軟土地區(qū)基坑支護結(jié)構(gòu)失穩(wěn)案例分析

張 琳

(湖北煤炭地質(zhì)局，武漢 430070)

0 引言

某高層住宅項目位于湖北省武漢市洪山區(qū)板橋村南李路西側(cè),緊臨京廣鐵路、武咸城際鐵路,為7棟18層至34F高層住宅，整個場區(qū)下設(shè)置一層地下室，場地西北角設(shè)置兩層地下室，一層地下室基礎(chǔ)埋深-6.10～-6.70m，兩層地下室基礎(chǔ)埋深-10.30m。該項目場地上部分布厚層淤泥及淤泥質(zhì)土層，基坑采用雙排樁及樁撐支護方式，局部采用粉噴樁被動區(qū)加固方式。該基坑開挖過程中，由于淤泥等軟弱土層的蠕變效應(yīng)，支護結(jié)構(gòu)發(fā)生大的變形。為研究基坑支護結(jié)構(gòu)變形規(guī)律及土體蠕變特性，分析基坑變形過大的原因，為其他類似工程提供設(shè)計經(jīng)驗，特針對該軟土地區(qū)基坑失穩(wěn)原因進行研究。

1 研究區(qū)地質(zhì)與工程地質(zhì)條件

1.1 地層

研究區(qū)位于長江三級階地低洼湖區(qū)，場區(qū)表層為雜填土，其下為軟塑-流塑狀態(tài)的湖積相的淤泥及淤泥質(zhì)土，再往下為沖洪積相的黏性土層。在黏性土底部，有沖洪積相的細砂夾卵礫石層。場區(qū)基巖強風化層之上，存在一層殘積黏性土層。下伏基巖為白堊-古近系強風化泥質(zhì)粉砂巖、中風化泥質(zhì)粉砂巖。場區(qū)存在厚度達15、16m的湖積相淤泥及淤泥質(zhì)土層(表1)。

1.2 地下水

該場地地下水類型可分為三種：其一為上層滯水，其下各黏性土層為相對隔水層；其二為孔隙承壓水；其三為基巖破碎帶裂隙水。類型二及類型三地下水均為承壓水，且兩層地下水存在密切的水力聯(lián)系。

1)上層滯水。賦存于第1-1層及1-2中，下部黏性土層為隔水層。補給來源為大氣降水、巡司河地表水及生活用水，水量較小，鉆孔穩(wěn)定水位埋深為0.20 ～ 3.80m，高程在 17.41～22.15 m，無統(tǒng)一自由水面，對基坑或基槽開挖有一定的影響。

表1 場地地層

2)基巖裂隙水。賦存于第7層中。含水層為泥質(zhì)膠結(jié)的非可溶性巖層，裂隙不太發(fā)育，勘探期間未測得該層地下水水位。由于該層地下水水位埋深大，對本工程影響較小。

場區(qū)附近無污染源分布，環(huán)境類型為Ⅲ類。根據(jù)所采取水樣資料，場地地下水對混凝土及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋有腐蝕性較小。

1.3 工程地質(zhì)特征

場地內(nèi)湖積相軟土主要是由天然含水量大、壓縮性高、承載能力低的淤泥沉積物及少量腐殖質(zhì)所組成的土，主要為場地內(nèi)的淤泥及淤泥質(zhì)土層(表2)。

2 基坑設(shè)計與施工

根據(jù)武漢地區(qū)建筑經(jīng)驗，在長江三級階地低洼湖區(qū)，適宜的基坑支護方式有雙排樁+樁間加固、單排樁+被動區(qū)加固和單排樁+內(nèi)支撐等支護方式。本項目根據(jù)基坑各段不同的開挖深度，以及周邊環(huán)境特點，采用不同的支護方案：基坑南側(cè)，自然地面較高，采用雙排樁+樁間粉噴樁加固支護方式；基坑?xùn)|北側(cè)，采用懸臂樁+粉噴樁被動區(qū)加固支護方式；一、二層地下室之間，采用懸臂樁+粉噴樁被動區(qū)加固支護方式；北側(cè)及西側(cè)方便設(shè)置內(nèi)支撐的部位采用排樁+內(nèi)支撐方式；二層地下室西側(cè)采用雙排樁+樁間粉噴樁加固+被動區(qū)粉噴樁加固支護方式。下面對基坑南側(cè)基坑支護方式進行詳細研究。

表2 場地軟土層物理力學(xué)指標

基坑南側(cè)采用雙排樁+樁間粉噴樁加固支護方式，雙排樁采用鉆孔灌注樁，樁徑φ800mm，樁長18.50～20.50m。雙排樁采用4排φ500mm，樁長10.00m。設(shè)計支護結(jié)構(gòu)計算變形量及安全系數(shù)均在規(guī)范允許范圍之內(nèi)。施工單位按照設(shè)計圖紙要求進行了基坑支護結(jié)構(gòu)施工。

3 基坑變形及監(jiān)測

基坑南側(cè)區(qū)段于2017年元月上旬開始開挖。隨著開挖進行，支護結(jié)構(gòu)外軟弱土體發(fā)生較大的蠕變變形，再加上南側(cè)局部工程樁接樁，存在超挖現(xiàn)象。后由于基坑南側(cè)場地外大量堆土，基坑南側(cè)支護結(jié)構(gòu)在土壓力作用下，向基坑內(nèi)側(cè)發(fā)生較大的變形。

2017年3月26日在基坑南側(cè)的CX1監(jiān)測點累計變形為-60.4mm；變形速率為-2.8mm/d，累計變形已超規(guī)范允許值，且連續(xù)幾天變形速率較大。同時，基坑支護結(jié)構(gòu)坡頂出現(xiàn)拉張裂隙，支護樁之間土體出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。

1)地表水平位移。累計最大位移測點為ZQS35測點。初測日期：2017年 4月7日； 至5月14日累計位移量：-532.9mm(圖1)。

2)深層水平位移。累計最大位移測點為XZCX18測點。初測日期：2017年4月2日，至5月11日累計位移量：-430.9mm(圖2)。

3)地表沉降監(jiān)測。累計最大位移測點為CJ9測點。初測日期：2017提 2月11日，至5月14日累計位移量：-35.7mm(圖3)。

各監(jiān)測點累計位移值與平面位置的關(guān)系圖4所示。

圖1 地表水平位移監(jiān)測 時間-位移Figure 1 Ground surface horizontal displacement monitoring time-displacement curve

圖2 深層水平位移監(jiān)測 時間-位移曲線Figure 2 Deep-seated horizontal displacement monitoring time-displacement curve

圖3 地表沉降監(jiān)測 時間-位移曲線Figure 3 Ground surface settlement monitoring time-displacement curve

圖4 監(jiān)測點累計位移值與平面位置關(guān)系Figure 4 Relationship between monitoring point cumulative displacement value and planimetric position

圖4中縱坐標為各測點累計變化量，橫坐標為各測點在南側(cè)基坑由東向西的距離。

從圖1、圖2、圖3來看，2017年4月中旬之前，支護結(jié)構(gòu)變形速率較穩(wěn)定，曲線呈直線段，這時，支護結(jié)構(gòu)后土體處于主動土壓力狀態(tài)。4月底開始，土體由于蠕變作用，土體開始出現(xiàn)大變形狀態(tài)，土體中滑動面連接起來，土體變形速率加大，土體產(chǎn)生深層滑移。土體變形量受裂隙面殘余強度控制。土體下滑力大于裂隙面抗滑力，剩余下滑力作用下，支護結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)產(chǎn)生大變形。也即，軟土在時間作用下，會因為臨空而產(chǎn)生較大的蠕變變形，同時也證明了軟土的流變性、蠕變性較大。

圖4表明，軟土臨空時，空間效應(yīng)也會非常明顯。在一個長的支護斷面中，位于中間部位的支護結(jié)構(gòu)變形大于角部約束部位。軟土變形的空間效應(yīng)明顯。采取卸載基坑南側(cè)堆載土體和回填反壓后，各監(jiān)測數(shù)據(jù)變形速率減緩，逐步趨于穩(wěn)定。

4 基坑變形原因分析

本工程南側(cè)支護結(jié)構(gòu)變形過大的原因主要有如下幾方面：

1)基坑南側(cè)場外堆土高度達10余米，堆土的土方系旁邊其他工程開挖的淤泥及淤泥質(zhì)土層?；油练介_挖后，南側(cè)場外堆土在基坑坑底卸載后，產(chǎn)生較大的深層位移。當土體中滑移面連通后，土體下滑力作用下，支護結(jié)構(gòu)變形量增大。

2)南側(cè)雙排樁間粉噴樁強度不能滿足設(shè)計要求，粉噴樁與雙排樁之間未采用高壓旋噴樁進行密貼處理。支護結(jié)構(gòu)后的土體產(chǎn)生大變形后，雙排樁無法很好的傳力以協(xié)同抵御土體變形。

3)土體中有機質(zhì)含量較高。在有機質(zhì)含量特別高的區(qū)段，粉噴樁無法正常固結(jié)，因此，土體抗剪強度較低。

4)方案設(shè)計，采用的是庫倫主動土壓力理論，雖然計算變形量滿足要求，但由于計算軟件的適用性問題，無法解決場外高堆土在剩余下滑力作用下產(chǎn)生的土體滑坡問題。

5)被動區(qū)存在深厚的淤泥及淤泥質(zhì)土層，支護結(jié)構(gòu)在剩余下滑力作用下產(chǎn)生大變形時，被動區(qū)土體可提供的被動土壓力有限，進而產(chǎn)生剪切破壞。

5 結(jié)語

本基坑南側(cè)支護結(jié)構(gòu)大變形造成基坑支護結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的工程實例，可以給予我們一些警示：

1)對于深厚軟土區(qū)的基坑，不管計算變形如何，當基坑被動區(qū)仍存在深厚軟土時，應(yīng)考慮設(shè)置坑內(nèi)被動區(qū)土體加固措施。并且，一定要進行現(xiàn)場試樁試驗，尤其是土體中有機質(zhì)含量較高時，一定通過現(xiàn)場試樁結(jié)果確定水泥摻量以及成樁方法。建議優(yōu)先選擇成樁質(zhì)量較好的高壓旋噴樁或者是三軸攪拌樁進行被動區(qū)土體加固施工，必要時，可加入粉煤灰、生石灰等加固水泥固化。

2)對于基坑周邊存在高差較大的堆土的基坑，或者是基坑周邊地形標高差異較大時，應(yīng)考慮堆土邊坡或者是標高較大的樁頂放坡段邊坡失穩(wěn)、滑移的可能性，而不能簡單的將這些堆土或者是高邊坡考慮為地面超載按庫倫主動土壓力理論進行支護結(jié)構(gòu)設(shè)計。若有滑移的可能性，應(yīng)按照抗滑樁理論進行基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3)在限制支護結(jié)構(gòu)變形方面，排樁+內(nèi)支撐對支護結(jié)構(gòu)變形的可靠度最高，因此，當基坑形狀、大小方便設(shè)置內(nèi)支撐時，應(yīng)盡可能采用這種支護結(jié)構(gòu)。

參考文獻:

[1]葛瀟.軟土地區(qū)基坑開挖引起的殘余應(yīng)力特性研究[J].城市道橋與防洪，2013，(10)：119-122.

[2]廖輝燦.軟土地區(qū)基坑開挖監(jiān)測的實踐與應(yīng)用[J].福建建設(shè)科技，2017，(02):9-11.

[3]王端陽.軟土基坑開挖的變形分析研究[J].天津建設(shè)科技，2015，(S1):16-17.

[4]王常明，王清，等.濱海軟土蠕變特性及蠕變模型[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，(02):227-230.

[5]李世軍，林詠梅.上海淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的Singh-Mitchell模型[J].巖土力學(xué)，2000,21(04):363-366.

[6]詹關(guān)禮，錢家歡，等.軟土流變特性試驗及流變模型[J].巖土工程學(xué)報，1993，15(03):54-62.

[7]朱新勇，周石喜.軟土基坑開挖與支護施工技術(shù)[J].山西建筑，2014，(04):156-157.

[8]孔德森，門燕青,等.軟土深基坑坑底抗隆起穩(wěn)定性數(shù)值分析[J].巖土工程學(xué)報，2010,(07):186-190.

[9]宋曉宇,考慮強度各向異性的軟土基坑抗隆起穩(wěn)定性上限分析[D].上海：同濟大學(xué)，2017.

[10]李昱.深基坑隆起破壞的模糊可靠度分析[J].土工基礎(chǔ)，2006,30(15):96-97.

[11]李珍，張直云,等.基坑支護結(jié)構(gòu)中土體變形機理分析[J].中國水運，2015,(02):308-310.

[12]曾國熙，潘秋元,等.軟黏土地基基坑開挖性狀的研究[J].巖土工程學(xué)報,1988,(03):04-06.

[13]唐夢雄，趙錫宏.深基坑周圍地表沉降及變形分析[J].建筑科學(xué)》，1996,(04):31-35.

[14]高文華，楊林德,等.軟土深基坑支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形時空效應(yīng)的影響因素分析[J].土木工程學(xué)報，2001,34(05):90-95.

[15]楊雪強，劉祖德,等.論深基坑支護的空間效應(yīng)[J].巖土工程學(xué)報》，1998，20(02):74-78.