nèi)建成和在建的地鐵線路已達(dá)8條，地鐵在城市中呈網(wǎng)狀分布，越來越多的基坑工程面臨對地鐵的保護(hù)問題，地鐵保護(hù)的核心問題又是如何控制基坑變形。因此，對成都卵石土地區(qū)深基坑變形特征的研究具有十分重要的意義。

基坑的變形特征是個十分復(fù)雜的巖土工程問題，與場地工程地質(zhì)條件、支護(hù)結(jié)構(gòu)形式、開挖過程等因素都有關(guān)，目前尚無完善的理論計算方法。鑒于上述情況，本文以成都某深基坑工程建設(shè)為依托，通過對現(xiàn)場基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力變形特征進(jìn)行長期測試分析，并將現(xiàn)場實測結(jié)果與現(xiàn)有設(shè)計理論的計算結(jié)果進(jìn)行對比，討論分析現(xiàn)有基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形計算方法在成都卵石土地區(qū)的適用性。本文中的研究成果可以為成都卵石土地區(qū)基坑支護(hù)工程設(shè)計、施工提供理論指導(dǎo)，積累成都卵石土地區(qū)的基坑支護(hù)工程設(shè)計、施工經(jīng)驗。

1　工程概況

該基坑位于成都市區(qū)內(nèi)，基坑周長約為242 m，開挖深度約15 m?；又苓吤懿即罅坷吓f建筑，地下室結(jié)構(gòu)幾乎占滿了建筑紅線所包括的用地范圍，加大了基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計施工難度(圖1)。

圖1　成都某基坑現(xiàn)場照片

場地內(nèi)巖土從上至下依次為：第四系全新統(tǒng)人工填土層、第四系全新統(tǒng)沖洪積層和白堊系泥巖?；舆吰聨r土力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

由于基坑周邊建筑物較多，根據(jù)已有建筑的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，制定的基坑開挖支護(hù)方案為：基坑西、北兩側(cè)采用雙排預(yù)應(yīng)力錨索錨拉樁支護(hù)，南側(cè)采用單排預(yù)應(yīng)力錨索錨拉樁支護(hù)，東側(cè)采用懸臂樁支護(hù)。設(shè)計的支護(hù)樁樁徑1.2 m，樁間距2.2 m，有效樁長22 m，嵌固深度7 m，樁頂標(biāo)高為±0.00 m，在-6.0 m、-9.0 m兩處設(shè)置2道φ150內(nèi)灌漿預(yù)應(yīng)力錨索，錨索長度分別為18 m、15 m，錨固段長度分別為10 m、8 m，錨索錨固在支護(hù)樁身上，不設(shè)置腰梁，如圖2所示。

表1　基坑邊坡巖土力學(xué)指標(biāo)

圖2　基坑支護(hù)方案

2　現(xiàn)場試驗測試方案

考慮到基坑不同位置的支護(hù)樁在變形特征上具有差異性，在現(xiàn)場選取了具有代表性的14#支護(hù)樁和32#支護(hù)樁為試驗測試樁，其中14#支護(hù)樁位于基坑西側(cè)中部位置，32#支護(hù)樁靠近基坑北側(cè)角落位置，兩試驗測試樁的位置如圖3所示。

圖3　現(xiàn)場試驗樁位置

現(xiàn)場監(jiān)測項目主要包括樁體鋼筋應(yīng)力、樁體水平變形和錨索應(yīng)力。樁體鋼筋應(yīng)力采用埋設(shè)在鋼筋上的鋼筋計測量，在支護(hù)樁靠近基坑側(cè)和遠(yuǎn)離基坑側(cè)各布置一組鋼筋計，鋼筋計從距離樁頂2 m處開始布置，豎向間距2 m；樁體水平變形利用埋設(shè)在樁身中部的測斜管進(jìn)行測量，測量時測斜儀的讀數(shù)間距為0.5 m；錨索應(yīng)力采用錨索應(yīng)力計測量。在基坑開挖過程中，測量頻率為1次/1天～1次/2天；基坑開挖完成施工基礎(chǔ)、地下室過程中，測量頻率為1～2次/周；建筑高出地面到基坑回填階段，測量頻率為2次/月；雨天、變形和應(yīng)力異常變化、基坑處于臨界或危險狀態(tài)時加大測量頻率。

3　現(xiàn)場測試結(jié)果分析

3.1樁身變形測試結(jié)果分析

現(xiàn)場測試得到不同開挖條件時14#樁與32#樁的樁身水平位移變化曲線如圖4所示，圖中指向基坑內(nèi)側(cè)的變形為正值，指向基坑外側(cè)的變形為負(fù)值。從圖4中可以看出，各樁樁身水平位移隨開挖深度增加而增大，樁頂處的水平位移最大，其中開挖至6 m和9 m時分別施加了兩道錨索。開挖結(jié)束時，基坑邊坡變形并未停止，而是經(jīng)過了一段時間后變形才逐步趨于穩(wěn)定。當(dāng)開挖至基坑底部時，14#樁樁頂變形量約為18.86 mm，32#樁樁頂變形量約為8.87 mm；當(dāng)基坑回填結(jié)束后，14#樁樁頂最終水平位移為20.65 mm，32#樁樁頂最終水平位移為9.53 mm。

圖4　不同開挖深度條件下樁身水平位移曲線

3.2樁身鋼筋內(nèi)力測試結(jié)果分析

14#樁與32#樁不同開挖條件下樁身應(yīng)力分布曲線如圖5所示。從圖5中可以看出，因開挖卸荷，在土壓力作用下基坑內(nèi)外側(cè)的樁身鋼筋應(yīng)力值隨開挖不斷增長，其變化值隨開挖深度的增加呈逐步增大的趨勢，且開挖至坑底時增長并未停止，至基坑回填結(jié)束時仍在緩慢增加；在開挖初期樁體表現(xiàn)為懸臂狀態(tài)，開挖面以上樁身外側(cè)受拉內(nèi)側(cè)受壓，開挖面以下樁身受外側(cè)受壓內(nèi)側(cè)受拉；在設(shè)置錨索后開挖面以上逐步變化為外側(cè)受壓內(nèi)側(cè)受拉，開挖面以下逐步變化為外側(cè)受拉內(nèi)側(cè)受壓，完全符合設(shè)計計算狀態(tài)，表明量測的鋼筋應(yīng)力真實反映了設(shè)計和實際的結(jié)構(gòu)應(yīng)力性狀。

圖5　現(xiàn)場樁身鋼筋應(yīng)力分布曲線

3.3錨索拉力測試結(jié)果分析

基坑工程中14#樁與32#樁6 m、9 m處各安裝一個錨索測力計，其中32#樁錨索測力計因施工影響中途破壞，因此測試數(shù)據(jù)并不完整。

現(xiàn)場各錨索測力計所測錨索內(nèi)力隨時間變化曲線如圖6所示，其中6 m處的錨索預(yù)加力為350 kN，9 m處的錨索預(yù)加力為300 kN。從圖6中可以看出，隨著基坑開挖深度的增加，其錨索內(nèi)力增大，開挖至坑底后錨索內(nèi)力的變化很快趨于穩(wěn)定，但錨索在張拉鎖定后，錨索內(nèi)力最大值僅占設(shè)計預(yù)加力的40 %左右，錨索的松弛效用比較明顯。

4　現(xiàn)有設(shè)計方法適用性討論

4.1支護(hù)結(jié)構(gòu)變形計算結(jié)果對比

利用目前成都地區(qū)設(shè)計院常用的理正深基坑6.0軟件對該深基坑工程中支護(hù)結(jié)構(gòu)變形特征進(jìn)行計算，并將計算結(jié)果與現(xiàn)場樁身變形測試結(jié)果進(jìn)行比對，各樁的計算最大變形量與實測最大變形量對比如表2所示。從表2中可以看出，14#支護(hù)樁處于基坑一側(cè)的中部，其實測值與計算值比較接近，而32#支護(hù)樁靠近基坑邊角出，其實測值與計算值相對誤差較大，但計算值較大，因此采用現(xiàn)有計算軟件計算結(jié)果更偏安全。

表2　計算最大變形值與實測最終變形量對比

圖6　錨索內(nèi)力隨時間變化曲線

4.2支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力特征計算結(jié)果對比

現(xiàn)場實測的鋼筋最大拉應(yīng)力及壓應(yīng)力僅為設(shè)計值的16.74 %，表明錨拉樁支護(hù)結(jié)構(gòu)中，鋼筋的承載力能力并未完全發(fā)揮，一方面反映出設(shè)計偏于保守，另一方面也反映出目前錨拉樁支護(hù)結(jié)構(gòu)中對于鋼筋配置數(shù)量或作用點的計算方法確實存在值得深入研究甚至大量優(yōu)化的余地。錨索設(shè)置位置在錨索張拉后，鋼筋應(yīng)力有減小的趨勢，表明錨索的設(shè)置和適時施作對改變支護(hù)樁結(jié)構(gòu)和整個支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形狀態(tài)的作用顯著。

同時也采用理正深基坑計算軟件對樁身彎矩進(jìn)行計算，并與實測結(jié)果進(jìn)行對比，如圖7所示。從圖7中可以看出，實測彎矩與設(shè)計計算彎矩在量值上隨樁深度增大逐漸增大，在開挖面附近其差值達(dá)到最大，且實測彎矩最大值遠(yuǎn)小于設(shè)計彎矩最大值；14#樁和32#樁在2 m處的計算彎矩為-278.4 kN·m，而實測結(jié)果分別為-29.53 kN·m和-30.88 kN·m，說明計算中冠梁水平剛度系數(shù)過大。故在設(shè)計中應(yīng)考慮冠梁對樁的約束作用，但其取值不應(yīng)過大。

圖7　實測彎矩與計算彎矩比較

基坑工程設(shè)計資料中提供的各監(jiān)測點錨索的設(shè)計預(yù)加力及錨索最大內(nèi)力如表3所示。從表3中可以看出，6 m位置處錨索最大內(nèi)力實測值僅為預(yù)加拉力的25 %～36 %，彈性法設(shè)計值和經(jīng)典法設(shè)計值的16 %～23 %；9 m位置處錨索最大內(nèi)力實測值僅為預(yù)加拉力的20 %～38 %，彈性法設(shè)計值的13 %～25 %，經(jīng)典法設(shè)計值的23 %～45 %。分析其原因為張拉過程中由于操作的不規(guī)范，造成鎖定后首次監(jiān)測結(jié)果表明錨索最大內(nèi)力實測值遠(yuǎn)小于設(shè)計計算得到的錨索內(nèi)力值。錨索位置越高或越低，實測值與設(shè)計值相對比較靠近，但也僅占45%左右，而中間位置的錨索相對差距較大，盡管影響因素較多，但必然包括設(shè)計計算方法中存在需要完善的因素在內(nèi)；實測值與經(jīng)典法設(shè)計值相對比較靠近，表明經(jīng)典法的計算結(jié)果比較接近錨索的實際狀況。

表3　錨索設(shè)計預(yù)加力及最大內(nèi)力　kN

5　結(jié)　論

通過成都某深基坑工程現(xiàn)場測試試驗研究和對現(xiàn)有設(shè)計方法的討論分析，得出以下幾點結(jié)論：

(1)根據(jù)現(xiàn)有設(shè)計規(guī)范和目前成都地區(qū)卵石土參數(shù)經(jīng)驗取值方法進(jìn)行設(shè)計，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平變形基本能夠控制在30 mm以內(nèi)，但基坑變形的空間效應(yīng)比較明顯，基坑邊角處邊坡水平變形值遠(yuǎn)小于基坑邊坡中部；

(2)通過將現(xiàn)場實測結(jié)果與現(xiàn)有設(shè)計軟件計算結(jié)果進(jìn)行對比看出，軟件計算值相比現(xiàn)場實測值更偏于安全，因此在成都卵石土地區(qū)采用現(xiàn)有的巖土設(shè)計軟件進(jìn)行設(shè)計可以保證基坑安全；

(3)按照目前的支護(hù)設(shè)計方法，實測支護(hù)樁樁身鋼筋應(yīng)力值基本小于設(shè)計值的20 %，錨索應(yīng)力值基本小于設(shè)計值的25 %左右，錨索鎖定值僅占設(shè)計預(yù)加力的30 %左右，因此成都地區(qū)的卵石土基坑支護(hù)設(shè)計還存在較大的優(yōu)化空間。

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中建股份科技研發(fā)課題(項目編號:CSCEC-2013-Z-25)

范文軍，男，工程師，主要從事房地產(chǎn)項目生產(chǎn)管理工作。

TU94+2

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[定稿日期]2015-12-18