黃土地區(qū)深基坑土壓力監(jiān)測與分析

趙　敏， 厲廣廣， 孟令冬

(西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院, 西安　710032)

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黃土地區(qū)深基坑土壓力監(jiān)測與分析

趙敏， 厲廣廣， 孟令冬

(西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院, 西安710032)

針對黃土地區(qū)深基坑的特點(diǎn)，結(jié)合具體土壓力監(jiān)測的工程實(shí)例，以西安市南門外某深基坑工程的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，分析深基坑在施工過程中土壓力的變化規(guī)律，得到一定的經(jīng)驗(yàn)性規(guī)律：黃土基坑開挖具有一定的時(shí)間和空間效應(yīng)，土壓力變化在空間上與監(jiān)測點(diǎn)埋深有關(guān)，埋深越大土壓力值越大，在時(shí)間上與監(jiān)測周期有關(guān)，呈先減小再增大再減小后趨于穩(wěn)定的趨勢，坑壁位移變化與監(jiān)測點(diǎn)所處位置有關(guān)，基坑邊角及坑角密集處監(jiān)測點(diǎn)位移要明顯大于遠(yuǎn)離坑角處位移，隨時(shí)間保持增長，其增長率逐漸較小，最終趨于穩(wěn)定?？颖谖灰谱兓c土壓力變化整體保持一致。

黃土；基坑；土壓力

引　言

黃土在我國，尤其是西北地區(qū)分布較為廣泛。由于黃土一般呈多孔狀，其透水性強(qiáng)，具有較強(qiáng)的滲透性[1]，且其具有垂直節(jié)理發(fā)育、層次不明顯、沉陷性和抗侵蝕性等多種復(fù)雜性質(zhì)。許多學(xué)者對黃土基坑進(jìn)行了研究，如葉帥華[2]依托實(shí)際工程案例，通過基坑開挖過程中水平和豎向位移變化研究了土釘墻加預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合支護(hù)等三種不同支護(hù)形式在甘肅地區(qū)黃土基坑工程中的適用性；何海鵬[3]以數(shù)值模擬的方式驗(yàn)證了甘肅某基坑現(xiàn)場測量沉降與位移變化規(guī)律，得出基坑變形具有一定的空間效應(yīng)，即樁身不同位置以及距離基坑不同位置變形不同；胡大為[4]從黃土特性出發(fā)，以西安地區(qū)濕陷性黃土基坑的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)為研究內(nèi)容，對濕陷性黃土基坑監(jiān)測預(yù)警值及其監(jiān)測頻率進(jìn)行了優(yōu)化與建議。

這些研究主要從基坑變形角度出發(fā)，但對于其他監(jiān)測項(xiàng)目并為做過多提及。作為基坑監(jiān)測項(xiàng)目之一的土壓力監(jiān)測，對深基坑而言是尤為重要的?；娱_挖過程，土壓力處于一種不斷變化的狀態(tài)[5]。土壓力的大小直接影響并決定著樁的配筋、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的尺寸和入土深度等[6]，是控制基坑變形的重要監(jiān)測手段之一。本文通過對西安南門外某深基坑工程長期的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，總結(jié)黃土地區(qū)深基坑的土壓力及位移的變化規(guī)律，為黃土地區(qū)深基坑類似工程提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1　工程概況

該工程位于西安地鐵2號線地鐵站附近，被環(huán)城南路分為南北兩塊區(qū)域。兩塊區(qū)域基坑?xùn)|西最大長度約為93 m和76 m，南北130 m和92 m，平均深度11.6 m。根據(jù)基坑周邊建筑物的不同情況，采用攪拌樁加固、樁與豎向斜撐的復(fù)合支護(hù)、懸臂雙排樁等多種加固和支護(hù)方法，并采用分塊、分層開挖等綜合作業(yè)。

2　地質(zhì)及水文條件

該基坑所屬區(qū)域?yàn)辄S土梁洼地貌，為非自重濕陷性黃土，濕陷等級為I級(輕微)，其地層及特征自下而上見表1。基坑北側(cè)為西安護(hù)城河，基坑地下水位為潛水型(穩(wěn)定介于8.8～10.8 m)，水位變化的主要影響來自大氣降水和側(cè)向徑流補(bǔ)給。水文條件受地下水位及周邊降水施工影響較大，監(jiān)測時(shí)應(yīng)當(dāng)充分給予考慮，及時(shí)調(diào)整。

表1　地質(zhì)條件各層分布表

3　土壓力監(jiān)測

3.1土壓力監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)規(guī)范[7-8]要求，結(jié)合現(xiàn)場勘察實(shí)際情況，在距離坑內(nèi)壁支護(hù)結(jié)構(gòu)一定距離的基坑周圍土體內(nèi)，相對容易產(chǎn)生大變形的關(guān)鍵部位布設(shè)了6個(gè)土壓力孔，每孔分別在3 m、6 m、9 m埋設(shè)處緊貼坑壁面向坑外布置土壓力盒，其受力面(光面)與坑壁作用土體垂直，并用細(xì)沙包裹壓實(shí)，以監(jiān)測坑壁土體水平方向壓力變化。共布設(shè)18個(gè)土壓力監(jiān)測點(diǎn)。詳細(xì)布設(shè)如圖1所示。

圖1監(jiān)測布點(diǎn)平面及土壓力監(jiān)測點(diǎn)縱向布設(shè)圖

3.2土壓力監(jiān)測儀器及原理

目前國內(nèi)監(jiān)測土壓力常用的土壓力計(jì)主要有差動(dòng)電阻式和鋼弦式兩種[9]，本工程監(jiān)測采用振弦式雙膜壓力盒，用480型頻率儀對壓力盒進(jìn)行測試，對對應(yīng)編號的壓力盒所測數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測并實(shí)時(shí)記錄。并通過公式進(jìn)行換算：

式中：P側(cè)為土體對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)壓力；k為壓力盒的標(biāo)定系數(shù)；f1,f2分別為壓力盒鋼弦的初始頻率和壓力盒鋼弦的量測頻率[10]。

4　土壓力監(jiān)測結(jié)果分析

4.1監(jiān)測結(jié)果

基坑?xùn)|段自2013年12月開始開挖，至2014年1月開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高，3月中旬基坑開始回填，至四月初回填完畢；西段自2013年10月基坑開挖，至12月中旬開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高，2014年2月初開始回填，至3月中旬回填完畢。東西段累計(jì)觀測分別為58期和116期。土壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總?cè)缦拢?/p>

(1)以開挖初期和開挖穩(wěn)定階段，基坑?xùn)|西兩段應(yīng)力增量及其日均變化率的極值和平均值匯總，繪制土壓力變化數(shù)據(jù)表(表2)。

(2)以應(yīng)力監(jiān)測時(shí)間為橫軸，應(yīng)力增量為縱軸，繪制了土壓力隨時(shí)間變化曲線圖(圖2)。

4.2數(shù)據(jù)分析

長期的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，基坑開挖及地下結(jié)構(gòu)的施工過程中，坑壁土體內(nèi)部產(chǎn)生的土壓力的總體變化相對較小，并且趨勢趨于平穩(wěn)，該基坑工程土體始終處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，符合基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范要求。

從表2土壓力變化數(shù)據(jù)匯總表可以看出，與基坑開挖初期相比，開挖穩(wěn)定階段的應(yīng)力增量及日均變化率較小且趨于0，即土體最終趨于穩(wěn)定。土壓力最大最小值分別出現(xiàn)在底層監(jiān)測點(diǎn)(TY-3、6、9)和表層監(jiān)測點(diǎn)(TY-1、4、7)，即土壓力值與監(jiān)測點(diǎn)埋深有關(guān)，且一般隨埋深增大而增加。

表2　土壓力變化數(shù)據(jù)匯總表

圖2土壓力隨時(shí)間變化曲線圖

從圖2土壓力隨時(shí)間變化曲線圖可以看出，土壓力在隨監(jiān)測時(shí)間變化過程中，整體滿足先減小后增大再減小，圍繞某一特定軸線小幅度的上下波動(dòng)，最終趨于穩(wěn)定的趨勢。土壓力在基坑開挖初期，減小最為迅速，變化最為明顯，即開挖初期是土壓力監(jiān)測的關(guān)鍵時(shí)期?；娱_挖不同階段對土壓力變化影響較為明顯，開挖過程中隨著開挖深度的增加坑壁土體不斷卸載，至基坑回填坑壁土體壓力基本平衡，應(yīng)力增量最終趨于穩(wěn)定。穩(wěn)定時(shí)的土壓力值一般要低于開挖初期的土壓力值，這是因?yàn)?，一方面隨著基坑開挖正常固結(jié)土轉(zhuǎn)變?yōu)槌探Y(jié)土，其強(qiáng)度增大，一定程度上能夠有效的控制土壓力[11]；另一方面是施工過程中采取的支護(hù)措施對基坑的變形起到一定的約束作用。

4.3結(jié)果評價(jià)

陸培毅[12-13]和楊慶[14]分別以室內(nèi)模型試驗(yàn)和現(xiàn)場監(jiān)測為依據(jù)對粘性土、砂性土及卵石底層中基坑開挖過程土壓力變化規(guī)律進(jìn)行分析研究，不同地區(qū)不同土質(zhì)基坑土壓力變化各有異同，總體都滿足非線性動(dòng)態(tài)波紋式的變化且隨埋深增大而變大的規(guī)律。黃土基坑土壓力變化總體與之類似，但由于黃土的垂直節(jié)理特征和較強(qiáng)的滲透性，在遇到振動(dòng)或者浸水現(xiàn)象時(shí)，土壓力在基坑開挖及降水階段，尤其是開挖初期變化相對較大。這就要求，基坑開挖及降水階段適當(dāng)提高土壓力的監(jiān)測頻率、控制降水速率、規(guī)范開挖機(jī)械及運(yùn)輸機(jī)械操作等，對于正常施工期間兩次監(jiān)測結(jié)果誤差較大的點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測，數(shù)據(jù)長期波動(dòng)較大的點(diǎn)可考慮重新布點(diǎn)，以確保工程質(zhì)量安全。

5　基坑變形監(jiān)測

基坑坑壁周圍共布設(shè)水平位移監(jiān)測點(diǎn)37個(gè)，其中西段28個(gè)，東段9個(gè)，根據(jù)基坑開挖及施工現(xiàn)場實(shí)際情況，基坑?xùn)|、西段分別采用極坐標(biāo)法和小角法監(jiān)測，東段水平位移觀測點(diǎn)布設(shè)如圖1所示，監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果如圖3所示。

從圖3曲線可知，遠(yuǎn)離基坑邊角的SPD-4點(diǎn)的位移最終遠(yuǎn)小于靠近基坑邊角及坑角相對密集的其他監(jiān)測點(diǎn)，且整體穩(wěn)定，水平位移相對變化較小，這與王旭軍[15]的研究結(jié)果一致，所測位移監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)增量均未達(dá)到監(jiān)測方案要求的預(yù)警值(10 mm)，且最終趨于穩(wěn)定，與土壓力監(jiān)測結(jié)果一致?，F(xiàn)場觀察坑壁無明顯裂縫現(xiàn)象，各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范[16]要求。

6　結(jié)　論

本文以西安市南門外某深基坑的土壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究黃土地區(qū)深基坑土壓力變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1)黃土地區(qū)深基坑土壓力受黃土自身結(jié)構(gòu)性影響，總體變化相對較小，西安市南門外某深基坑的監(jiān)測結(jié)果表明，基坑土壓力及位移的變化在允許范圍內(nèi)，滿足工程安全要求。

(2)基坑工程具有一定的時(shí)空效應(yīng)[17-18]。在本工程中主要表現(xiàn)為：基坑土壓力大小與壓力盒埋深大體呈正態(tài)線性相關(guān)，土壓力監(jiān)測時(shí)間變化滿足減小-增大-減小-穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)發(fā)展模式；基坑坑壁位移滿足基坑邊角及坑角密集處大于遠(yuǎn)離坑角坑壁位移的規(guī)律，總體位移隨監(jiān)測時(shí)間變化先增長后趨于穩(wěn)定。

(3)本文研究的出發(fā)點(diǎn)為深基坑的土壓力監(jiān)測，在實(shí)際工程中應(yīng)當(dāng)充分結(jié)合基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移、沉降監(jiān)測及周邊建筑物的沉降監(jiān)測、地下水位監(jiān)測、錨桿軸力監(jiān)測等監(jiān)測項(xiàng)目，更加完善地對基坑進(jìn)行監(jiān)測和分析，確保工程的安全。

[1] 劉穎.黃土的滲透性[M].北京:科學(xué)出版社,1961.

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Monitoring and Analysis of Soil Pressure of Deep Foundation Pit in Loess Area

ZHAOMin,LIGuangguang,MENGLingdong

(School of Civil & Architecture Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an 710032, China)

Respect to the characteristics of deep foundation pit in loess region, combined with specific engineering examples of earth pressure monitoring, the long-term monitoring data of a deep foundation pit at Xi’an Nanmen engineering is taken as an example, and the variation of earth pressure in the process of deep foundation pit construction is analyzed. Some empirical regularity are obtained: The excavation of loess foundation pit has a certain time and space effect; soil pressure changes are related to the depth of the monitoring points in space and increased with the depth; it's related to the monitoring cycle in time, assuming a decrease-increase-decrease-stable trend; the change of the pit wall is related to the location of the monitoring points, and the displacement of the monitoring points in the corner of the pit or the corner of the pit is much larger than that far away from the pit; it's maintaining growth in time, but the growth rate is gradually smaller, and eventually tend to be stable. The change of wall displacement and soil pressure are consistent as a whole.

loess; foundation pit; soil pressure

2016-03-07

陜西省教育廳項(xiàng)目(14JK1340)

趙 敏(1970-)，女，陜西楊凌人，教授，碩士，主要從事巖土工程、隧道與城市地下工程方面的研究，(E-mail)zhaominxait@163.com

1673-1549(2016)03-0081-04

10.11863/j.suse.2016.03.17

TU432

A