樁錨-土釘墻支護基坑變形特性分析

——以昆明某基坑支護工程為例王國洪，劉華寧

(1.江蘇興水建設(shè)工程有限公司，江蘇南京 210001；2.江蘇省水利建設(shè)工程有限公司，江蘇揚州 225003)

樁錨-土釘墻支護基坑變形特性分析

——以昆明某基坑支護工程為例王國洪1，劉華寧2

(1.江蘇興水建設(shè)工程有限公司，江蘇南京 210001；2.江蘇省水利建設(shè)工程有限公司，江蘇揚州 225003)

在昆明某基坑支護工程中采用樁錨-土釘墻聯(lián)合支護體系的基坑支護方案，并對基坑開挖過程中周邊土體水平位移、沉降及周邊建筑物處土體沉降進行了監(jiān)測分析。結(jié)果表明，基坑開挖過程中周邊土體最大水平位移接近15 mm，最大沉降接近22 mm，周邊建筑物處土體最大沉降接近20 mm，均小于變形預(yù)警值，達到基坑支護要求。

巖土力學(xué)；土釘墻；樁錨；變形；沉降；基坑監(jiān)測

土釘墻由于其造價經(jīng)濟、施工快捷簡單等優(yōu)點，近年來在基坑支護工程中得到了較為廣泛的應(yīng)用[1-8]。隨著土釘墻在基坑支護中的大量應(yīng)用，人們對其在基坑支護過程中的受力機理也進行了較多的研究[9-12]。趙德剛等[9]結(jié)合實際工程，采用平面有限元程序分析了復(fù)合土釘墻和攪拌樁重力壩的變形特性，基于硬化模型模擬了土在卸荷條件下的變形特性，并在數(shù)值分析中利用強度折減法分析基坑開挖后的穩(wěn)定性。秦四清等[10]基于自主開發(fā)的SnEpFem土釘有限元分析系統(tǒng)，分析了預(yù)應(yīng)力施加位置及水平、坡面水平位移、坡頂沉降及其范圍、坑底隆起、張拉和塑性區(qū)的作用機制，并對一工程實例進行了位移對比分析，驗證了SnEpFem 系統(tǒng)的可靠性。宋二祥[11]對復(fù)合土釘支護中卸載條件下土體變形模式、模型參數(shù)的選用以及開挖過程的模擬等問題進行了探討，并通過計算分析了水泥攪拌樁與土釘聯(lián)合形式的復(fù)合土釘支護的工作性能，加深了人們對復(fù)合土釘支護機理的理解。

目前對土釘支護的研究主要集中在其受力特點及破壞模式上[13-16]，對于采用土釘墻支護的基坑的周邊土體變形特征卻較少報道。采用護坡預(yù)應(yīng)力排樁加土釘墻的基坑支護形式能充分發(fā)揮護坡排樁的擋土作用，使基坑周邊土體保持穩(wěn)定，控制周邊土體變形，最終達到經(jīng)濟、安全、高效的基坑支護目的。

本文針對中國移動云南有限公司呈貢通信生產(chǎn)樓基坑支護工程(其采用土釘墻加護坡預(yù)應(yīng)力排樁的基坑支護形式)，對基坑開挖過程中土體的變形進行了監(jiān)測。通過對基坑周邊土體變形數(shù)據(jù)的分析，總結(jié)土體變形規(guī)律，并判斷基坑支護方案是否滿足設(shè)計要求，對其他類似工程有一定參考作用。

1 工程概況

由中國移動通信集團云南有限公司興建的呈貢通信生產(chǎn)樓及區(qū)域服務(wù)中心建設(shè)工程位于昆明市呈貢區(qū)東部新城區(qū)，彩云北路西側(cè)。整個建筑根據(jù)使用要求在地上劃分為通信生產(chǎn)綜合樓、附屬樓和營業(yè)廳3個主體, 場地面積約20 713.82 m2。該工程基坑開挖邊線距離周邊市政主干道及區(qū)行政中心較近，周邊場地環(huán)境復(fù)雜，基坑邊線填土較厚(局部達10 m厚)，基坑平均開挖深度接近10 m，基坑開挖深度較大。為了減小基坑周邊位移，確保周邊道路、建筑物安全，從安全、經(jīng)濟和施工工期等因素考慮，基坑總體支護方案為土釘墻+護坡預(yù)應(yīng)力錨樁，即基坑?xùn)|側(cè)和南側(cè)采用土釘墻支護，坑周壁根據(jù)地層及地面荷載情況分段采用土釘掛網(wǎng)噴砼支護，北側(cè)和西側(cè)采用護坡排樁+土釘墻聯(lián)合支護以保護城市道路，基坑?xùn)|北角局部夾有泥炭質(zhì)土，采用護坡樁+土釘墻支護。

2 工程地質(zhì)概況

根據(jù)巖土勘察報告，勘察鉆孔揭露深度范圍內(nèi)土層，按成因類型，結(jié)合巖性與物理力學(xué)特征劃分為6個單元，6個亞層，1個透鏡體，其中對基坑支護影響較大的地層現(xiàn)自上而下分述如下。

2.1 第四系人工填土(Qml)

1)素填土：棕紅、灰黃色，由黏土組成，自由膨脹率為26%～38%。厚度為3.50～12.20 m，平均為4.65 m，整個場區(qū)均有分布。

2)耕植土：褐灰色，由黏土組成，含有少量植物根莖及炭屑，結(jié)構(gòu)疏松，欠固結(jié)，厚度為0.20～1.70 m，平均為0.75 m，整個場區(qū)均有分布。

2.2 第四系沖洪積層(Qal+pl)

黏土：棕紅、灰黃色，硬～堅硬狀，刀切面光滑，韌性及干強度高，該層土具有黏土特征，平均含水率為62%，硬塑狀態(tài)。頂板埋深為4.20～9.30 m，厚度為0.50～13.40 m，平均為5.41 m，整個場區(qū)均有分布。

2.3 第四系沖湖積層(Qal+l)

黏土：淺灰色，硬塑～堅硬狀，刀切面光滑，韌性及干強度高，頂板埋深為6.70～23.30 m，厚度為0.40～12.20 m，平均3.66 m，分布于場區(qū)東側(cè)。

泥炭質(zhì)土：黑色，可塑～硬塑狀，有機質(zhì)含量為27.5%，具高孔隙比(e=2.176)，高含水量(W=104.2%)，具中壓縮性(a1-2=0.45 MPa-1),局部為高壓縮性(Es1-2=7.92 MPa),頂板埋深為9.80～20.10 m，厚度為0.60～3.70 m，平均2.34 m，呈透鏡體分布于本層黏土中。

2.4 第四系殘坡積層(Qel+dl)

粉質(zhì)黏土：紫紅、棕黃色，硬～堅硬狀，刀切面光滑，韌性及干強度高，頂板埋深為5.60～31.00 m，厚度為3.50～28.70 m，平均為19.89 m，整個場地均有分布。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，場地內(nèi)無地表水體。場地地下水類型為第四系松散層孔隙水，主要含水層有填土、黏土、粉質(zhì)黏土、泥炭質(zhì)土，無統(tǒng)一地下水水位，基坑開挖深度為6.6～11.2 m，各土層主要物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 各土層主要物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表

注：表中帶*號的為經(jīng)驗數(shù)據(jù)。

3 基坑支護方案

本基坑安全等級為一級，平均開挖深度接近10 m，考慮施工工期、工程安全及經(jīng)濟性要求，基坑支護方案采用土釘墻+護坡排樁支護形式。上部邊坡采用1∶1放坡開挖，設(shè)置兩排土釘，雙排土釘深度方向間隔為1.5 m，水平方向間隔為1.5 m。其中上排土釘長度為6 m，下排土釘長度為9 m，雙排土釘傾斜角為15°。上部邊坡土釘施工結(jié)束之后對坡面噴射混凝土，噴射混凝土面層采用C20混凝土，面層厚度為100 mm，配置雙向Φ8 mm鋼筋網(wǎng)，鋼筋間距為200 mm。

由于場地限制及基坑穩(wěn)定性要求，基坑下部采用護坡排樁+錨索支護形式。護坡排樁為現(xiàn)澆灌注樁，樁徑為600 mm，樁頂部設(shè)置兩排預(yù)應(yīng)力錨索，錨索深度方向間隔為3.4 m，水平方向間距為3 m。其中上排錨索自由段長度為6 m，錨固段長度為12 m，下排錨索自由段長度為6 m，錨固段長度為10 m，兩排預(yù)應(yīng)力錨索傾斜角為25°。具體基坑支護結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1所示。

圖1 基坑支護結(jié)構(gòu)剖面圖

4 基坑監(jiān)測及結(jié)果分析

4.1 基坑監(jiān)測控制標準

基坑監(jiān)測是基坑信息化施工的重要保障，通過基坑監(jiān)測可以實時了解基坑穩(wěn)定狀態(tài)，并依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)實時調(diào)整基坑施工手段，確保周邊建構(gòu)筑物、道路及施工人員的安全。

依據(jù)規(guī)范及設(shè)計要求，在基坑周邊15～20 m布置沉降觀測點，并在周邊建構(gòu)筑物、道路上布置沉降觀測點，以監(jiān)測在基坑施工過程中周邊環(huán)境的變化，保證基坑自身及臨近建構(gòu)筑物的安全穩(wěn)定性，另外在基坑邊緣2.5，4 m處打設(shè)2個測斜孔以觀測基坑開挖過程中土體深度方向水平位移變化情況。基坑監(jiān)測頻率為2天，若遇暴雨及異常情況，加密監(jiān)測頻率。

本基坑工程安全等級為一級，依據(jù)工程規(guī)范[17]，墻頂豎向位移報警值為45 mm，水平位移報警值為35 mm，基坑周邊沉降預(yù)警值為25 mm。基坑監(jiān)測資料及時報施工、設(shè)計、監(jiān)理單位，當(dāng)變形值過大或變形速率過快時，應(yīng)立即分析處理，并采取相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案措施，基坑變形控制要求見表2。

表2 基坑監(jiān)測要求

本基坑監(jiān)測在基坑北側(cè)區(qū)域布置了5個沉降觀測點，編號分別為N-1—N-5，在基坑南側(cè)區(qū)域布置了5個沉降觀測點，分別為S-1—S-5，此外，在基坑北邊界及南邊界布置了2個測斜孔，分別為C-1，C-2，其中C-1距離基坑邊界為2 m，C-2觀測點距基坑邊界為4.5 m。為了分析基坑開挖對周邊建筑物的影響，在基坑西側(cè)兩棟建筑物周邊，分別布置了5個沉降觀測點，觀測點編號分別為NJ-1—NJ-5，SJ-1—SJ-5。具體沉降監(jiān)測點及測斜孔布置圖見圖2。

圖2 基坑監(jiān)測點布置平面圖

4.2 基坑監(jiān)測結(jié)果

4.2.1 基坑周邊土體水平位移

為了分析在基坑開挖過程中周邊土體深度方向水平位移的大小，在基坑北邊界及南邊界設(shè)置2個測斜孔，測斜孔距離基坑開挖邊緣分別為2.5，4 m。兩側(cè)斜孔水平位移圖如圖3和圖4所示，需要說明的是，圖中所指的水平位移為測斜孔絕對位移，實際土體水平位移為不同日期絕對位移差值。

圖3 C-1測點水平位移圖

圖4 C-2測點水平位移圖

從圖3和圖4可以看出，隨著基坑開挖深度的不斷增大，基坑周邊土體水平位移不斷增加，且距基坑邊緣4.5 m處的觀測點其水平位移大小要小于距基坑邊緣2.5 m處水平位移觀測點。對于C-1測斜孔，在監(jiān)測范圍內(nèi)土體最大水平位移接近15 mm，而C-2孔在監(jiān)測期間內(nèi)最大水平位移僅有5 mm左右，兩孔最大水平位移均位于地表面。

施工開挖步驟對水平位移變化速率有著重要影響，在基坑開挖初期，由于是采用放坡開挖加土釘支護的形式進行基坑支護，基坑周邊上部土體水平位移速率變化較快。到2012-02-05之后，土釘墻支護已經(jīng)施工完成，基坑開始進行排樁下方土方開挖。由于排樁加錨索的支護形式其支護剛度大，周邊土體水平位移變化較小，土體水平位移主要集中在基坑土釘支護深度范圍內(nèi)，主要是由周邊道路車輛荷載及場地內(nèi)一些零星堆載所引起，排樁支護深度范圍內(nèi)土體水平位移變化很小。

對于C-2測斜孔而言，其水平位移變化規(guī)律與C-1孔基本一致，但由于其距基坑開挖邊緣較遠，其土體水平位移值較小。此外需要說明的是，由于施工操作的影響，C-2測斜孔在后期遭到破壞，無法獲得排樁下土方開挖過程中土體的水平位移觀測數(shù)據(jù)。

根據(jù)對基坑開挖中土體水平位移的分析，土體在開挖過程中最大水平位移均未超過監(jiān)測預(yù)警值20 mm，表明采用土釘+護坡排樁的基坑支護形式，達到了基坑支護要求。

4.2.2 基坑周邊土體豎向沉降

基坑開挖引起周邊土體沉降如圖5—圖6所示，由于基坑面積較大，在基坑北側(cè)區(qū)域布置沉降觀測點5個，在基坑南側(cè)布置沉降觀測點5個，沉降觀測點位置分布見圖2。

圖5 基坑北側(cè)土體沉降曲線

圖6 基坑南側(cè)土體沉降曲線

從圖中可以看出，基坑開挖引起的土體沉降主要集中在土釘墻施工階段，在這一階段土體沉降速率較大，對于北側(cè)基坑周邊土體而言，其最大沉降值為19 mm，位于N-5觀測點附近，南側(cè)基坑周邊土體最大沉降值為22 mm，位于S-5觀測點附近。

在土釘墻支護階段，由于采用開挖放坡的形式，土釘墻剛度相對較小，土體沉降速率較大，在排樁下方土體開挖階段，由于排樁+預(yù)應(yīng)力錨索支護剛度較大，土體沉降區(qū)域穩(wěn)定，土體變形較小。為了監(jiān)測基坑開挖對基坑北側(cè)主干道的影響，在主干道外側(cè)布置沉降觀測點N-1，從該點土體沉降曲線來看，由于該觀測點距基坑開挖距離較遠，該處土體最大沉降為5 mm，說明基坑開挖對主干道的正常運營影響較小，滿足變形要求。

基坑南北兩側(cè)土體最大沉降點分別位于觀測點S-5，N-5，這可能是因為在該部位基坑形狀變化差異較大，拐角較多，且土釘墻支護深度較深，支護剛度較小，綜合以上因素考慮，在該部位基坑周邊土體沉降較大。

根據(jù)對基坑開挖過程中周邊土體沉降的分析，土體在開挖過程中最大水平位移均未超過監(jiān)測預(yù)警值25 mm，表明本工程所采用的基坑支護形式，達到了基坑變形控制要求。

4.2.3 周邊建筑物土體豎向沉降

為了分析基坑開挖對周邊建筑物的影響，在基坑西側(cè)兩棟建筑物周邊分別布置了5個沉降觀測點，以監(jiān)測周邊建筑物處土體沉降變化情況，建筑物沉降觀測點布置見圖2。兩棟建筑物處土體沉降變化曲線如圖7和圖8所示。

圖7 北側(cè)建筑物周邊土體沉降圖

圖8 南側(cè)建筑物周邊土體沉降圖

從圖7和圖8可以看出，由于2棟建筑物距離基坑開挖邊緣較近，其周邊土體變形值也較大，最大變形值接近20 mm，但均小于沉降預(yù)警值。與基坑周邊土體沉降變形規(guī)律一致，土體沉降變化較大階段主要集中在土釘墻支護階段，在護坡排樁下部土體開挖階段，土體沉降基本保持穩(wěn)定。從圖中還可以看出，雖然建筑物周邊各監(jiān)測點土體沉降規(guī)律基本一致，但不同觀測點處土體沉降值差別較大，總體表現(xiàn)為距離基坑開挖邊緣越近，土體沉降值越大，因此在基坑開挖過程中不僅需要對周邊建筑物周邊土體絕對沉降進行監(jiān)測，還需對建筑物周邊土體差異沉降進行分析，從而確保在基坑開挖過程中周邊建筑物的穩(wěn)定性。

5 結(jié) 語

1)采用土釘墻+護坡排樁基坑支護形式，基坑周邊土體變形主要集中在土釘墻施工階段內(nèi)，排樁下部土體開挖階段基坑變形較小，因此在基坑施工過程中需重點關(guān)注初期土釘墻施工階段基坑周邊土體變形狀況，確保工程施工的順利進行。

2)在本基坑開挖過程中，基坑周邊土體水平位移、沉降值及周邊建筑物土體沉降值均小于預(yù)警變形值，表明采用土釘墻+護坡排樁的支護形式周邊土體變形可控，滿足支護要求。

3)在地下水位較低的場地中，土釘墻+護坡排樁基坑支護方式施工速度較快，支護效果較好，工程造價經(jīng)濟，適用于開挖深度在10 m以內(nèi)的基坑。

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Deformation analysis of foundation pit supported by soil nailing wall-anchored pile system:

Taking a foundation pit excavation project in Kunming as exampleWANG Guohong1, LIU Huaning2

(1.Jiangsu Xingshui Jianshe Gongcheng LTD, Nanjing, Jiangsu 210001, China; 2. Jiangsu Hydraulic Engineering Construction Company LTD, Yangzhou, Jiangsu 225003, China)

The supporting scheme of soil nailing wall combined with anchored pile was applied in a foundation pit excavation project in Kunming. The soil horizontal displacement and soil settlement around the foundation pit, and the soil settlement near the adjacent buildings were monitored and analyzed. The result shows that the maximum horizontal displacement is about 20 mm, the maximum soil settlement is 22 mm, and the soil settlement near the adjacent buildings is about 20 mm. All the soil deformation values are smaller than the prewarning value, showing that the scheme meets the foundation excavation requirement.

rock and soil mechanics; soil nailing wall; anchored pile; deformation; settlement; foundation pit monitoring

1008-1534(2015)06-0503-06

2015-06-15;

2015-09-10；責(zé)任編輯：馮 民

王國洪(1967—)，男，江蘇丹陽人，高級工程師，主要從事工程施工方面的研究。

E-mail:497171320@qq.com

TU413

A

10.7535/hbgykj.2015yx06007

王國洪，劉華寧.樁錨-土釘墻支護基坑變形特性分析[J].河北工業(yè)科技,2015,32(6):503-508. WANG Guohong, LIU Huaning.Deformation analysis of foundation pit supported by soil nailing wall-anchored pile system [J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2015,32(6):503-508.