深大異步聯(lián)合基坑支撐優(yōu)化及實(shí)測分析

袁運(yùn)濤,李蘇春,雷秋生

(江蘇省紡織工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,江蘇蘇州215128)

0 引 言

目前深大基坑工程實(shí)踐及研究熱點(diǎn)多集中于單體基坑開挖對(duì)周邊建(構(gòu))筑物的影響及圍護(hù)體系自身穩(wěn)定及變形的分析:劉興旺[1]對(duì)軟土地區(qū)部分基坑工程的圍護(hù)體最大側(cè)向變形、最大側(cè)向變形位置、鄰近建筑物的沉降等進(jìn)行了分析研究和總結(jié);孫凱[2]通過數(shù)值模擬對(duì)某深基坑實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析;安關(guān)峰[3]對(duì)廣州地鐵琶州塔站實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入探討,得到圍護(hù)體結(jié)構(gòu)位移及受力的關(guān)系;張建全[4]從時(shí)空效應(yīng)的角度出發(fā),評(píng)估了溫度對(duì)基坑的變形及受力的影響。

單體基坑的研究較為充分,但對(duì)不同步開挖的基坑變形及受力分析罕有研究[5]。

本文對(duì)某開挖不同步的深大聯(lián)合基坑進(jìn)行了詳細(xì)優(yōu)化介紹,并對(duì)實(shí)測結(jié)果進(jìn)行分析,為該類基坑提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

如圖1,擬建聯(lián)合基坑工程為兩部分,左側(cè)為A工程,東西寬約85 m,南北長約89 m,3層地下室,普遍區(qū)域挖深14.9 m;右側(cè)為B工程,東西寬約84 m,南北長約90 m,3層地下室,普遍區(qū)域挖深12.9 m。兩基坑地下室外墻間距4.5 m。A、B基坑四周為市政道路,85國家高程基準(zhǔn)約+3.00 m,其下管網(wǎng)密布,道路外側(cè)均為高層建筑。兩基坑工程施工需確保周邊道路、管線及周邊建筑物安全。

圖1 兩基坑基坑平面關(guān)系及周邊環(huán)境圖

2 場地內(nèi)工程及水文地質(zhì)概況

2.1 工程地質(zhì)概況

根據(jù)地質(zhì)詳勘報(bào)告,場區(qū)的工程地質(zhì)概括如表1。

表1 基坑內(nèi)各土層性質(zhì)表

基坑底部大部分區(qū)域位于(3-2)粉土和(3-3)粉質(zhì)粘土夾粉土層中。

2.2 水文地質(zhì)概況

根據(jù)勘探揭露的地層結(jié)構(gòu),基坑影響范圍內(nèi)場地地下水可分為潛水、微承壓水層。

(1)潛水

淺層孔隙潛水賦存于表層填土層中,分布不均勻,水量較小,穩(wěn)定水位標(biāo)高為0.80 m～1.55 m。

下伏(2)粘土層、(3-1)粉質(zhì)粘土層透水性差,是潛水含水層與微承壓含水層之間的相對(duì)隔水層。

(2)微承壓水

微承壓水主要貯存于(3-2)粉土中,本層土透水性及賦水性中等,是對(duì)本工程影響較大的含水層,主要接受側(cè)向徑流補(bǔ)給及越流補(bǔ)給,其相應(yīng)水頭標(biāo)高為0.55 m～0.72 m。

3 工程特點(diǎn)及優(yōu)化對(duì)比分析

3.1 工程特點(diǎn)

周邊環(huán)境較復(fù)雜、距離紅線較近且挖深較深,故采用垂直圍護(hù)體系:兩基坑均采用φ 900鉆孔灌注樁作為擋土結(jié)構(gòu),外側(cè)采用φ 850@1200三軸攪拌樁落底式止水帷幕,內(nèi)部采用三道鋼筋混凝土內(nèi)支撐體系,采用臨時(shí)鋼立柱及柱下鉆孔灌注樁作為水平支撐系統(tǒng)的豎向支承構(gòu)件。基坑坑內(nèi)采用管井降水+明溝集水井的排水方式。

兩基坑中間交界處剖面相對(duì)位置關(guān)系見圖2。

圖2 兩基坑交界處剖面關(guān)系

兩基坑結(jié)構(gòu)外墻之間凈距4.50 m,B工程結(jié)構(gòu)底板邊緣距離A基坑已施工鉆孔樁凈距僅為0.38 m,無法重新設(shè)置鉆孔樁,造成兩基坑中間鉆孔樁成為分隔墻結(jié)構(gòu)。

根據(jù)兩基坑實(shí)際施工進(jìn)度,在B基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)方案之前A基坑圍護(hù)樁已打設(shè)完畢,且采用3道環(huán)撐體系,導(dǎo)致雙方工期不同步;兩基坑工期安排如表2。

表2 兩基坑工序時(shí)間表

從表2看出,A基坑施工進(jìn)度始終領(lǐng)先B基坑,工況2～5兩基坑開挖最大落差為7.6 m,是本工程分析的重點(diǎn)。

綜上,本工程是較為典型的開挖工況不一致且共體的深大復(fù)雜基坑。

3.2 支撐優(yōu)化及受力分析

針對(duì)以上工程特點(diǎn),對(duì)三個(gè)方案計(jì)算分析,比選最優(yōu)支護(hù)體系。

3.2.1 計(jì)算模型的選擇

采用有限元模型計(jì)算:土體采用實(shí)體單元,并采用摩爾—庫倫本構(gòu)模型,參數(shù)根據(jù)勘察報(bào)告取值;混凝土結(jié)構(gòu)體采用彈性實(shí)體單元;內(nèi)支撐采用彈性桿單元;采用Goodman單元作為土體與混凝土結(jié)構(gòu)的接觸面模型,其余部分依據(jù)以往類似設(shè)計(jì)取相應(yīng)參數(shù)。

整個(gè)開挖工序按照表2計(jì)算;圍護(hù)體位移控制值為30 mm。

3.2.2 多方案介紹及計(jì)算

(1)方案一

A基坑采用3道水平環(huán)撐體系;B基坑采用十字對(duì)撐+角撐+邊桁架水平支護(hù)。

A基坑支撐整體受力較為復(fù)雜,對(duì)施工技術(shù)要求高;若B基坑也采用環(huán)撐體系,則增加結(jié)構(gòu)整體受力的復(fù)雜程度,基坑變形難以控制。故采用鋼筋混凝土角撐+對(duì)撐體系,各角區(qū)形成獨(dú)立的受力體系,減少不利影響的范圍,如圖3所示。

圖3 方案一

計(jì)算結(jié)果表明:A基坑環(huán)撐最大水平位移為15.3 mm,A、B交界處圍護(hù)體最大水平位移為23.9 mm。

冠梁及圍檁最大彎矩為1 834 kN,最大剪力出現(xiàn)在兩基坑交界處的圍檁上,為1 496 kN。

在環(huán)撐靠近交界處位置部分連桿出現(xiàn)拉力,最大值為-171 kN。

(2)方案二

考慮到基坑施工過程影響因素較多,難以達(dá)到以上理想計(jì)算狀態(tài),在兩基坑交界處A側(cè)邊增設(shè)一榀邊桁架,如圖4。

經(jīng)計(jì)算,A基坑環(huán)撐最大水平位移為10.6 mm,A、B交界處圍護(hù)體最大水平位移為13.0 mm,均小于變形控制值。

圖4 方案二

冠梁及圍檁最大彎矩為1 793 kN,最大剪力出現(xiàn)在B基坑?xùn)|側(cè),為1 274 kN。

在環(huán)撐靠近交界處位置部分連桿出現(xiàn)拉力,最大值為-83 kN。

同方案一相比,交界處圍護(hù)樁水平變位最大減幅45.6%,平均減幅34.5%;A基坑環(huán)撐水平變位最大減幅31.6%,平均減幅23.7%。

(3)方案三

此時(shí)A基坑尚未打設(shè)立柱樁等基坑內(nèi)圍護(hù)設(shè)施,經(jīng)協(xié)商,最終采用圖5所示統(tǒng)一的聯(lián)合支護(hù)體系。

圖5 方案三

方案三聯(lián)合基坑圍護(hù)樁計(jì)算最大水平位移為24.0 mm,出現(xiàn)在東西兩側(cè)中部,冠梁及圍檁最大彎矩為1 355 kN,最大剪力出現(xiàn)在兩基坑交界處,為1 223 kN。

同方案一相比,圍護(hù)樁水平變位平均減幅25.7%;同方案二相比,圍護(hù)樁水平變位平均減幅13.2%。

以上計(jì)算結(jié)果表明:

(1)方案三圍護(hù)樁總體變形小于前兩者,但在東西角撐開口位置變形大于前兩者。

(2)方案三冠梁及圍檁受力最大值小于前兩者,且受力更為均勻。

3.2.3 各方案綜合對(duì)比分析

(1)安全性

多道環(huán)撐體系的深基坑圍護(hù)工程受力較為復(fù)雜,周邊不對(duì)稱卸荷對(duì)其安全性及穩(wěn)定性的影響尚有待進(jìn)一步分析[6-9]。方案一及方案二支撐體系不均衡,對(duì)先期實(shí)施的環(huán)撐影響較大,計(jì)算結(jié)果表明部分連桿出現(xiàn)較大拉力,存在拉裂的風(fēng)險(xiǎn);方案三支撐體系較為對(duì)稱,受力相對(duì)合理,計(jì)算表明東西兩角撐交界處變形較大,但在容許范圍內(nèi);總體來看方案三優(yōu)于前兩者。

(2)經(jīng)濟(jì)性

A基坑圍護(hù)總造價(jià)三個(gè)方案較為接近(方案一/二為879.3萬元、方案三為923.5萬元),但B基坑支撐桿件及臨時(shí)立柱減少較為明顯,總造價(jià)方案一～三分別為935.0萬元、1 072.8萬元、862.9萬元;方案三造價(jià)總體低于前兩者。

(3)施工便捷性

環(huán)形支撐體系中部可預(yù)留較大的挖土空間,加快施工進(jìn)度,但周邊輻撐及連桿往往比較密集,往往導(dǎo)致挖土工效降低;方案一及方案二兩基坑交界處桿件較為密集,限制了土方開挖的速度;方案三中兩基坑交界處已打設(shè)的圍護(hù)樁兼做擋土用懸臂式鉆孔灌注樁,保證兩基坑相對(duì)獨(dú)立、便捷地挖除中部土方,減少彼此施工干擾。

4 實(shí)測結(jié)果分析

本工程于2010-03-25開始挖土,2011-01-28基坑回填結(jié)束,本文關(guān)注于兩基坑交界處深層水平位移及軸力在空間上的變化規(guī)律;圍護(hù)樁深層水平位移監(jiān)測點(diǎn)CE1～CE7,軸力監(jiān)測點(diǎn)ZL1～ZL3測點(diǎn),位置如圖5。

由表2雙方工序時(shí)間表可知,在工況2、3、5情況下,雙方基坑開挖深度及落差較大,是影響本工程安全的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),提取相應(yīng)監(jiān)測結(jié)果分析:

4.1 深層土體位移空間變化規(guī)律

4.1.1 深層土體位移豎向變化規(guī)律

取兩基坑交界處監(jiān)測點(diǎn)CE1及B基坑一般區(qū)域監(jiān)測點(diǎn)CE4,觀察其位移歷時(shí)曲線,如圖6。

兩監(jiān)測點(diǎn)結(jié)果表明:

(1)隨開挖的進(jìn)行,兩測點(diǎn)水平位移逐漸增大,最大水平位移出現(xiàn)在CE1點(diǎn)約6.0 m深度處,最大值22.2 mm;

(2)兩測點(diǎn)水平位移沿深度方向均為先增后減,呈弧形變化;比較CE1～CE7號(hào)測點(diǎn)后發(fā)現(xiàn),在21.0 m深度處深層水平位移均趨近于零,深層水平位移接近零點(diǎn)位置與開挖深度之比約為1.6,略小于以往1.7～2.2的監(jiān)測結(jié)果[1-4];

(3)基坑開挖至第二道支撐以后,CE1點(diǎn)在開挖面下4 m～5 m范圍內(nèi)深層水平位移值明顯大于CE4,CE5～CE7也反映出類似的規(guī)律;分析認(rèn)為,該位置A基坑側(cè)開挖已達(dá)到第三道支撐位置,削弱了該位置坑底土對(duì)圍護(hù)樁的約束。

圖6 深層水平位移點(diǎn)CE1、CE4全過程位移曲線

4.1.2 深層土體位移水平向變化規(guī)律

CE1～CE7深層土體位移最大值按開挖工況統(tǒng)計(jì),見表3。

表3 CE1～CE4深層土體位移最大值

各點(diǎn)深層水平位移增量沿垂直兩基坑交界面方向變化如圖7。

圖7 交界處深層水平位移增量變化圖

由表3及圖7可知,兩基坑工序的差別對(duì)該區(qū)域圍護(hù)樁深層土體位移產(chǎn)生較為明顯的影響:

(1)同一工況下,各測點(diǎn)位移累計(jì)量隨交界面距離的增大而減小,但增量總體逐漸趨近于零;由圖7可知影響范圍一般不超過15 m,兩基坑最大工序差7.60 m,兩者比值接近2.0。

(2)不同工況時(shí),各測點(diǎn)位移增量隨基坑開挖的進(jìn)行變化規(guī)律不明顯,原因在于側(cè)壁開挖速率不一致,導(dǎo)致增量波動(dòng)較大。

4.2 支撐軸力空間變化規(guī)律

取兩基坑交界處B側(cè)3榀對(duì)撐軸力監(jiān)測點(diǎn)ZL1～ZL3,其中第一道支撐對(duì)應(yīng)軸力ZL1-1～ZL1-3,第二道支撐對(duì)應(yīng)軸力ZL2-1～ZL2-3,其軸力監(jiān)測結(jié)果如表4。

表4 交界處軸力監(jiān)測結(jié)果

結(jié)果表明,同一工況條件下,沿垂直交界面方向軸力變化規(guī)律不明顯;不同工況條件下,同一監(jiān)測點(diǎn)變化規(guī)律亦不明顯。

這表明異步開挖交界處對(duì)圍護(hù)體變形產(chǎn)生一定影響,但混凝土內(nèi)支撐作為被動(dòng)受力體系,受力更多取決于該位置的土方開挖速率及溫度變化[4],異步開挖對(duì)支撐軸力的影響并不顯著,計(jì)算結(jié)果及實(shí)測均反映出類似規(guī)律。

5 結(jié) 語

本文詳細(xì)介紹了某深大異步共體基坑的優(yōu)化設(shè)計(jì),并對(duì)實(shí)測結(jié)果進(jìn)行了有針對(duì)性的分析,得出如下結(jié)論:

(1)對(duì)共體的深大基坑,在開挖不同步的情況下,宜盡可能采用較為可靠的平面支撐體系;特別是對(duì)于本文實(shí)例,不宜采用三道雙環(huán)形支撐體系,應(yīng)盡量避免方案一、二中支撐在水平面內(nèi)不對(duì)稱的情況,方案三不但受力合理,施工方便,圍護(hù)體系的變形及對(duì)周圍環(huán)境的影響也相對(duì)較小。

(2)深層水平位移接近零點(diǎn),與開挖深度之比約為1.6;交界面處先開挖基坑削弱了該處圍護(hù)樁的側(cè)向約束;深層水平位移累計(jì)量隨交界面距離的增大而減小;影響范圍約為開挖面高差的2倍。

(3)異步開挖對(duì)交界面附近一定范圍內(nèi)圍護(hù)體變形產(chǎn)生一定影響,但對(duì)內(nèi)支撐軸力影響不明顯。

[1]劉興旺,吳世明.軟土地區(qū)基坑開挖變形性狀研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),1999,21(4):456-460.

[2]孫凱,許振剛.深基坑的施工監(jiān)測及其數(shù)值模擬分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(2):293-298.

[3]安關(guān)峰,宋二祥.廣州地鐵琶州塔站工程基坑監(jiān)測分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2005,26(3):333-337.

[4]張建全.北京某深基坑工程施工監(jiān)測與成果分析[J].工程勘察,2010,(2):66-70.

[5]徐楊青.深基坑工程設(shè)計(jì)的優(yōu)化原理與途徑[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2001,20(2):248-251.

[6]葉強(qiáng),吳慶令.某深基坑工程的監(jiān)測分析與變形特性[J].巖土工程學(xué)報(bào),2010,32(2):541-544.

[7]何世秀,韓高升,莊心善,等.基坑開挖卸荷土體變形的試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2003,24(1):17-20.

[8]周小華.蘇州軌道交通1號(hào)線深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思考[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2010,8(4):166-168.

[9]龔曉南.關(guān)于基坑工程的幾點(diǎn)思考[J].土木工程學(xué)報(bào),2005,38(9):99-102.